CN109557143B - 一种电容型湿度传感器接口电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容型湿度传感器接口电路，包括检测支路、基准支路、两级放大支路，检测支路与基准支路共接且分别与两级放大支路是输入侧连接，两级放大支路的输出侧共接且形成所述接口电路的输出，在两级放大支路上还设置有输入侧和输出侧相连接的电容反馈支路；该电路基于开关电容电路原理，通过采用两运放分时工作的方式，解决了传统开关电容电路在采样阶段没有输出的缺点，适用于大多数电容型传感器，从而更好地实现了对微小电容的检测。

Description

一种电容型湿度传感器接口电路
技术领域
本发明涉及传感器技术等领域，具体的说，是一种电容型湿度传感器接口电路。
背景技术
传感器作为人类探知自然界信息的触角，它可将人们需要探知的各种非电量信息转化成可测的电量信息，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。随着现代测量、控制和自动化技术的不断发展，传感器技术已越来越为人们所重视，与通信技术和计算机技术构成现代信息产业的三大支柱，是信息产业的重要基础，它是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学和材料学等众多学科相互交叉的综合性前沿技术之一，是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。
电容型传感器是传感器家族中一类重要的传感器。它是利用电容器原理，将非电量转化为电容量，进而转化为便于测量和传输的电压、电流或频率等参量的器件，凡是可以转换为间距、面积和介电常数的量都可以用电容型传感器来测量。与其它类型的传感器相比，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。传感器信号处理电路的作用是将传感器产生的信号转换成为可供分析、计算、显示及处理的电信号，是一个非常重要的连接环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。然而，随着电容型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)电容型传感器电容值不可能大，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，一般为作甚至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集成电路进行检测和理成为微电容传感器的重要方法。传统的开关电容电路在采样阶段没有信号输出。
发明内容
本发明的目的在于设计出一种电容型湿度传感器接口电路，该接口电路采用双运放交替采样方式，使得电路可以持续输出放大信号。
本发明通过下述技术方案实现：一种电容型湿度传感器接口电路，包括检测支路、基准支路、两级放大支路，检测支路与基准支路共接且分别与两级放大支路的输入侧连接，两级放大支路的输出侧共接且形成所述接口电路的输出，在两级放大支路上还设置有输入侧和输出侧相连接的电容反馈支路；该电路通过时钟控制分时工作的方式,采用电容反馈形式和电荷积累效应,将电容的变化量转换为电压的变化量,实现电容到电压信号的读出，从而检测外界物理量的变化。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述检测支路包括湿敏电容Cs及时钟逻辑电路，在基准支路上亦设置有参考电容Cr和时钟逻辑电路；湿敏电容Cs的一端和参考电容Cr的一端皆接入时钟逻辑电路，且湿敏电容Cs的另一端和参考电容Cr的另一端共接且与两级放大支路的输入侧连接；所述湿敏电容Cs通过检测外界湿度变化引起其电容值变化，参考电容Cr采用和湿敏电容Cs相同的结构但其电容值不随湿度变化。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述时钟逻辑电路包括逻辑开关S1、逻辑开关S2、逻辑开关S1B、逻辑开关S2B，且逻辑开关S1和逻辑开关S2共接，逻辑开关S1B和逻辑开关S2B共接，且逻辑开关S1和逻辑开关S2的共接端连接参考电容Cr，逻辑开关S1B和逻辑开关S2B的共接端连接湿敏电容Cs。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：时钟逻辑电路通过VDD和GND对湿敏电容CS、参考电容Cr分别充放电。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述两级放大电路包括两个采用相同电路结构的放大电路，在放大电路内设置有运算放大器，电容反馈支路连接在运算放大器的反相输入端和输出端之间，采用二级运放(两级放大电路)，提高增益和输入输出范围；所有逻辑开关均采用传输门结构。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述检测支路和基准支路皆通过逻辑开关接入运算放大器的反相输入端，在运算放大器的输出端上设置逻辑开关进行输出的通断。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在所述运算放大器的反相输入端和输出端之间还连接有逻辑开关。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述电容反馈支路包括相互串联的反馈电容和逻辑开关，且该逻辑开关和反馈电容的共接端还通过一逻辑开关连接运算放大器的同相输入端；且反馈电容选取固定电容其电容值相等。
进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述运算放大器的同相输入端连接参考电压Vref。
所述逻辑开关S1和逻辑开关S2为两相非重叠时钟，开关S1B和逻辑开关S2B为两相非重叠时钟,通过连接VDD和GND对湿敏电容CS、参考电容Cr分别充放电。同时逻辑开关S5和逻辑开关S5B为两相非重叠时钟，控制湿敏电容CS、参考电容Cr分别与两个运算放大器反相输入端相连。两个运算放大器的同相输入端都与参考电压Vref相连，提供适当的输入电压。逻辑开关S3～逻辑开关S6控制运算放大器(Opamp_1)对湿敏电容Cs的采样与放大，同时，逻辑开关S3B～逻辑开关S6B控制运算放大器(Opamp_2)对湿敏电容Cs的采样与放大。逻辑开关S6和逻辑开关S6B连接到输出端，控制信号的输出。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明采用双运放交替采样方式，使得电路可以持续输出放大信号。
(2)本发明基于开关电容电路原理，通过采用两个运放分时工作的方式，解决了传统开关电容电路在采样阶段没有输出的缺点，适用于大多数电容型传感器，从而更好地实现了对微小电容的检测。
附图说明
图1是本发明所述传感器接口电路的电路图。
图2是本发明所述接口电路的所有逻辑开关时序图。
图3本发明所述传感器接口电路的输出结果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1：
本发明提出了一种电容型湿度传感器接口电路，采用双运放交替采样方式，使得电路可以持续输出放大信号，如图1所示，特别采用下述设置方式：包括检测支路、基准支路、两级放大支路，检测支路与基准支路共接且分别与两级放大支路的输入侧连接，两级放大支路的输出侧共接且形成所述接口电路的输出，在两级放大支路上还设置有输入侧和输出侧相连接的电容反馈支路；该电路通过时钟控制分时工作的方式,采用电容反馈形式和电荷积累效应,将电容的变化量转换为电压的变化量,实现电容到电压信号的读出，从而检测外界物理量的变化。
实施例2：
本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述检测支路包括湿敏电容Cs及时钟逻辑电路，在基准支路上亦设置有参考电容Cr和时钟逻辑电路；湿敏电容Cs的一端和参考电容Cr的一端皆接入时钟逻辑电路，且湿敏电容Cs的另一端和参考电容Cr的另一端共接且与两级放大支路的输入侧连接；所述湿敏电容Cs通过检测外界湿度变化引起其电容值变化，参考电容Cr采用和湿敏电容Cs相同的结构但其电容值不随湿度变化。
实施例3：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述时钟逻辑电路包括逻辑开关S1、逻辑开关S2、逻辑开关S1B、逻辑开关S2B，且逻辑开关S1和逻辑开关S2共接，逻辑开关S1B和逻辑开关S2B共接，且逻辑开关S1和逻辑开关S2的共接端连接参考电容Cr，逻辑开关S1B和逻辑开关S2B的共接端连接湿敏电容Cs。
实施例4：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：时钟逻辑电路通过VDD和GND对湿敏电容CS、参考电容Cr分别充放电。
实施例5：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述两级放大电路包括两个采用相同电路结构的放大电路，在放大电路内设置有运算放大器，电容反馈支路连接在运算放大器的反相输入端和输出端之间，采用二级运放(两级放大电路)，提高增益和输入输出范围；所有逻辑开关均采用传输门结构。
实施例6：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述检测支路和基准支路皆通过逻辑开关接入运算放大器的反相输入端，在运算放大器的输出端上设置逻辑开关进行输出的通断。
作为优选的设置方案，在检测支路和基准支路与运算放大器(Opamp_1)的反相输入端之间连接逻辑开关S5，在运算放大器(Opamp_1)的输出端上设置逻辑开关S6进行输出的通断；在检测支路和基准支路与运算放大器(Opamp_2)的反相输入端之间连接逻辑开关S5B，在运算放大器(Opamp_2)的输出端上设置逻辑开关S6B进行输出的通断。
实施例7：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在所述运算放大器的反相输入端和输出端之间还连接有逻辑开关。
作为优选的设置方案，在运算放大器(Opamp_1)的反相输入端和输出端之间还连接有逻辑开关S3；在运算放大器(Opamp_2)的反相输入端和输出端之间还连接有逻辑开关S3B。
实施例8：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述电容反馈支路包括相互串联的反馈电容和逻辑开关，且该逻辑开关和反馈电容的共接端还通过一逻辑开关连接运算放大器的同相输入端。
作为优选的设置方案，在运算放大器(Opamp_1)上设置的电容反馈支路包括相互串联的反馈电容Cf1和逻辑开关S4，反馈电容Cf1和逻辑开关S4的共接端还通过逻辑开关S3连接运算放大器(Opamp_1)的同相输入端；在运算放大器(Opamp_2)上设置的电容反馈支路包括相互串联的反馈电容Cf2和逻辑开关S4B，反馈电容Cf2和逻辑开关S4B的共接端还通过逻辑开关S3B连接运算放大器(Opamp_2)的同相输入端；反馈电容Cf1反馈电容Cf2选取固定电容且电容值相等。
实施例9：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述运算放大器的同相输入端连接参考电压Vref。
所述逻辑开关S1和逻辑开关S2为两相非重叠时钟，逻辑开关S1B和逻辑开关S2B为两相非重叠时钟，通过连接VDD和GND对湿敏电容CS、参考电容Cr分别充放电。同时逻辑开关S5和逻辑开关S5B为两相非重叠时钟，控制湿敏电容CS、参考电容Cr分别与两个运算放大器反相输入端相连。两个运算放大器的同相输入端都与参考电压Vref相连，提供适当的输入电压。逻辑开关S3～逻辑开关S6控制运算放大器(Opamp_1)对湿敏电容Cs的采样与放大，同时，逻辑开关S3B～逻辑开关S6B控制运算放大器(Opamp_2)对湿敏电容Cs的采样与放大。逻辑开关S6和逻辑开关S6B连接到输出端，控制信号的输出。
实施例10：
本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，一种电容型湿度传感器接口电路，设置有采用时钟逻辑电路(逻辑开关S1B和逻辑开关S2B组成)和湿敏电容Cs构成的检测支路；采用时钟逻辑电路(逻辑开关S1、逻辑开关S2组成)和参考电容Cr构成的基准支路；采用电容反馈支路、逻辑开关反馈支路、运算放大器(Opamp_1和Opamp_2)构成的两级放大支路；检测支路和基准支路中的逻辑开关S1和逻辑开关S2、逻辑开关S1B和逻辑开关S2B与VDD和GND采用相悖的方式连接(相悖的方式是指逻辑开关S1连接VDD则逻辑开关S2B就连接GND)，时钟逻辑电路通过VDD和GND对湿敏电容CS、参考电容Cr分别充放电；参考电容Cr的一端与逻辑开关S1和逻辑开关S2的共接端相连接，湿敏电容Cs的一端与逻辑开关S1B和逻辑开关S2B的共接端相连接；湿敏电容Cs的另一端和参考电容Cr的另一端皆通过逻辑开关分别与Opamp_1和Opamp_2的反相输入端相连接；优选的Opamp_1的反相输入端连接逻辑开关S5，Opamp_2的反相输入端连接逻辑开关S5B；优选的与Opamp_1相连接的电容反馈支路包括相互串联的反馈电容Cf1和逻辑开关S4，且该逻辑开关S4和反馈电容Cf1的共接端还通过一逻辑开关S3连接运算放大器的同相输入端，在Opamp_1的反相输入端和输出端之间还连接有逻辑开关S3；与Opamp_2相连接的电容反馈支路包括相互串联的反馈电容Cf2和逻辑开关S4B，且该逻辑开关S4B和反馈电容Cf2的共接端还通过一逻辑开关S3B连接运算放大器的同相输入端，在Opamp_2的反相输入端和输出端之间还连接有逻辑开关S3B；反馈电容Cf1和Cf2选取固定电容且电容值相等；Opamp_1的输出端通过逻辑开关S6构成输出out，Opamp_2的输出端通过逻辑开关S6B构成输出out；Opamp_1和Opamp_2的同相输入端皆连接参考电压Vref。
该电路通过时钟控制分时工作的方式,采用电容反馈形式和电荷积累效应,将电容的变化量转换为电压的变化量,实现电容到电压信号的读出，从而检测外界物理量的变化。
所述湿敏电容Cs通过检测外界湿度变化引起其电容值变化，参考电容Cr采用和湿敏电容Cs相同的结构但其电容值不随湿度变化。
采用二级运放(两级放大电路)，提高增益和输入输出范围；所有逻辑开关均采用传输门结构。
逻辑开关S1和逻辑开关S2为两相非重叠时钟，逻辑开关S1B和逻辑开关S2B为两相非重叠时钟，通过连接VDD和GND对湿敏电容CS、参考电容Cr分别充放电。同时逻辑开关S5和逻辑开关S5B为两相非重叠时钟，控制湿敏电容CS、参考电容Cr分别与两个运算放大器反相输入端相连。两个运算放大器的同相输入端都与参考电压Vref相连，提供适当的输入电压。逻辑开关S3～逻辑开关S6控制运算放大器(Opamp_1)对湿敏电容Cs的采样与放大，同时，逻辑开关S3B～S6B控制运算放大器(Opamp_2)对湿敏电容Cs的采样与放大。逻辑开关S6和逻辑开关S6B连接到输出端，控制信号的输出。
该电路由传感电容(湿敏电容)Cs(Cs感测湿度变化进而引起电容值变化)，参考电容Cr，反馈电容Cf，运算放大器和控制开关(逻辑开关)S1～逻辑开关S6等组成，图2为所有逻辑开关的时序图。其中逻辑开关S1和逻辑开关S2，逻辑开关S1B和逻辑开关S2B，逻辑开关S3和逻辑开关S4均为两相非重叠时钟。分析开关电容放大电路工作状态，当图中第一个运放Opamp_1工作时，此时逻辑开关S5打开，逻辑开关S5B闭合，电路工作则分为两个阶段进行，采样阶段和放大阶段。
在采样阶段，逻辑开关S1和S2B受低电平控制断开，逻辑开关S2和S1B受高电平控制闭合。电源电压VDD对传感电容Cs进行充电，参考电容Cr接地放电，运算放大器输出端与反相输入端短接。根据运算放大器虚短虚断的特性，输出电压等于运算放大器同相输入端的偏置电压Vref，同时反馈电容Cf复位清零。此时存储在运算放大器反相输入端的电荷总量Q1为
Q1＝(Vref-Vdd)Cs+VrefCr (1)
在放大阶段，逻辑开关S1和S2B受高电平控制闭合，逻辑开关S2和S1B受低电平控制断开。传感电容Cs接地放电，电源电压VDD(Vdd)对参考电容Cr进行充电，反馈电容Cf1和Cf2将运算放大器的输出端与反相输入端连接起来，控制运算放大器的闭环增益。此时存储在运算放大器反相输入端的电荷总量Q2为：
Q2＝VrefCs+(Vref-Vdd)Cr+(Vref-Vout)Cf (2)
根据电荷守恒原理，即采样阶段和放大阶段中存储在运算放大器反相输入端的电荷保持守恒，Q1＝Q2，得到放大阶段中的输出电压表达式为：
Vout＝Vdd(Cs-Cr)/Cf1+Vref (3)
从输出电压的表达式可以看出，当运放Opamp_1工作时，电路的输出电压为一与输入电容同频率的对称方波信号，其幅值正比于传感电容Cs与参考电容Cr的差值，电源电压Vdd和反馈电容Cf1的比值控制电路的闭环增益。
运放Opamp_1的输出结果如图3所示，其输出为方波，但是在采样阶段其输出为参考电压Vref,为了在Opamp_1工作的采样阶段输出也能放映电容值，我们采用了与运放Opamp_1工作状态相反的运放Opamp_2同时进行采样放大。当运放Opamp_1工作在采样状态时，运放Opamp_2工作在放大状态，当运放Opamp_2工作在放大状态时，运放Opamp_2工作在采样状态。通过逻辑开关S6和逻辑开关S6B控制，使得整体电路输出端的电压总为运放放大状态时的输出电压。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种电容型湿度传感器接口电路，其特征在于：包括检测支路、基准支路、两级放大支路，检测支路与基准支路共接且分别与两级放大支路的输入侧连接，两级放大支路的输出侧共接且形成所述接口电路的输出，在两级放大支路上还设置有输入侧和输出侧相连接的电容反馈支路；
所述检测支路包括湿敏电容Cs及时钟逻辑电路，在基准支路上亦设置有参考电容Cr和时钟逻辑电路；湿敏电容Cs的一端和参考电容Cr的一端皆接入时钟逻辑电路，且湿敏电容Cs的另一端和参考电容Cr的另一端共接且与两级放大支路的输入侧连接；
所述时钟逻辑电路包括逻辑开关S1、逻辑开关S2、逻辑开关S1B、逻辑开关S2B，且逻辑开关S1和逻辑开关S2共接，逻辑开关S1B和逻辑开关S2B共接，且逻辑开关S1和逻辑开关S2的共接端连接参考电容Cr，逻辑开关S1B和逻辑开关S2B的共接端连接湿敏电容Cs；
时钟逻辑电路通过VDD和GND对湿敏电容CS、参考电容Cr分别充放电；
所述两级放大电路包括两个采用相同电路结构的放大电路，在放大电路内设置有运算放大器，电容反馈支路连接在运算放大器的反相输入端和输出端之间；
所述检测支路和基准支路皆通过逻辑开关接入运算放大器的反相输入端，在运算放大器的输出端上设置逻辑开关进行输出的通断；
在所述运算放大器的反相输入端和输出端之间还连接有逻辑开关；
所述电容反馈支路包括相互串联的反馈电容和逻辑开关，且该逻辑开关和反馈电容的共接端还通过一逻辑开关连接运算放大器的同相输入端；
所述运算放大器的同相输入端连接参考电压Vref。
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