CN112881856A - 一种可重构多模态传感器接口电路 - Google Patents

一种可重构多模态传感器接口电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及接口电路的技术领域，公开了一种可重构多模态传感器接口电路，包括可重构测量电路，所述可重构测量电路的输入端与连接接口相连，输出端与基线补偿电路的一端相连，所述基线补偿电路的另一端与可重构测量电路的输入端相连，所述连接接口与传感器相连，所述可重构测量电路用于根据传感器的输出类型，通过开关控制重构两种测量电路，统一转换为电压输出，第一种测量电路对应输出类型为电阻/电压/电流的传感器，第二种测量电路对应输出类型为电容的传感器，所述基线补偿电路用于对第一种测量电路进行电阻补偿，对第二种测量电路进行电容补偿，通过增加额外的电阻和电容将测量结果的误差补偿回来，从而降低可重构测量电路的测量结果的误差。本发明的结构简单，实用性强且成本低，适于推广。

Description

一种可重构多模态传感器接口电路
技术领域
本发明涉及数据分析的技术领域，具体涉及一种可重构多模态传感器接口电路。
背景技术
可重构多模态技术能够使系统在运行过程中动态地重构软件和硬件系统,具有资源利用率高、功耗低、灵活性强和功能自适应等优点，在多种领域具有广泛的应用前景。近些年来，传感器应用系统作为现代物联网(Internet of Things,IoT)领域的核心部分之一得到蓬勃发展，被广泛应用于各类电子设备、环境监测以及智慧城市创建等领域。
传感器检测物理，化学和生物等信息，并将其最终输出表示为电信号或电可转换形式，传感接口电路正是负责对这些传感器的输出进行测量，并执行数据处理、传输等操作，因此传感器接口电路的设计是必不可少的。大多数传感器的输出类型可分为电阻式/电容式/电压式/电流式(R/C/V/I)四种模式，过去，传感器接口电路的研究主要集中在特定模式的传感器上，针对不同的输出信号类型专门设计出不同的接口架构与电路，因此它们对于特定的传感器类型具有特殊的功能和良好的性能。但是，开发传感器专用的接口电路将花费大量的成本和时间，在当今的物联网时代，巨大的传感器应用系统希望在短时间内以低成本完成，所以，可重构多模态传感器接口电路设计实现了可检测电阻式/电容式/电压式/电流式(R/C/V/I)四种信号的可重构接口电路，具有可应用于各种传感器应用系统的通用性，当需要对不同模态信号进行采集时，可以直接进行模式切换，具有便捷性和灵活性。
可重构多模态传感器接口电路(Reconfigurable Analog Front End Circuits，简称RAFE)是利用开关电容的方式将核心运算放大器重构成不同信号的放大器，进行四种不同信号(R/C/V/I)测量模式的切换，同时采用相关双采样(Correlated-double-sampling,CDS)技术降低噪声，增加基线补偿回路电路部分补偿电路漂移。不同的传感器可将信号转换成不同的电气特性，主要为电阻式/电容式/电压式/电流式(R/C/V/I)四种，而一般的传感器接口电路只针对其中某一种信号进行放大，所以其设计的放大器架构各有不同，例如测量电流的前端放大器为跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier,TIA)，而测量电容的一般为电荷放大器(Charge Amplifier,CA)，因此它们相互之间不能直接复用，通用性差，电路结构复杂。
发明内容
本发明提供了一种可重构多模态传感器接口电路，解决了现有传感器接口电路针对其中某一种信号进行放大、其他信号不能直接复用，通用性差问题。
本发明可通过以下技术方案实现：
一种可重构多模态传感器接口电路，其特征在于：包括可重构测量电路，所述可重构测量电路的输入端与连接接口相连，输出端与基线补偿电路的一端相连，所述基线补偿电路的另一端与可重构测量电路的输入端相连，所述连接接口与传感器相连，所述可重构测量电路用于根据传感器的输出类型，通过开关控制重构两种测量电路，统一转换为电压输出，第一种测量电路对应输出类型为电阻/电压/电流的传感器，第二种测量电路对应输出类型为电容的传感器，所述基线补偿电路用于对第一种测量电路进行电阻补偿，对第二种测量电路进行电容补偿，通过增加额外的电阻和电容将测量结果的误差补偿回来，从而降低可重构测量电路的测量结果的误差。
进一步，所述可重构测量电路还包括降噪电路，所述降噪电路采用相关双采样原理，通过开关控制电路误差电容CDS充放电，先切断与连接接口的连接，对此时的电路噪声进行采样存储，再迅速恢复与连接接口的连接，从而达到降噪的作用。
进一步，所述第一种测量电路利用输入电阻RV和反馈电阻RF结合放大器组成比例放大器，将输出类型为电阻/电压/电流的传感器的输入信号放大并转换成电压输出；所述第二种测量电路利用输入电容Cin和反馈电容CF结合放大器组成比例电荷放大器，将输出类型为电容的传感器的输入信号放大并转换成电压输出。
进一步，所述可重构测量电路包括放大器，所述放大器的反相输入端与依次通过误差电容CDS、开关S2、输入电阻RV、开关S1与连接接口相连，所述输入电阻RV通过开关En1连接在一起，所述放大器的正相输入端与一参考电压Vamp相连，此参考电压确保所述放大器正常工作，输出端与三条并联支路的输入端相连，所述三条并联支路的输出端分别通过开关S4连接到误差电容CDS和放大器之间的支路上，通过开关S6连接到开关S2和误差电容CDS的支路上，基准电压Vref也连接到开关S2和误差电容CDS的支路上，所述三条并联支路分别为依次串联的开关En2、反馈电容CF、开关En3，依次串联的开关EnB1、反馈电阻RF、开关EnB2，以及开关S5，所述放大器的输出端还通过开关S3、电容C接地，所述电容C两端通过开关S7连接在一起，在所述开关S1和连接接口的支路上还依次通过开关En4、开关S8接地，所述开关En4用于控制第一种测量电路和第二种测量电路的切换，所述开关S8用于在第二种测量电路工作时，将输入电容Cin存储的电荷放电清零。
进一步，所述基线补偿电路包括N比特的数字逻辑控制电路、N比特控制的电容电阻阵列及比较器，所述比较器的正相输入端与放大器的输出端相连，所述比较器的反相输入端与基准电压Vref，输出端与数字逻辑控制电路的输入端连接，所述数字逻辑控制电路的输出端电容电阻阵列的输入端连接，所述电阻电容阵列的输出端通过开关S9与开关S6相连，通过开关S10与开关S1相连，所述开关S9用于控制基线补偿电路是否接入电路，所述开关S10用于控制电阻电容阵列是否接入电路；
所述数字逻辑控制电路用于将比较器的输出结果转换成N比特数字信号，所述电容电阻阵列用于根据N比特数字信号控制对应电阻或者电容接入电路，完成对可重构测量电路的补偿。
进一步，所述数字逻辑控制电路包括多个一一对应的寄存器和组合逻辑，每一位数字信号的输出由一个寄存器和一个组合逻辑电路构成；所述电容电阻阵列包括并联的多个电容、串联的多个电阻，每个电阻的两端均通过开关连接在一起，每个电容均与开关串联。
本发明有益的技术效果在于：
通过两种测量电路实现四种输出类型的传感器的信号测量，相比于需要三到四种模式的测量电路，电路复杂度得到降低，电路面积和功耗也得到优化，同时，为了对基线进行补偿，相对于传统的通过模数转换器ADC和数模转换器DAC进行基线补偿，本发明的利用数字逻辑控制电路和电容电阻阵列电路也降低其设计复杂度、功耗和面积，另外，本发明提供的可重构传感器接口电路能够简化电路设计，更大程度地发挥多模态可重构技术的优势。
附图说明
图1是本发明的总体电路结构示意图；
图2是本发明中重构为测量输出类型为电压、电流和电阻的传感器的第一测量电路的电路结构示意图；
图3是本发明中重构为测量输出类型为电容的传感器的第二测量电路的电路结构示意图；
图4(a)是本发明的降噪电路中第一次采样的结构示意图；
图4(b)是本发明的降噪电路中第二次采样的结构示意图；
图5(a)是本发明中测量电压、电流、电阻模式下，降噪电路的工作过程示意图；
图5(b)是本发明中测量电压、电流、电阻模式的工作过程示意图；
图5(c)是本发明中测量电容模式下，降噪电路的工作过程示意图；
图5(d)是本发明中测量电容模式的工作过程示意图；
图6是本发明的基线补偿回路中数字逻辑控制电路示意图；
图7是本发明的基线补偿回路中电容、电阻阵列电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供了一种可重构多模态传感器接口电路，主要是通过开关电容切换两种测量电路进行四种输出类型的传感器的信号测量的电路，在测量电压、电流和电阻时，通过开关切换成第一测量电路，利用开关和电阻将核心运算放大器连接成通过电阻比放大的电压放大器形式进行信号测量，参见图2所示；在测量电容信号时切换成第二测量电路，利用开关和电容将核心运算放大器连接成通过电容比放大的电荷放大器形式进行信号测量，参见图3所示。相比于其他需要三到四种模式测量的电路，电路复杂度得到降低，电路面积和功耗也得到优化。
具体地，包括可重构测量电路，该可重构测量电路的输入端与连接接口相连，输出端与基线补偿电路的一端相连，该基线补偿电路的另一端与可重构测量电路的输入端相连，该连接接口即与各种传感器的输出相连的测试接口，该可重构测量电路用于根据传感器的输出类型，通过开关控制重构两种测量电路，统一转换为电压输出，第一种测量电路对应输出类型为电阻/电压/电流的传感器即R/V/I信号，第二种测量电路对应输出类型为电容的传感器即C信号，所述基线补偿电路用于对第一种测量电路进行电阻补偿，对第二种测量电路进行电容补偿，通过增加额外的电阻和电容将测量结果的误差补偿回来，从而降低可重构测量电路的测量结果的误差。
针对传感器的四种不同信号输入，通过开关切换成两种测量电路进行测量，其中，测量电压、电流和电阻信号为第一种测量电路，参见图2所示；测量电容信号为第二种测量电路，参见图3所示。
该第一种测量电路利用输入电阻RV和反馈电阻RF结合放大器组成比例放大器，将输出类型为电阻/电压/电流的传感器的输入信号放大并转换成电压输出；所述第二种测量电路利用输入电容Cin和反馈电容CF结合放大器组成比例电荷放大器，将输出类型为电容的传感器的输入信号放大并转换成电压输出，该输入电容Cin为输出类型为电容的传感器将环境中的信号转变的电容值，具体如下：
该可重构测量电路包括放大器，该放大器的反相输入端与依次通过误差电容CDS、开关S2、输入电阻RV、开关S1与连接接口相连，该输入电阻RV通过开关En1连接在一起，该放大器的正相输入端与参考电压Vamp相连，此参考电压确保所述放大器正常工作，输出端与三条并联支路的输入端相连，该三条并联支路的输出端分别通过开关S4连接到误差电容CDS和放大器之间的支路上，通过开关S6连接到开关S2和误差电容CDS的支路上，基准电压Vref也连接到开关S2和误差电容CDS的支路上，该三条并联支路分别为依次串联的开关En2、反馈电容CF、开关En3，依次串联的开关EnB1、反馈电阻RF、开关EnB2，以及开关S5，该放大器的输出端还通过开关S3、电容C接地，该电容C两端通过开关S7连接在一起，在所述开关S1和连接接口的支路上还依次通过开关En4、开关S8接地，该开关En4用于控制第一种测量电路和第二种测量电路的切换，该开关S8用于在第二种测量电路工作时，将输入电容Cin存储的电荷放电清零，当开关En4断开时为电压/电流/电阻测量模式，S8不起作用，当开关En4闭合时，切换为电容测量模式，开关S8开始起作用，S8在闭合和断开直接周期性切换，断开时为测量电容，闭合时将电容存储的电荷放电清零。
如图2所示，将所有的EnB开关导通，所有的En开关断开，使得电路为电压、电流和电阻测量模式，此时电路为利用输入电阻RV和反馈电阻RF结合放大器构成比例放大器，将传感器输入信号放大并转换成电压输出，达到测量电压、电流和电阻三种信号的目的。
如图3所示,将所有的En开关导通，所有的EnB开关断开，使得电路为电容测量模式，此时电路为利用输入电容Cin和反馈电容CF结合放大器构成比例电荷放大器，将传感器输入电容大小信号转换成电压输出，达到测量电容信号的目的。
该可重构测量电路还包括降噪电路，该降噪电路采用相关双采样原理，通过开关控制电路误差电容CDS充放电，先切断与连接接口的连接，对此时的电路噪声进行采样存储，再迅速恢复与连接接口的连接，从而达到降噪的作用，具体地，第一次采样是对电路噪声进行采样，与输入信号即连接接口断开，将电路连接成缓冲器的形式，噪声及误差电压等被采样存储到误差电容CDS上，第二次采样再将电路切换成测量信号的模式，由于两个状态切换迅速，时间间隔短，因此可以认为两次电路的噪声相关，而后一次采样时因为有误差电容CDS将电路噪声和误差存储，所以此时对于输入信号来说没有噪声的非理想因素，从而达到降噪的作用。如图4所示，输入信号通过开关S1和误差电容CDS与放大器反相输入端相连，通过开关S4与参考电压Vref相连；放大器反相输入端与放大器输出端通过开关S2相连；放大器正向输入端与放大器参考电压Vamp相连，该参考电压Vamp用于保证放大器的正常工作；放大器的输出端通过开关S3与并联的开关S5和电容C相连，开关S5和电容C的另一端连接到地。图4(a)开关S1、S3断开，开关S2、S4、S5闭合，此时输入信号与电路断开，放大器连接成缓存器结构，误差电容CDS将电路噪声和误差存储，开关S5将电容C短接到地，将电容C上的电荷量释放；图4(b)开关S1、S3闭合，开关S2、S4、S5断开，此时放大器将输入信号放大，由于两次开关切换的时间间隔较小，此时的电路噪声和误差可以认为就是刚刚存储在误差电容CDS上的电路噪声和误差，从而达到降噪的作用，此方法广泛应用于低噪声电路设计。图5所示为两种测量电路(用于电压、电流、电阻测量模式和电容测量模式)中的相关双采样的工作过程，其中，图5(a)为在测量电压、电流、电阻模式下降噪电路的采样噪声过程，开关S3、S4、S5、S7、S11、EnB1和EnB2闭合，其余开关打开，图5(b)为对应的测量信号的过程，开关S1、S2、S3、S6、EnB1和EnB2闭合，其余开关打开；图5(c)为测量电容模式采样噪声过程，开关S4、S5、S7、S8、S11、En2和En3闭合，其余开关打开，图5(d)为电容模式下测量信号的过程，开关S1、S2、S3、S6、En2、En3和En4闭合，其余开关打开。
该基线补偿电路包括N比特的数字逻辑控制电路、N比特控制的电容电阻阵列及比较器，该比较器的正相输入端与放大器的输出端相连，所述比较器的反相输入端与基准电压Vref，输出端与数字逻辑控制电路的输入端连接，该数字逻辑控制电路的输出端电容电阻阵列的输入端连接，该电阻电容阵列的输出端通过开关S9与开关S6相连，通过开关S10与开关S1相连，该开关S9用于控制基线补偿电路是否接入电路，该开关S10用于控制电阻电容阵列是否接入电路；
该数字逻辑控制电路用于将比较器的输出结果转换成N比特数字信号，所述电容电阻阵列用于根据N比特数字信号控制对应电阻或者电容接入电路，完成对可重构测量电路的补偿。
该数字逻辑控制电路包括多个一一对应的寄存器和组合逻辑，每一位数字信号的输出由一个寄存器和一个组合逻辑电路构成；该电容电阻阵列包括并联的多个电容、串联的多个电阻，每个电阻的两端均通过开关连接在一起，每个电容均与开关串联。
如图6和图7所示，该基线补偿回路电路的比较器将可重构测量电路测试的输出电压与标准电压Vref相比较，将比较的结果输入到数字逻辑控制电路，该数字逻辑控制电路将比较结果转化为N比特数字信号输出控制电容电阻阵列，对于第一种测量电路测量电压、电流和电阻信号，采用电阻阵列进行补偿，对于第二种测量电路测量电容信号，采用电容阵列进行补偿。如图4所示，以四比特数字信号为例，该数字逻辑控制电路由一一对应的多个寄存器和组合逻辑构成，每一位数字信号输出由一个寄存器和一个组合逻辑电路构成，各个寄存器都相同，而每个组合逻辑电路根据所需要的数字逻辑各有不同，基本遵循二进制逻辑规则。实际设计可以根据比特及补偿需求设计不同的电容电阻阵列，以四比特数字信号为例，如图7所示，通过数字逻辑控制电路生成的数字信号控制对应电容/电阻的导通，使其连接在整个电路中，导通的电容/电阻大小决定了补偿电压的大小，最终达到减小检测信号输出电压的误差的目的。
一般地，考虑到电路性能与功耗、面积的性价比，我们采用四比特基线补偿回路为例详细说明本发明的基线补偿实现过程：
通过比较器将可重构测量电路测试的输出电压与标准电压Vref进行比较，若测量的输出电压高，比较器的输出结果为1，否则输出为0，将输出结果输入到数字逻辑控制电路，通过组合逻辑电路和寄存器得到控制四个开关的数字信号并输出给电容电阻阵列，控制连接在电容电阻阵列里的电容/电阻大小，数字信号Q3Q2Q1Q0可从0000到1111变换，例如对于电容测量，数字逻辑控制电路输出Q3Q2Q1Q0为1000，则电容阵列中的8C大小的电容导通，连接到电路中，其他电容不连接在电路中，实现8C电容的信号补偿，使得测量结果更加准确，其中C为基本单位电容，为补偿电容阵列中所用电容的最小值，一般根据具体电路确定。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种可重构多模态传感器接口电路，其特征在于：包括可重构测量电路，所述可重构测量电路的输入端与连接接口相连，输出端与基线补偿电路的一端相连，所述基线补偿电路的另一端与可重构测量电路的输入端相连，所述连接接口与传感器相连，所述可重构测量电路用于根据传感器的输出类型，通过开关控制重构两种测量电路，统一转换为电压输出，第一种测量电路对应输出类型为电阻/电压/电流的传感器，第二种测量电路对应输出类型为电容的传感器，所述基线补偿电路用于对第一种测量电路进行电阻补偿，对第二种测量电路进行电容补偿，通过增加额外的电阻和电容将测量结果的误差补偿回来，从而降低可重构测量电路的测量结果的误差。
2.根据权利要求1所述的可重构多模态传感器接口电路，其特征在于：所述可重构测量电路还包括降噪电路，所述降噪电路采用相关双采样原理，通过开关控制电路误差电容CDS充放电，先切断与连接接口的连接，对此时的电路噪声进行采样存储，再迅速恢复与连接接口的连接，从而达到降噪的作用。
3.根据权利要求2所述的可重构多模态传感器接口电路，其特征在于：所述第一种测量电路利用输入电阻RV和反馈电阻RF结合放大器组成比例放大器，将输出类型为电阻/电压/电流的传感器的输入信号放大并转换成电压输出；所述第二种测量电路利用输入电容Cin和反馈电容CF结合放大器组成比例电荷放大器，将输出类型为电容的传感器的输入信号放大并转换成电压输出。
4.根据权利要求3所述的可重构多模态传感器接口电路，其特征在于：所述可重构测量电路包括放大器，所述放大器的反相输入端与依次通过误差电容CDS、开关S2、输入电阻RV、开关S1与连接接口相连，所述输入电阻RV通过开关En1连接在一起，所述放大器的正相输入端与参考电压Vamp相连，所述参考电压Vamp用于确保放大器的正常工作，输出端与三条并联支路的输入端相连，所述三条并联支路的输出端分别通过开关S4连接到误差电容CDS和放大器之间的支路上，通过开关S6连接到开关S2和误差电容CDS的支路上，基准电压Vref也连接到开关S2和误差电容CDS的支路上，所述三条并联支路分别为依次串联的开关En2、反馈电容CF、开关En3，依次串联的开关EnB1、反馈电阻RF、开关EnB2，以及开关S5，所述放大器的输出端还通过开关S3、电容C接地，所述电容C两端通过开关S7连接在一起，在所述开关S1和连接接口的支路上还依次通过开关En4、开关S8接地，所述开关En4用于控制第一种测量电路和第二种测量电路的切换，所述开关S8用于在第二种测量电路工作时，将输入电容Cin存储的电荷放电清零。
5.根据权利要求4所述的可重构多模态传感器接口电路，其特征在于：所述基线补偿电路包括N比特的数字逻辑控制电路、N比特控制的电容电阻阵列及比较器，所述比较器的正相输入端与放大器的输出端相连，所述比较器的反相输入端与基准电压Vref，输出端与数字逻辑控制电路的输入端连接，所述数字逻辑控制电路的输出端与电容电阻阵列的输入端连接，所述电阻电容阵列的输出端通过开关S9与开关S6相连，通过开关S10与开关S1相连，所述开关S9用于控制基线补偿电路是否接入电路，所述开关S10用于控制电阻电容阵列是否接入电路；
所述数字逻辑控制电路用于将比较器的输出结果转换成N比特数字信号，所述电容电阻阵列用于根据N比特数字信号控制对应电阻或者电容接入电路，完成对可重构测量电路的补偿。
6.根据权利要求5所述的可重构多模态传感器接口电路，其特征在于：所述数字逻辑控制电路包括多个一一对应的寄存器和组合逻辑，每一位数字信号的输出由一个寄存器和一个组合逻辑电路构成；所述电容电阻阵列包括并联的多个电容、串联的多个电阻，每个电阻的两端均通过开关连接在一起，每个电容均与开关串联。
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