CN106533424A - 一种兼容电阻式和电容式传感器的接口电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼容电阻式和电容式传感器的接口电路，包括电容‑电压转换电路、电阻‑电压转换电路以及模数转换器，通过复用运算放大器和反馈电容阵列实现电容‑电压转换和电阻‑电压转换。本发明结构原理简单，不但能够有效地节省系统成本、面积和功耗，而且便于用户将不同类式的传感器融合使用，整体电路具有较好的线性度和较高的精度，更能满足无线传感技术的发展需求。

Description

一种兼容电阻式和电容式传感器的接口电路

技术领域

本发明无线传感技术领域，具体为一种兼容电阻式和电容式传感器的接口电路。

背景技术

最早的传统传感器采用点对点传输，需要连接传感控制器构成传感网络。随着相关学科的不断发展进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，组成了由信息综合和处理能力的传感器网络。而从上世纪末开始，大量多功能传感器被使用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。无线传感器节点一般搭载一个或多个传感器，感知物理世界，它既是信息的采集和发出者，又充当信息的路由者，具有规模大、自组织、动态性、应用相关等特点。无线传感技术最早应用于军事领域，随着相关技术和科研的进一步深入，其应用范围更加广泛，在民用和工业领域都有所涉及。它的发展便于我们智能化地监测被感知对象，例如地震监测、智能家居、医疗状况监测等。

由于传统传感器存在精度差、可靠性不高、集成度低和高功耗等诸多问题。当下的新型传感器正向着集成电路技术与传统传感技术相融合的方向迈进，使得传感器向高精度、高可靠性、微型化以及无源化发展。考虑到无线传感节点对低功耗、高灵敏度、小尺寸封装等方面的要求，将传感器和无线通信系统集成在同一衬底上确已成为一种发展趋势。

传感器种类繁多，其输出信号也是各式各样的。其基本感知功能通过各种敏感元件来实现，一般通过电阻、电容或者其它参量的变化来表征被感知对象的信息，敏感元件的输出经过转换元件对其输出信号进行进一步的加工和处理，实现将非电量信号转换为电量信号。例如，温度、湿度、压力等各类信号经过相应的传感器输出的可能是电压信号、电流信号或频率信号。为了与无线通信技术相融合实现信号的无线传输，需要相应的接口电路对传感器的输出信号进行处理。传统的电阻式或电容式传感器的接口电路性能单一，专用性强。本发明旨在提出一种兼容电阻式和电容式传感器的接口电路实现方案，以尽可能地适应多种传感器的需求。

电容式传感器的接口电路利用电容器原理，将电容量转化为可测量和传输的电压、电流或频率等参量。与其它类型的传感器接口电路相比，具有测量范围大、灵敏度高、动态响应快、稳定性好、结构简单、易数字化等优点，在湿度、温度、位移、压力、厚度、振幅、液位、成分分析等测量方面得到了非常广泛的应用，是一种具有良好发展前景的传感器接口电路形式。然而，随着电容式传感器的不断发展与应用，对于电容测量电路的要求也越来越高。在现阶段测量微小电容主要有以下几方面的困难：

(1)电容式传感电容值不可能大，一般为pF量级，而由这些物理量引起的微电容的变化更加微小，一般为fF甚至aF量级。如此小的变化量对检测电路的设计是一个挑战，如果没有相应的小信号检测电路，那么根本无法实现传感器的实用化，因此采用专用的接口电路对传感器的输出信号进行检测和处理对微电容传感器非常有必要；

(2)测量电路中通常需要使用电子开关，但电子开关的电荷注入效应对测量系统的影响难以消除。近年来，随着微电子技术与微加工技术的发展，系统的微式化、集成化和智能化逐渐成为未来传感器发展的方向，系统芯片成为集成电路研究的热门话题。

电阻式传感器接口电路一般采用电桥电路和放大电路构成其前级电路。本发明提出的接口电路通过电阻网络测量感知信号，将电阻阻值的变化转换成电压信号，该电压信号被模数转换器转换成数字信号。得到的数字量经过处理器换算即可得出相应的非电量变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼容电阻式和电容式传感器的接口电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种兼容电阻式和电容式传感器的接口电路,包括电容-电压转换电路、电阻-电压转换电路以及模数转换器；所述电容-电压转换电路包括参考电容、传感电容、反馈电容阵列、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关和运算放大器，所述第一开关一端连接电源端，另一端分别连接第二开关一端和参考电容一端，所述第二开关另一端接地，所述参考电容另一端分别连接传感电容一端和Mode开关一端，所述Mode开关另一端连接运算放大器Vin端，所述第三开关一端接地，另一端分别连接第四开关一端和传感电容另一端，所述第四开关另一端连接电源端；所述反馈电容阵列与第五开关并联接在运算放大器Vin端和输出端之间。

优选的，所述电阻-电压转换电路包括传感电阻、外接可变电阻、采样电容、反馈电容阵列、第五开关、第六开关、第七开关和运算放大器，所述传感电阻一端连接电源端，另一端分别连接外接可变电阻一端和第六开关一端，外接可变电阻另一端接地，第六开关另一端分别连接采样电容一端和第七开关一端，第七开关另一端接地，采样电容另一端连接Moden开关一端，所述Moden开关另一端连接运算放大器Vin端，运算放大器Vip端接地；所述反馈电容阵列与第五开关并联接在运算放大器Vin端和输出端之间。

优选的，所述模数转换器连接运算放大器输出端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构原理简单，以电容器原理，电荷守恒定理以及运放的特性为依托，复用运算放大器、第五开关及反馈电容阵列，实现大范围测量，不仅简化了整体接口电路结构，还节省了成本和面积，兼顾效益与成本，电路通过复用反馈电容阵列和运算放大器实现兼容式接口电路；通过Mode/Moden控制信号切换接口电路的工作模式。当Mode信号为高时，实现了电容式传感器的接口电路，基于开关电容电路和电容的充放电原理，实现电容量到电压量的转换；当Moden信号为高时，实现了电阻式传感器的接口电路，首先通过电阻网络将电阻量转换为电压量，然后通过开关电容放大器对该电压信号进行放大，最后通过模数转换器将放大后的电压信号进行数字化处理，不但能够有效地节省系统成本、面积和功耗，而且便于用户将不同类式的传感器融合使用，整体电路具有较好的线性度和较高的精度，更能满足无线传感技术的发展需求；同时还可用于全差分结构的接口电路。

附图说明

图1为本发明的整体原理图；

图2为本发明的电容式传感器等效接口电路原理图；

图3为本发明的电阻式传感器等效接口电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种兼容电阻式和电容式传感器的接口电路，包括电容-电压转换电路、电阻-电压转换电路以及模数转换器2；所述电容-电压转换电路包括参考电容3、传感电容4、反馈电容阵列16、第一开关5、第二开关6、第三开关7、第四开关8、第五开关17和运算放大器1，所述第一开关5一端连接电源端，另一端分别连接第二开关6一端和参考电容一端，所述第二开关6另一端接地，所述参考电容3另一端分别连接传感电容4一端和Mode开关9一端，所述Mode开关9另一端连接运算放大器1Vin端，所述第三开关7一端接地，另一端分别连接第四开关8一端和传感电容4另一端，所述第四开关8另一端连接电源端；所述反馈电容阵列16与第五开关17并联接在运算放大器1Vin端和输出端之间。

本实施例中，电阻-电压转换电路包括传感电阻10、外接可变电阻11、采样电容12、反馈电容阵列16、第五开关17、第六开关13、第七开关14和运算放大器1，所述传感电阻10一端连接电源端，另一端分别连接外接可变电阻11一端和第六开关13一端，外接可变电阻11另一端接地，第六开关13另一端分别连接采样电容12一端和第七开关14一端，第七开关14另一端接地，采样电容12另一端连接Moden开关15一端，所述Moden开关15另一端连接运算放大器1Vin端，运算放大器1Vip端接地；所述反馈电容阵列16与第五开关17并联接在运算放大器1Vin端和输出端之间，其中，外接可变电阻可以实现电阻式传感器的接口电路的大范围测量。

另外，本实施例中，模数转换器2连接运算放大器1输出端，模数转换器2输出端为信号输出端，既可以实现电容式传感器的接口电路，将待测信号通过电容式敏感元件感知，利用开关电容电路实现电容-电压转换，输出可测的电压信号；也可以完成电阻式传感器的接口电路，通过待测信号的变化引起敏感元件电阻值发生变化，进而通过电阻-电压转换，输出可测的电压信号。

本发明中，当Mode开关9为高电平时，该电路等效为电容式传感器的接口电路；当Moden开关15为高电平时，该电路等效为电阻式传感器的接口电路。并通过第五开关17和反馈电容阵列16实现对运算放大器的复用，其中运算放大器可以由两级运放级联构成，第一级实现高增益和带宽，第二级实现宽摆幅，也可以采用增益提高式的单级运放构成。

本发明中，电容式传感器的接口电路主要使用开关电容电路，通过分时工作方式，采用电容阵列反馈形式以及电荷积累效应，获得与传感电容相关的输出电压，即电容量转化为模拟电压的输出，完成电容-电压转换，测量范围很大。而且开关电容电路与IC工艺完全兼容，因此可以基于CMOS集成工艺，将接口电路集成化。电容式传感器接口电路具体工作分两个阶段进行：在阶段1，第一开关和第三开关断开，第二开关、第四开关和第五开关闭合。此时电源电压对传感电容充电，参考电容对地进行放电，运算放大器输入与输出端短接，输出为0；在阶段2，第一开关和第三开关闭合，第二开关、第四开关和第五开关断开。这时传感电容对地放电，电源电压对参考电容充电，反馈电容阵列接入电路控制运算放大器的闭环增益，利用电荷守恒定理及运放的虚短虚断原理，阶段1和阶段2运放正负输入端电荷保持平衡，可以计算出阶段2的输出电压。电路的输出电压为与输入电压同频率的对称信号，其幅值正比于传感电容与参考电容的差值。

本发明中，电阻式传感器接口电路并非像传统电阻式传感器的接口电路一样依赖于电桥电路，而是使用了简单的电阻网络。电阻网络是测量待测变化信号的部分，它由一个传感电阻和外接可变电阻组成，通过把传感电阻值与外接可变电阻阻值的变化转换成电压输出，然后提供给开关电容放大电路放大，最后通过模数转换器量化处理。其具体工作如下：首先电阻网络中传感电阻感知待测的非电量信号产生阻值的变化，通过调整外接可变电阻，在电阻网络中由于阻值的变化产生电压变化，但此变化电压很小，需要把该电压送入开关电容放大电路中进行放大处理，同样分两个阶段完成。在阶段1第五开关和第六开关闭合，第七开关断开，采样电容对来自电阻网络中的小电压信号进行采样；阶段2，第七开关闭合，第五开关、第六开关断开，反馈电容阵列接入跨导运算放大器中调整闭环增益，完成对采样电压的放大。

本发明结构原理简单，以电容器原理，电荷守恒定理以及运放的特性为依托，复用运算放大器、第五开关及反馈电容阵列，实现大范围测量，不仅简化了整体接口电路结构，还节省了成本和面积，兼顾效益与成本，电路通过复用反馈电容阵列和运算放大器实现兼容式接口电路；通过Mode/Moden控制信号切换接口电路的工作模式。当Mode信号为高时，实现了电容式传感器的接口电路，基于开关电容电路和电容的充放电原理，实现电容量到电压量的转换；当Moden信号为高时，实现了电阻式传感器的接口电路，首先通过电阻网络将电阻量转换为电压量，然后通过开关电容放大器对该电压信号进行放大，最后通过模数转换器将放大后的电压信号进行数字化处理，不但能够有效地节省系统成本、面积和功耗，而且便于用户将不同类式的传感器融合使用，整体电路具有较好的线性度和较高的精度，更能满足无线传感技术的发展需求；同时还可用于全差分结构的接口电路。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种兼容电阻式和电容式传感器的接口电路,其特征在于：包括电容-电压转换电路、电阻-电压转换电路以及模数转换器；所述电容-电压转换电路包括参考电容、传感电容、反馈电容阵列、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关和运算放大器，所述第一开关一端连接电源端，另一端分别连接第二开关一端和参考电容一端，所述第二开关另一端接地，所述参考电容另一端分别连接传感电容一端和Mode开关一端，所述Mode开关另一端连接运算放大器Vin端，所述第三开关一端接地，另一端分别连接第四开关一端和传感电容另一端，所述第四开关另一端连接电源端；所述反馈电容阵列与第五开关并联接在运算放大器Vin端和输出端之间。

2.根据权利要求1所述的一种兼容电阻式和电容式传感器的接口电路，其特征在于：所述电阻-电压转换电路包括传感电阻、外接可变电阻、采样电容、反馈电容阵列、第五开关、第六开关、第七开关和运算放大器，所述传感电阻一端连接电源端，另一端分别连接外接可变电阻一端和第六开关一端，外接可变电阻另一端接地，第六开关另一端分别连接采样电容一端和第七开关一端，第七开关另一端接地，采样电容另一端连接Moden开关一端，所述Moden开关另一端连接运算放大器Vin端，运算放大器Vip端接地；所述反馈电容阵列与第五开关并联接在运算放大器Vin端和输出端之间。

3.根据权利要求1所述的一种兼容电阻式和电容式传感器的接口电路，其特征在于：所述模数转换器连接运算放大器输出端。