CN203233395U - 一种用于电容式传感器的端口复用接口电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于电容式传感器的端口复用接口电路，V_ds+、V_ds-分别对应电容式传感器的固定端口，V_ma对应电容式传感器的可动端口：V_ds+、V_ds-分别与全差分运算放大器A1的两个输入端相连，V_ds+、V_ds-还分别通过电容与三端输入单端输出运算放大器A3的两个负端输入相连，V_ds+和V_ds-分别通过另外的电容与节点V_s相连，A3的正端输出通过一个开关与节点V_s相连；全差分运算放大器A1输出端分别通过电容与全差分运算放大器A2输入端相连。本实用新型能在同一端口施加静电力和进行电容检测，实现端口复用，采用全差分方式实现不会降低静电力的大小，能够有效的抑制电源以及共模噪声。

Description

一种用于电容式传感器的端口复用接口电路

技术领域

本实用新型涉及一种端口复用电路，特别涉及一种用于电容式传感器的端口复用接口电路。

背景技术

把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器叫做电容式传感器，70年代末以来，随着集成电路技术的发展，出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器，这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服，因此得到了广泛的使用。

电容式传感器与电阻式、电感式等传感器相比有如下一些优点：

（1）高阻抗、功率小，带电极板间静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜用来解决输入能量低的测量问题；

（2）温度稳定性好，传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，对稳定性影响甚微；

（3）结构简单，适应性强，待测体是导体或半导体均可，可在恶劣环境中工作，电容式传感器结构简单、易于制造、可做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；并且能工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，也能对带有磁性的工件进行测量。

由于上述的这些优点，电容式传感器已广泛应用于民用工业控制和军事等领域。在电容式传感器系统设计中，电容式传感器接口电路在一定程度上决定了传感器系统对检测量的分辨率，但现有的易于集成并广泛采用的电容式传感器只能用于电容的检测，用途单一，要使用其他功能则必须与其他电路进行集成，结构复杂，使用不方便。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够在同一端口同时施加静电力和进行电容检测的一种用于电容式传感器的端口复用接口电路，该接口电路在实现电容检测的同时不会降低静电力的大小，采用全差分方式实现施加静电力和进行电容检测，能够有效的抑制电源以及共模噪声。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于电容式传感器的端口复用接口电路，V_ds+、V_ds-分别对应电容式传感器的固定端口，V_ma对应电容式传感器的可动端口：

V_ds+通过电容C_cds与全差分运算放大器A1的一个输入端V_I1+相连，通过另外一个电容C_fb与全差分运算放大器A1的一个输出端V_O1-连接，V_ds+还通过电容C_cdss与三端输入单端输出运算放大器A3的一个负端输入V_Is2-相连，V_ds+通过另外一个电容C_cm与节点V_s相连；

V_ds-通过电容C_cds与全差分运算放大器A1的另一个输入端V_I1-相连，通过另外一个电容C_fb与全差分运算放大器A1的另一个输出端V_O1+连接，V_ds-还通过电容C_cdss与三端输入单端输出运算放大器A3的另一个负端输入V_Is1-相连，V_ds-通过另外一个电容C_cm与节点V_s相连；

三端输入单端输出运算放大器A3的正端输出通过一个开关与节点V_s相连，节点V_s则通过两个开关分别于两个直流电压V_R+、V_R-相连；

全差分运算放大器A1的输出端V_O1+、V_O1-分别通过一个电容C_s1与下一级的全差分运算放大器A2输入端V_I2+、V_I2-相连。

所述的三端输入单端输出运算放大器A3的三端输入为两个负端输入和一个正端输入，输出为一个正端输出。

全差分运算放大器A1的输入端V_I1+、V_I1-和输出端V_O1-、V_O1+分别通过开关与共模电压V_cm相连；

三端输入单端输出运算放大器A3的正端输入直接与共模电压V_cm相连，两个负端输入V_Is1-和V_Is2-分别通过开关与共模电压V_cm相连，A3的正端输出还通过开关与共模电压V_cm相连，同时该正端输出还外接一个电容后与地相连；

全差分运算放大器A2的输入端V_I2+、V_I2-和输出端V_O-、V_O+分别通过开关与共模电压V_cm相连。

全差分运算放大器A2的输入端V_I2+通过电容C_F1与全差分运算放大器A2的输出端V_O-相连，同时输入端V_I2+还通过一个开关与全差分运算放大器A2的输出端V_O-相连；全差分运算放大器A2的输入端V_I2-通过电容C_F1与全差分运算放大器A2的输出端V_O+相连，同时输入端V_I2-还通过一个开关与全差分运算放大器A2的输出端V_O+相连。

所述的电容式传感器的可动端口V_ma还通过两个开关分别于两个直流电压V_R+、V_R-相连，固定端口V_ds+和V_ds-分别通过开关与产生静电力作用的电压V_d+和V_d-相连。

所述的全差分运算放大器A1的输出端V_O1-与输入端V_I1+的极性相反，另一个输出端V_O1+与输入端V_I1-的极性相反。

所述的全差分运算放大器A2的输出端V_O-与输入端V_I2+的极性相反，另一个输出端V_O+与输入端V_I2-的极性相反。

三端输入单端输出运算放大器A3的正端输出还外接一个电容后与地相连支路可以采用外接电容后与任何一个直流电压相连替换。

本实用新型的有益效果是：能在同一端口同时施加静电力和进行电容检测，实现端口复用功能，与时分复用的实现方式不同，本实用新型的电路在实现电容检测的同时不会降低静电力的大小，能够提供一个稳定的静电力；

采用全差分方式实现施加静电力和进行电容检测，能够有效的抑制电源以及共模噪声，提高电容检测的准确率和静电力的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的电路连接图；

图2为本实用新型的工作时序图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的技术方案，但本实用新型所保护的内容不局限于以下所述。

如图1所示，一种用于电容式传感器的端口复用接口电路，V_ds+、V_ds-分别对应电容式传感器的固定端口，V_ma对应电容式传感器的可动端口：

V_ds+通过电容C_cds与全差分运算放大器A1的一个输入端V_I1+相连，通过另外一个电容C_fb与全差分运算放大器A1的一个输出端V_O1-连接，V_ds+还通过电容C_cdss与三端输入单端输出运算放大器A3的一个负端输入V_Is2-相连，V_ds+通过另外一个电容C_cm与节点V_s相连；

V_ds-通过电容C_cds与全差分运算放大器A1的另一个输入端V_I1-相连，通过另外一个电容C_fb与全差分运算放大器A1的另一个输出端V_O1+连接，V_ds-还通过电容C_cdss与三端输入单端输出运算放大器A3的另一个负端输入V_Is1-相连，V_ds-通过另外一个电容C_cm与节点V_s相连；

三端输入单端输出运算放大器A3的正端输出通过一个开关与节点V_s相连，节点V_s则通过两个开关分别于两个直流电压V_R+、V_R-相连；

全差分运算放大器A1的输出端V_O1+、V_O1-分别通过一个电容C_s1与下一级的全差分运算放大器A2输入端V_I2+、V_I2-相连。

所述的三端输入单端输出运算放大器A3的三端输入为两个负端输入和一个正端输入，输出为一个正端输出。

所述的全差分运算放大器A1的输入端V_I1+、V_I1-和输出端V_O1-、V_O1+分别通过开关与共模电压V_cm相连；

三端输入单端输出运算放大器A3的正端输入直接与共模电压V_cm相连，两个负端输入V_Is1-和V_Is2-分别通过开关与共模电压V_cm相连，A3的正端输出还通过开关与共模电压V_cm相连，同时该正端输出还外接一个电容后与地相连；

全差分运算放大器A2的输入端V_I2+、V_I2-和输出端V_O-、V_O+分别通过开关与共模电压V_cm相连。

全差分运算放大器A2的输入端V_I2+通过电容C_F1与全差分运算放大器A2的输出端V_O-相连，同时输入端V_I2+还通过一个开关与全差分运算放大器A2的输出端V_O-相连；全差分运算放大器A2的输入端V_I2-通过电容C_F1与全差分运算放大器A2的输出端V_O+相连，同时输入端V_I2-还通过一个开关与全差分运算放大器A2的输出端V_O+相连。

所述的电容式传感器的可动端口V_ma还通过两个开关分别于两个直流电压V_R+、V_R-相连，固定端口V_ds+和V_ds-分别通过开关与产生静电力作用的电压V_d+和V_d-相连。

所述的全差分运算放大器A1的输出端V_O1-与输入端V_I1+的极性相反，另一个输出端V_O1+与输入端V_I1-的极性相反。

所述的全差分运算放大器A2的输出端V_O-与输入端V_I2+的极性相反，另一个输出端V_O+与输入端V_I2-的极性相反。

所述的三端输入单端输出运算放大器A3的正端输出还外接一个电容后与地相连支路可以采用外接电容后与任何一个直流电压相连替换。

如图2所示，本实用新型的各端点电压在各个相位时分别为：

1、T₁相位：V_ds+=V_d+、V_ds-=V_d-、V_I1+=V_cm、V_I1-=V_cm、V_O1+=V_cm、V_O1-=V_cm、V_I2+=V_cm、V_I2-=V_cm、V_ma=V_R-、V_Is1-=V_cm、V_Is2-=V_cm、V_S=V_R+；这个时候传感器上下极板的电压为V_d+和V_d-，中间极板的电压是V_R-，这样就达到施加静电力的效果，同时所有运算放大器的输入和输出被置为固定电平。

2、T₂相位：这段时间内传感器的电容变化量非常微小，这样与V_ds+和V_ds-两个节点相连的所有支路上没有电流，所以这两个节点的电压的电压不会发生变化，即：V_ds+=V_d+、V_ds-=V_d-、V_I1+=V_cm、V_I1-=V_cm、V_O1+=V_cm、V_O1-=V_cm、V_I2+=V_cm、V_I2-=V_cm、V_ma=V_R-、V_Is1-=V_cm、V_Is2-=V_cm、V_S=V_R+。

3、T₃相位：与T₂相位类似，根据电荷守恒原理，得到：V_ds+=V_d+、V_ds-=V_d-、V_I1+=V_cm、V_I1-=V_cm、V_O1+=V_cm、V_O1-=V_cm、V_I2+=V_cm、V_I2-=V_cm、V_ma=V_R-、V_Is1-=V_cm、V_Is2-=V_cm、V_S=V_R+。

4、T₄相位：传感器中间极板的电压V_ma由V_R-→V_R+，同时V_Is2-、V_Is1-、V_I1+、V_I1-、V_I2+、V_I2-作为运算放大器的输入端（对于理想的运算放大器，运算放大器的输入端电流通路），这些点的电压不会发生改变，所以V_I1+=V_cm、V_I1-=V_cm、V_I2+=V_cm、V_I2-=V_cm、V_Is1-=V_cm、V_Is2-=V_cm，根据上面的推导，运算放大器的输入端电压不发生变化，那么V_ds+、V_ds-也不会发生改变，即V_ds+=V_d+、V_ds-=V_d-；有了这些结论，可以计算得出如下结果：

$V_S=\frac{C_S}{C_{\mathrm{cm}}}(V_{R-}-V_{R+})+V_{R+}$

$(V_{O1+}-V_{O1-})=\frac{2\mathrm{\ΔC}}{C_{\mathrm{fb}}}(V_{R+}-V_{R-})$

$(V_{O+}-V_{O-})=\frac{C_{S1}}{C_{F1}}\frac{2\mathrm{\ΔC}}{C_{\mathrm{fb}}}(V_{R+}-V_{R-})$

5、T₅相位：V_ds+=V_d+、V_ds-=V_d-、V_I1+=V_cm、V_I1-=V_cm、V_O1+=V_cm、V_O1-=V_cm、V_I2+=V_cm、V_I2-=V_cm、V_ma=V_R+、V_Is1-=V_cm、V_Is2-=V_cm、V_S=V_R-；这时传感器上下极板的电压为V_d+和V_d-，中间极板的电压是V_R-，这样就达到施加静电力的效果，同时所有运算放大器的输入和输出被置为固定电平。

6、T₆相位：这段时间内传感器的电容变化量非常微小，这样与V_ds+和V_ds-两个节点相连的所有支路上没有电流，所以这两个节点的电压的电压不会发生变化，即：V_ds+=V_d+、V_ds-=V_d-、V_I1+=V_cm、V_I1-=V_cm、V_O1+=V_cm、V_O1-=V_cm、V_I2+=V_cm、V_I2-=V_cm、V_ma=V_R+、V_Is1-=V_cm、V_Is2-=V_cm、V_S=V_R-。

7、T₇相位：与T₆相位类似，根据电荷守恒原理，得到：V_ds+=V_d+、V_ds-=V_d-、V_I1+=V_cm、V_I1-=V_cm、V_O1+=V_cm、V_O1-=V_cm、V_I2+=V_cm、V_I2-=V_cm、V_ma=V_R+、V_Is1-=V_cm、V_Is2-=V_cm、V_S=V_R-，所有节点的电压在本相位结束的时刻不会发生变化。

8、T₈相位：传感器中间极板的电压V_ma由V_R+→V_R-，同时V_Is2-、V_Is1-、V_I1+、V_I1-、V_I2+、V_I2-作为运算放大器的输入端（对于理想的运算放大器，运算放大器的输入端电流通路），这些点的电压不会发生改变，所以V_I1+=V_cm、V_I1-=V_cm、V_I2+=V_cm、V_I2-=V_cm、V_Is1-=V_cm、V_Is2-=V_cm，根据上面的推导，运算放大器的输入端电压不发生变化，那么V_ds+、V_ds-也不会发生改变，即V_ds+=V_d+；V_ds-=V_d-；有了这些结论，可以计算得出如下结果：

$V_S=\frac{C_S}{C_{\mathrm{cm}}}(V_{R+}-V_{R-})+V_{R-}$

$(V_{O1+}-V_{O1-})=\frac{2\mathrm{\ΔC}}{C_{\mathrm{fb}}}(V_{R-}-V_{R+})$

$(V_{O+}-V_{O-})=\frac{C_{S1}}{C_{F1}}\frac{2\mathrm{\ΔC}}{C_{\mathrm{fb}}}(V_{R-}-V_{R+})$

从相位T₁到T₈即完整地完成了一次施加静电力和电容检测的功能，通过重复相同的相位顺序，即可不间断地实现施加静电力和电容检测的功能；根据上面的描述，可知传感器上下极板的电压在一个完整功能周期内始终保持在V_d+和V_d-左右，这样就保证了施加的静电力不会因为端口复用变小。

Claims (8)

1.一种用于电容式传感器的端口复用接口电路，其特征在于：V_ds+、V_ds-分别对应电容式传感器的固定端口，V_ma对应电容式传感器的可动端口：

V_ds+通过电容C_cds与全差分运算放大器A1的一个输入端V_I1+相连，通过另外一个电容C_fb与全差分运算放大器A1的一个输出端V_O1-连接，V_ds+还通过电容C_cdss与三端输入单端输出运算放大器A3的一个负端输入V_Is2-相连，V_ds+通过另外一个电容C_cm与节点V_s相连；

V_ds-通过电容C_cds与全差分运算放大器A1的另一个输入端V_I1-相连，通过另外一个电容C_fb与全差分运算放大器A1的另一个输出端V_O1+连接，V_ds-还通过电容C_cdss与三端输入单端输出运算放大器A3的另一个负端输入V_Is1-相连，V_ds-通过另外一个电容C_cm与节点V_s相连；

三端输入单端输出运算放大器A3的正端输出通过一个开关与节点V_s相连，节点V_s则通过两个开关分别于两个直流电压V_R+、V_R-相连；

全差分运算放大器A1的输出端V_O1+、V_O1-分别通过一个电容C_s1与下一级的全差分运算放大器A2输入端V_I2+、V_I2-相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于电容式传感器的端口复用接口电路，其特征在于：所述的三端输入单端输出运算放大器A3的三端输入为两个负端输入和一个正端输入，输出为一个正端输出。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于电容式传感器的端口复用接口电路，其特征在于：所述的全差分运算放大器A1的输入端V_I1+、V_I1-和输出端V_O1-、V_O1+分别通过开关与共模电压V_cm相连；

三端输入单端输出运算放大器A3的正端输入直接与共模电压V_cm相连，两个负端输入V_Is1-和V_Is2-分别通过开关与共模电压V_cm相连，A3的正端输出还通过开关与共模电压V_cm相连，同时该正端输出还外接一个电容后与地相连；

全差分运算放大器A2的输入端V_I2+、V_I2-和输出端V_O-、V_O+分别通过开关与共模电压V_cm相连。

4.根据权利要求1所述的一种用于电容式传感器的端口复用接口电路，其特征在于：所述的全差分运算放大器A2的输入端V_I2+通过电容C_F1与全差分运算放大器A2的输出端V_O-相连，同时输入端V_I2+还通过一个开关与全差分运算放大器A2的输出端V_O-相连；全差分运算放大器A2的输入端V_I2-通过电容C_F1与全差分运算放大器A2的输出端V_O+相连，同时输入端V_I2-还通过一个开关与全差分运算放大器A2的输出端V_O+相连。

5.根据权利要求1所述的一种用于电容式传感器的端口复用接口电路，其特征在于：所述的电容式传感器的可动端口V_ma还通过两个开关分别于两个直流电压V_R+、V_R-相连，固定端口V_ds+和V_ds-分别通过开关与产生静电力作用的电压V_d+和V_d-相连。

6.根据权利要求1所述的一种用于电容式传感器的端口复用接口电路，其特征在于：所述的全差分运算放大器A1的输出端V_O1-与输入端V_I1+的极性相反，另一个输出端V_O1+与输入端V_I1-的极性相反。

7.根据权利要求4所述的一种用于电容式传感器的端口复用接口电路，其特征在于：所述的全差分运算放大器A2的输出端V_O-与输入端V_I2+的极性相反，另一个输出端V_O+与输入端V_I2-的极性相反。

8.根据权利要求3所述的一种用于电容式传感器的端口复用接口电路，其特征在于：所述的三端输入单端输出运算放大器A3的正端输出还外接一个电容后与地相连支路可以采用外接电容后与任何一个直流电压相连替换。

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