JP3322726B2 - Capacitance detection circuit - Google Patents

Capacitance detection circuit

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JP3322726B2
JP3322726B2 JP20331293A JP20331293A JP3322726B2 JP 3322726 B2 JP3322726 B2 JP 3322726B2 JP 20331293 A JP20331293 A JP 20331293A JP 20331293 A JP20331293 A JP 20331293A JP 3322726 B2 JP3322726 B2 JP 3322726B2
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  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は静電容量検出回路に係
り、圧力や重量等の物理量を電気信号である静電容量に
変換するトランスデューサに利用できる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a capacitance detecting circuit, and can be used for a transducer for converting a physical quantity such as pressure or weight into a capacitance as an electric signal.

【0002】[0002]

【背景技術】従来より、物理量の測定に静電容量式のセ
ンサを利用した圧力検出器等の計器が各種利用されてい
る。センサ等の検出対象となる被測定静電容量を検出す
るにあたり、基準静電容量との比から被測定静電容量を
検出する方法が知られている。この方法は、検出対象と
なる被静電容量となるセンサ等の温度補正が容易である
点、センサ等の出力が安定している点、および、センサ
等の出力の直線性が良い点等から、他の方法よりも優れ
ているといえる。図4には、この方法を利用した静電容
量検出回路80が示されており、この静電容量検出回路80
は、被測定静電容量であるコンデンサC1および基準静電
容量であるコンデンサC2を定電流源iで充電し、その充
電時間から被測定静電容量を検出するものである。すな
わち、コンデンサC1およびコンデンサC2の充電を同時に
開始し、コンデンサC2が参照電圧V2に達すると、比較器
A2によりRSフリップフロップ81がセットされ、RSフ
リップフロップ81の出力電圧V3が高レベルになる。そし
て、コンデンサC1が参照電圧V1に達すると、比較器A1に
よりRSフリップフロップ81がリセットされ、RSフリ
ップフロップ81の出力電圧V3が低レベルになる。これに
より、コンデンサC1の静電容量がコンデンサC2の静電容
量よりも大きく、その充電に時間がかかる程、RSフリ
ップフロップ81の出力電圧V3の高レベルである時間が低
レベルである時間に比例して長くなるため、この時間比
例する出力電圧V3を低域通過フィルタ82に通して平均化
すれば、コンデンサC1およびコンデンサC2の静電容量の
比率に応じた出力電圧V0が得られる。
2. Description of the Related Art Conventionally, various instruments such as a pressure detector using a capacitance type sensor for measuring a physical quantity have been used. There is known a method of detecting a measured capacitance from a ratio with a reference capacitance when detecting a measured capacitance to be detected by a sensor or the like. This method is based on the point that temperature correction of a sensor or the like serving as a capacitance to be detected is easy, the output of the sensor or the like is stable, and the linearity of the output of the sensor or the like is good. Is better than the other methods. FIG. 4 shows a capacitance detection circuit 80 using this method.
Is to charge a capacitor C1 as a measured capacitance and a capacitor C2 as a reference capacitance with a constant current source i and detect the measured capacitance from the charging time. That is, charging of the capacitors C1 and C2 starts simultaneously, and when the capacitor C2 reaches the reference voltage V2, the comparator
A2 sets the RS flip-flop 81, and the output voltage V3 of the RS flip-flop 81 goes high. Then, when the capacitor C1 reaches the reference voltage V1, the RS flip-flop 81 is reset by the comparator A1, and the output voltage V3 of the RS flip-flop 81 becomes low. As a result, as the capacitance of the capacitor C1 is larger than the capacitance of the capacitor C2 and the charging takes a longer time, the high level of the output voltage V3 of the RS flip-flop 81 is proportional to the low level. If the output voltage V3, which is proportional to time, is passed through the low-pass filter 82 and averaged, an output voltage V0 corresponding to the ratio of the capacitances of the capacitors C1 and C2 is obtained.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】このような静電容量検
出回路80では、出力信号V3を低域通過フィルタ82で平均
化するため、応答性が悪いという問題がある。一方、低
域通過フィルタ82の時定数を変えることにより、応答性
を改善することが考えられるが、時定数の変更によりリ
ップル電流の除去ができなくなり、出力電圧V0が不安定
になるという問題がある。また、各コンデンサC1, C2に
与える定電流値を大きくして、その充電時間を短縮する
ことにより、応答性を改善することが考えられるが、こ
の場合には比較器A1, A2にさらに高速な応答性能が要求
されるため、単にコンデンサC1, C2に与える定電流値を
大きくしただけでは、静電容量検出回路80全体の応答性
を改善することができない。
In such a capacitance detection circuit 80, since the output signal V3 is averaged by the low-pass filter 82, there is a problem that the response is poor. On the other hand, it is conceivable to improve the response by changing the time constant of the low-pass filter 82.However, the change in the time constant makes it impossible to remove the ripple current, and the output voltage V0 becomes unstable. is there. In addition, it is conceivable to improve the responsiveness by increasing the constant current value given to each of the capacitors C1 and C2 to shorten the charging time. Since the response performance is required, the responsiveness of the entire capacitance detection circuit 80 cannot be improved merely by increasing the constant current value given to the capacitors C1 and C2.

【0004】本発明の目的は、簡単な回路構成で応答性
の良い静電容量検出回路を提供することにある。
An object of the present invention is to provide an electrostatic capacitance detecting circuit having a simple circuit configuration and good responsiveness.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、基準静電容量
に基づき測定対象となる被検出静電容量を検出するため
に、前記基準静電容量および前記被検出静電容量の一方
で構成された積分回路と、前記基準静電容量および前記
被検出静電容量の他方で構成されるとともに前記積分回
路の後段に接続された微分回路とを備えた静電容量検出
回路であって、出力電圧が正電圧および負電圧の一方か
ら他方へ切り替え可能とされるとともに前記積分回路の
入力側に接続された電源回路と、前記電源回路に出力電
圧の極性を切り替えさせる断続タイミング発生回路とを
備え、前記積分回路は、オペアンプを備え、かつ、正極
の入力電圧が入力されると、当該入力電圧から降下する
下り勾配の積分出力電圧を出力するとともに、負極の入
力電圧が入力されると、当該入力電圧から上昇する上り
勾配の積分出力電圧を出力するものとされ、前記断続タ
イミング発生回路は、前記積分回路の入力電圧および出
力電圧をたし合わせた信号が入力され、この信号が0ボ
ルトよりも小さくなると、前記電源回路の出力電圧を正
極から負極に切り替えさせ、前記信号が0ボルトよりも
大きくなると、前記電源回路の出力電圧を負極から正極
に切り替えさせるものであることを特徴とする。
The present invention SUMMARY OF], in order to detect the detected electrostatic capacitance to be measured on the basis of the reference capacitance
To the reference capacitance and the integrating circuit made up of one of the detected electrostatic capacitance, before Symbol reference capacitance and the composed of the other of the detected capacitance Rutotomoni the integration times
Capacitance detection with a differentiation circuit connected downstream of the road
Circuit, where the output voltage is either positive voltage or negative voltage
Can be switched from one to another and the integration circuit
A power supply circuit connected to the input side;
An intermittent timing generator that switches the pressure polarity
Wherein the integration circuit comprises an operational amplifier, and
When the input voltage of is input, it falls from the input voltage
Outputs the integrated output voltage of the downslope and inputs the negative
When a power voltage is input, the rising voltage rises from the input voltage.
And outputs the integrated output voltage of the gradient.
The timing generator includes an input voltage and an output of the integration circuit.
A signal obtained by adding the input voltage is input, and this signal is
If the output voltage is lower than the default, the output voltage of the power supply circuit becomes positive.
Switch from pole to anode, and the signal is less than 0 volts
As the voltage increases, the output voltage of the power supply circuit changes from negative to positive
Is switched .

【0006】以上において、前記電源回路には、前記正
電圧が印加される正接点と、前記負電圧が印加される負
接点と、これら正接点および負接点の一方と選択的に接
続される可動接点とを備えたスイッチ素子が設けられて
いることが好ましい。また、前記微分回路の出力側に
は、当該出力を保持するサンプルホールド回路が接続さ
れ、かつ、前記電源回路の出力側には、その出力および
前記積分回路の出力に基づいて前記微分回路の出力を保
持するタイミングを判断する保持タイミング発生回路
接続されていることが望ましい。
In the above, the power supply circuit has the
A positive contact to which a voltage is applied, and a negative contact to which the negative voltage is applied.
Contact and selectively contact one of these positive and negative contacts.
A switching element with a movable contact
It is preferable to have. Further, the output side of the front Symbol differentiating circuit, a sample hold circuit connected to which holds the output
In addition, the output of the power supply circuit holds the output of the differentiating circuit based on the output and the output of the integrating circuit.
Holding timing generating circuit that determines the timing of lifting the
It is desirable to be connected .

【0007】[0007]

【作用】このような本発明では、被検出静電容量で構成
された積分回路に所定の直流電圧Eを与えることによ
り、この積分回路の出力には、被検出静電容量の大きさ
に反比例した一定の勾配Rで変化するランプ(傾斜)電
圧が得られる。被検出静電容量の大きさを値C0 、比例
定数をk1とすると、勾配RはR=k1E/C0 で表すこと
ができる。このランプ電圧を基準静電容量で構成される
微分回路に入力すると、この微分回路の出力には基準静
電容量の大きさおよびランプ電圧の勾配Rの両方に比例
した直流電圧Vが得られる。基準静電容量の大きさを値
1 とし、比例定数をk2とすると、前述の直流電圧Vは
V=k2RC1 と表すことができる。この式にR=k1E/
0 を代入して変形すると、V=kQとなる。ただし、
k=k1k2E、Q=C1 /C0 である。従って、前述の積
分回路および微分回路を含む簡単な検出回路によって、
基準静電容量と被検出静電容量との比率Qに比例する直
流電圧Vが直接得られ、従来のように、出力電圧を平均
化する必要がなくなる。
According to the present invention, by applying a predetermined DC voltage E to the integrating circuit constituted by the capacitance to be detected, the output of the integrating circuit is inversely proportional to the magnitude of the capacitance to be detected. Thus, a ramp (gradient) voltage that varies with the constant gradient R is obtained. Assuming that the magnitude of the capacitance to be detected is C 0 and the proportionality constant is k 1 , the gradient R can be represented by R = k 1 E / C 0 . When this lamp voltage is input to a differentiating circuit composed of a reference capacitance, a DC voltage V proportional to both the magnitude of the reference capacitance and the gradient R of the lamp voltage is obtained from the output of the differentiating circuit. Assuming that the magnitude of the reference capacitance is a value C 1 and the proportional constant is k 2 , the aforementioned DC voltage V can be expressed as V = k 2 RC 1 . In this equation, R = k 1 E /
By transforming by substituting C 0 , V = kQ. However,
k = k 1 k 2 E and Q = C 1 / C 0 . Therefore, by a simple detection circuit including the above-described integration circuit and differentiation circuit,
The DC voltage V proportional to the ratio Q between the reference capacitance and the capacitance to be detected is directly obtained, and it is not necessary to average the output voltages as in the related art.

【0008】この際、基準静電容量と被検出静電容量と
の比率Qに比例する変数である直流電圧Vから被検出静
電容量の値を検出すると、温度変化の影響をなくすこと
ができる。すなわち、被検出静電容量および基準静電容
量は、それぞれ所定間隔d0, d1を隔てて平行配列された
一対の電極を有するものであるとすると、被検出静電容
量および基準静電容量の値C0,C1 は、C0 =a0/d0
1 =a1/ d1 と表される(a0,a1は定数)。いま、被
検出静電容量および基準静電容量の温度係数をそれぞれ
T0,T1とし、被検出静電容量および基準静電容量の両方
に対し温度変化ΔTを与えるとすると、それぞれの静電
容量値C0,C1 は、C0 =a0(1+T0×ΔT)/d0、C
1 =a1(1+T1×ΔT)/ d1 となる。これらから基準
静電容量と被検出静電容量との比率Qを求めると、比率
Qは、Q=〔Ad0(1+T1×ΔT)〕/〔d1(1+T0×
ΔT)〕と表される。ただし、Aは定数であり、A=a1
/ a0 と表せる。ここで、基準静電容量および被検出静
電容量を同一材料で形成すれば、基準静電容量および被
検出静電容量の温度係数は互いに等しくなり1+T1×Δ
T=1+T0×ΔTとなるため、比率Qは、Q=Ad0/d1
で表されて、温度と無関係な変数となる。このため、比
率Qを変数とする直流電圧Vから被検出静電容量の値を
検出すれば、温度変化の影響がなくなる。なお、被検出
静電容量で微分回路を構成し、かつ、基準静電容量で積
分回路を構成することにより、前述の比率Q(=C1
0 )の逆数となる比率Q’(=C0 /C1 )を採用し
ても、同様の作用、効果が得られる。そして、積分回路
の入力電圧と、出力電圧とをたし合わせた信号に基づい
て、電源回路の出力電圧を負極から正極に切り替えるよ
うにしたので、別途発振回路を設けなくとも、周期的に
矩形波を発生することができ、静電容量検出回路を簡単
な回路構成とすることができる。
At this time, if the value of the capacitance to be detected is detected from the DC voltage V which is a variable proportional to the ratio Q between the reference capacitance and the capacitance to be detected, the effect of the temperature change can be eliminated. . That is, the detected capacitance and the reference capacitance, respectively When those having a pair of electrodes which are parallel arranged at a predetermined distance d 0, d 1, the detected capacitance and reference capacitance values C 0, C 1 is, C 0 = a 0 / d 0,
It is expressed as C 1 = a 1 / d 1 (a 0 and a 1 are constants). Now, let the temperature coefficients of the detected capacitance and the reference capacitance be respectively
Assuming that T 0 and T 1 are given and a temperature change ΔT is given to both the detected capacitance and the reference capacitance, the respective capacitance values C 0 and C 1 are C 0 = a 0 (1 + T 0 × ΔT) / d 0 , C
1 = a 1 (1 + T 1 × ΔT) / d 1 When the ratio Q between the reference capacitance and the capacitance to be detected is determined from these, the ratio Q is Q = [Ad 0 (1 + T 1 × ΔT)] / [d 1 (1 + T 0 ×
ΔT)]. Here, A is a constant, and A = a 1
/ A 0 . Here, if the reference capacitance and the detected capacitance are formed of the same material, the temperature coefficients of the reference capacitance and the detected capacitance become equal to each other, and 1 + T 1 × Δ
Since T = 1 + T 0 × ΔT, the ratio Q is Q = Ad 0 / d 1
And is a variable independent of temperature. Therefore, if the value of the detected capacitance is detected from the DC voltage V having the ratio Q as a variable, the influence of the temperature change is eliminated. By forming a differentiating circuit with the detected capacitance and an integrating circuit with the reference capacitance, the above-described ratio Q (= C 1 /
Be adopted C 0) Ratio Q as the inverse of '(= C 0 / C 1 ), the same operations, and effects. And the integration circuit
Input voltage and output voltage
Switch the output voltage of the power supply circuit from negative to positive.
Therefore, even if there is no separate oscillation circuit,
A square wave can be generated, making the capacitance detection circuit simple
Circuit configuration.

【0009】[0009]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図1には、本実施例の静電容量検出回路1が示
されており、静電容量検出回路1は、被検出静電容量で
あるコンデンサ2および基準静電容量であるコンデンサ
3を含んで構成される発振回路である。この静電容量検
出回路1では、その発振周波数や振幅がコンデンサ2,
3の静電容量値により決定されることから、コンデンサ
2の値をコンデンサ3の値に基づいて検出できるように
なっている。静電容量検出回路1には、コンデンサ2を
含んで構成された積分回路20と、コンデンサ3を含んで
構成された微分回路30と、積分回路20に所定の直流電圧
を断続的に与える電源回路40と、微分回路30からの出力
信号を保持するサンプルホールド回路50と、電源回路40
に対し直流電圧を断続するタイミング信号を与える断続
タイミング発生回路60と、サンプルホールド回路50に対
し出力信号の保持タイミング信号を出力する保持タイミ
ング発生回路70とが備えられている。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a capacitance detection circuit 1 according to the present embodiment. The capacitance detection circuit 1 includes a capacitor 2 that is a capacitance to be detected and a capacitor 3 that is a reference capacitance. It is an oscillation circuit configured. In this capacitance detection circuit 1, the oscillation frequency and amplitude are
3, the value of the capacitor 2 can be detected based on the value of the capacitor 3. The capacitance detecting circuit 1 includes an integrating circuit 20 including a capacitor 2, a differentiating circuit 30 including a capacitor 3, and a power supply circuit for intermittently applying a predetermined DC voltage to the integrating circuit 20. 40, a sample and hold circuit 50 for holding an output signal from the differentiating circuit 30, and a power supply circuit 40.
An intermittent timing generation circuit 60 for providing a timing signal for intermittently applying a DC voltage thereto, and a hold timing generation circuit 70 for outputting a hold timing signal of an output signal to the sample and hold circuit 50 are provided.

【0010】積分回路20は、コンデンサ2の他に、コン
デンサ2と並列に接続されたオペアンプ21と、このオペ
アンプ21の入力側に接続された電流制限抵抗22とを有す
るものである。電源回路40は、負極が接地された可変直
流電圧源41と、この可変直流電圧源41の極性を逆転する
極性逆転器42と、可変直流電圧源41および極性逆転器42
の接続を一方から他方に切替えるスイッチ素子43とを有
するものであり、スイッチ素子43で可変直流電圧源41お
よび極性逆転器42の接続を交互に切替えて正負両方の極
性の電圧を積分回路20に与えるプッシュ・プル形の電源
となっている。なお、スイッチ素子43としては、図1の
如く、正電圧が印加される正接点と、負電圧が印加され
る負接点と、これら正接点および負接点の一方と選択的
に接続される可動接点とを備えたスイッチ素子が採用で
きる。この電源回路40により、積分回路20には所定の直
流正電圧+Eおよび直流負電圧−Eが断続的かつ交互に
与えられるようになっている。このような直流電圧±E
の印加により、積分回路20からは、三角波状の電圧が出
力されるようになっている。この三角波状の電圧の一辺
は、コンデンサ2の値C0 に反比例する所定の勾配±R
で直線的に変化するランプ(傾斜)電圧となっている。
The integrating circuit 20 has, in addition to the capacitor 2, an operational amplifier 21 connected in parallel with the capacitor 2, and a current limiting resistor 22 connected to the input side of the operational amplifier 21. The power supply circuit 40 includes a variable DC voltage source 41 having a negative electrode grounded, a polarity reversing device 42 for reversing the polarity of the variable DC voltage source 41, a variable DC voltage source 41 and a polarity reversing device 42.
And a switching element 43 for switching the connection of the variable DC voltage source 41 and the polarity reversing device 42 alternately by the switching element 43 to switch the voltage of both positive and negative polarities to the integrating circuit 20. It is a push-pull type power supply. In addition, as the switch element 43, FIG.
As shown in the figure, the positive contact where a positive voltage is applied and the negative contact where a negative voltage is applied
Negative contact and one of these positive and negative contacts
Switch element with a movable contact connected to the
Wear. By the power supply circuit 40, a predetermined DC positive voltage + E and a DC negative voltage -E are intermittently and alternately supplied to the integration circuit 20. Such a DC voltage ± E
Is applied, the integration circuit 20 outputs a triangular waveform voltage. One side of this triangular waveform voltage has a predetermined gradient ± R in inverse proportion to the value C0 of the capacitor 2.
Is a ramp (slope) voltage that changes linearly.

【0011】微分回路30は、コンデンサ3の他に、コン
デンサ3の後段に直列に接続されたオペアンプ31と、こ
のオペアンプ31と並列に接続されて当該オペアンプ31に
負帰還をかけるの抵抗32およびコンデンサ33とを有する
ものであり、積分回路20の後段に接続されている。積分
回路20の三角波状の電圧が入力されると、微分回路30か
らは、コンデンサ3の値C1 およびランプ電圧の勾配±
Rに比例した直流電圧±Vをピーク電圧とする矩形波が
出力されるようになっている。
The differentiating circuit 30 includes, in addition to the capacitor 3, an operational amplifier 31 connected in series at a stage subsequent to the capacitor 3, a resistor 32 connected in parallel with the operational amplifier 31 and applying a negative feedback to the operational amplifier 31, and a capacitor 32. 33, and is connected to the subsequent stage of the integration circuit 20. When triangular voltage of the integration circuit 20 is input, from the differentiating circuit 30, the slope ± values C 1 and the lamp voltage of the capacitor 3
A rectangular wave having a DC voltage ± V proportional to R as a peak voltage is output.

【0012】サンプルホールド回路50は、入力電圧を保
持するためのコンデンサ51と、このコンデンサ51で保持
した電圧を減衰させることなく外部に出力できるバッフ
ァアンプ52と、保持タイミング発生回路70からの保持タ
イミング信号により閉じて微分回路30の出力信号をコン
デンサ51に入力させるスイッチ素子53とを有するものと
なっている。
The sample and hold circuit 50 includes a capacitor 51 for holding the input voltage, a buffer amplifier 52 that can output the voltage held by the capacitor 51 to the outside without attenuating it, and a holding timing from the holding timing generation circuit 70. And a switch element 53 that is closed by a signal to input the output signal of the differentiating circuit 30 to the capacitor 51.

【0013】断続タイミング発生回路60は、積分回路20
の入力電圧および出力電圧をたし合わせた信号に基づい
て電源回路40のスイッチ素子43を操作するものであり、
積分回路20の入力および出力との間にそれぞれ接続され
た二つの抵抗61, 62と、積分回路20の出入力電圧の和と
接地電位(0ボルト)とを比較する比較器63とを有して
いる。この断続タイミング発生回路60が電源回路40のス
イッチ素子43を操作することで、電源回路40から矩形波
電圧が出力されるようになっている。
The intermittent timing generation circuit 60 includes the integration circuit 20
The switch element 43 of the power supply circuit 40 is operated based on a signal obtained by adding the input voltage and the output voltage of
It has two resistors 61 and 62 connected between the input and output of the integrating circuit 20, respectively, and a comparator 63 for comparing the sum of the input and output voltages of the integrating circuit 20 with the ground potential (0 volt). ing. The intermittent timing generation circuit 60 operates the switch element 43 of the power supply circuit 40 so that the power supply circuit 40 outputs a rectangular wave voltage.

【0014】保持タイミング発生回路70は、積分回路20
の出力電圧を接地電位(0ボルト)と比較する比較器71
と、電源回路40の出力電圧を接地電位(0ボルト)と比
較する比較器72と、これらの比較器71, 72からの出力信
号が入力されるNOR回路73とを有するものとなってい
る。この保持タイミング発生回路70の発生する信号に基
づいて、サンプルホールド回路50の動作が行われ、積分
回路20の出力電圧および電源回路40の出力電圧がともに
負極となった状態における微分回路30の出力電圧がサン
プルホールド回路50に保持されるようになっている。
The holding timing generation circuit 70 includes the integration circuit 20
The comparator 71 compares the output voltage of the comparator 71 with the ground potential (0 volt).
And a comparator 72 for comparing the output voltage of the power supply circuit 40 with the ground potential (0 volt), and a NOR circuit 73 to which output signals from the comparators 71 and 72 are input. The operation of the sample-and-hold circuit 50 is performed based on the signal generated by the hold timing generation circuit 70, and the output of the differentiation circuit 30 when both the output voltage of the integration circuit 20 and the output voltage of the power supply circuit 40 are negative. The voltage is held in the sample and hold circuit 50.

【0015】NOR回路73は、図2に示されるように、
二つのトランジスタ74, 75を含む回路である。トランジ
スタ74, 75のコレクタには保護抵抗76を介して正極の直
流電圧源+VCCが接続されている。トランジスタ74, 75
のエミッタには負極の直流電圧−VCCが接続されてい
る。トランジスタ74のベースには比較器71の出力が保護
抵抗77を介して接続されている。トランジスタ75のベー
スには比較器72の出力が保護抵抗78を介して接続されて
いる。二つのトランジスタ74, 75のベースに与えられる
電圧がともに低電位でトランジスタ74, 75が非導通状態
のときのみに、NOR回路73はその出力が高電位になる
ように形成されている。
The NOR circuit 73, as shown in FIG.
This is a circuit including two transistors 74 and 75. The collectors of the transistors 74 and 75 are connected to a positive DC voltage source + V CC via a protection resistor 76. Transistors 74 and 75
Is connected to a negative DC voltage −V CC . The output of the comparator 71 is connected to the base of the transistor 74 via a protection resistor 77. The output of the comparator 72 is connected to the base of the transistor 75 via a protection resistor 78. Only when the voltages applied to the bases of the two transistors 74 and 75 are low and the transistors 74 and 75 are non-conductive, the NOR circuit 73 is formed so that its output becomes high.

【0016】なお、サンプルホールド回路50の出力は、
オペアンプ54を介して可変直流電圧源41に入力され、サ
ンプルホールド回路50の出力の大きさに応じて可変直流
電圧源41の出力電圧が調節されるようになっている。こ
れにより、圧力等の力に対してコンデンサ2の静電容量
が二次曲線状に変化する場合に、出力をコンデンサ2に
加わる力等に比例したリニアな特性に補正するための帰
還ループ55が形成されている。
The output of the sample and hold circuit 50 is
The output voltage of the variable DC voltage source 41 is input to the variable DC voltage source 41 via the operational amplifier 54 and is adjusted according to the magnitude of the output of the sample and hold circuit 50. Accordingly, when the capacitance of the capacitor 2 changes in a quadratic curve with respect to a force such as pressure, a feedback loop 55 for correcting the output to a linear characteristic proportional to the force applied to the capacitor 2 and the like is provided. Is formed.

【0017】次に、本実施例の動作図3に基づいて説
明する。なお、図3の(A)〜(G)に示される波形
は、それぞれ図1に示されるポイントA〜Gにおいて検
出される電圧波形である。まず、時刻t0においてスイッ
チ素子43が動作することにより、電源回路40の極性逆転
器42が積分回路20に接続されたとすると、積分回路20に
は、図3の(A)に示されるように、直流電圧−Eが与
えられる。積分回路20では、入力された直流電圧−Eを
積分し、図3の(B)に示されるように、勾配−Rで直
線的に変化するランプ(傾斜)電圧を微分回路30に出力
する。微分回路30にランプ電圧が入力されると、その出
力には、図3の(C)に示されるように、勾配−Rと逆
の極性の直流電圧+Vが発生する。
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIG. The waveforms shown in FIGS. 3A to 3G are voltage waveforms detected at points A to G shown in FIG. 1, respectively. First, assuming that the polarity invertor 42 of the power supply circuit 40 is connected to the integration circuit 20 by the operation of the switch element 43 at the time t0, the integration circuit 20 has the following configuration, as shown in FIG. DC voltage -E is provided. The integrating circuit 20 integrates the input DC voltage -E and outputs a ramp (gradient) voltage that changes linearly with a gradient -R to the differentiating circuit 30, as shown in FIG. When a ramp voltage is input to the differentiating circuit 30, a DC voltage + V having a polarity opposite to that of the slope -R is generated at the output thereof as shown in FIG.

【0018】ランプ電圧は、時刻t1において入力された
直流電圧−Eに達し、さらに直流電圧−Eより低くなる
と、積分回路20の出入力電圧の和は接地電位(0ボル
ト)より低下する。すると、断続タイミング発生回路60
は、電源回路40に信号を出してスイッチ素子43を切替
え、極性逆転器42と積分回路20とを接続し、可変直流電
圧源41と積分回路20とを遮断して電源回路40の極性を反
転させる。なお、積分回路20の出入力電圧の和が接地電
位(0ボルト)より少しでも低下すると、瞬間に電源回
路40の極性が反転するので、ランプ電圧のピーク値はほ
とんど直流電圧−Eに等しい。この電源回路40の極性反
転を繰り返すことにより、図1のポイントBにはコンデ
ンサ2の値C0 に反比例する勾配±Rのランプ(傾斜)
電圧を両辺とする二等辺三角波状の信号が、図3の
(B)に示されるように、周期的に出力される。この三
角波状の信号が微分回路30に入力されると、図1のポイ
ントCにはコンデンサ3の値C1 およびランプ電圧の勾
配±Rに比例した直流電圧±Vをピーク電圧とする矩形
波が、図3の(C)に示されるように、周期的に出力さ
れる。
When the lamp voltage reaches the input DC voltage -E at time t1 and further becomes lower than the DC voltage -E, the sum of the input and output voltages of the integrating circuit 20 becomes lower than the ground potential (0 volt). Then, the intermittent timing generation circuit 60
Outputs a signal to the power supply circuit 40, switches the switch element 43, connects the polarity reversing device 42 and the integration circuit 20, and shuts off the variable DC voltage source 41 and the integration circuit 20 to invert the polarity of the power supply circuit 40. Let it. When the sum of the input and output voltages of the integrating circuit 20 drops even slightly below the ground potential (0 volt), the polarity of the power supply circuit 40 is instantaneously inverted, so that the peak value of the lamp voltage is almost equal to the DC voltage -E. By repeating the polarity inversion of the power supply circuit 40, a ramp (slope) having a gradient ± R inversely proportional to the value C 0 of the capacitor 2 is provided at a point B in FIG.
An isosceles triangular wave signal having both sides of the voltage is periodically output as shown in FIG. When the triangular wave-shaped signal is input to the differentiating circuit 30, a rectangular wave having a peak voltage of the DC voltage ± V proportional to the gradient ± R value C 1 and the lamp voltage of the capacitor 3 to a point C in FIG. 1 , Are periodically output as shown in FIG.

【0019】この際、積分回路20から出力される三角波
は比較器71によって監視され、三角波の値が正となる毎
に比較器71から、図3の(D)に示されるように、正極
の電圧が出力される。また、電源回路40から出力される
矩形波は比較器72によって監視され、矩形波の値が正と
なる毎に比較器72から、図3の(E)に示されるよう
に、負極の電圧が出力される。積分回路20の三角波の極
性が負極で、かつ、電源回路40の矩形波の極性が正極と
なるときには、既に電源回路40のスイッチ素子43の切替
え動作が完全に完了する所定の時間Sが経過した後とな
るので、微分回路30の出力は電圧が一定値に落ち着いた
状態となっている。積分回路20の三角波の極性が負極
で、かつ、電源回路40の矩形波の極性が正極となるタイ
ミングは、図3の(F)に示されるように、比較器71,
72の出力の両方とも0ボルトとなるタイミングに一致し
ている。このため、NOR回路73の出力をトリガー信号
としてサンプルホールド回路50に入力し、このトリガー
信号によりスイッチ素子53を閉じれば、図3の(G)に
示されるように、安定した電圧値が検出値として得られ
るようになり、この検出値に基づいて被検出静電容量で
あるコンデンサ2の値が検出される。
At this time, the triangular wave output from the integrating circuit 20 is monitored by the comparator 71, and every time the value of the triangular wave becomes positive, the comparator 71 outputs a positive polarity signal as shown in FIG. A voltage is output. The rectangular wave output from the power supply circuit 40 is monitored by the comparator 72. Every time the value of the rectangular wave becomes positive, the voltage of the negative electrode is output from the comparator 72 as shown in FIG. Is output. When the polarity of the triangular wave of the integrating circuit 20 is negative and the polarity of the rectangular wave of the power supply circuit 40 is positive, a predetermined time S has already passed in which the switching operation of the switch element 43 of the power supply circuit 40 is completely completed. Since later, the output of the differentiating circuit 30 is in a state where the voltage has settled to a constant value. The timing when the polarity of the triangular wave of the integrating circuit 20 is negative and the polarity of the rectangular wave of the power supply circuit 40 is positive is as shown in FIG.
Both of the 72 outputs coincide with the timing at which the output becomes 0 volt. For this reason, the output of the NOR circuit 73 is input as a trigger signal to the sample-and-hold circuit 50, and when the switch element 53 is closed by the trigger signal, a stable voltage value is obtained as shown in FIG. The value of the capacitor 2 which is the capacitance to be detected is detected based on the detected value.

【0020】前述のような本実施例によれば、次のよう
な効果がある。すなわち、積分回路20で直流電圧をコン
デンサ2の値C0 に反比例する勾配Rのランプ電圧に変
換し、このランプ電圧を微分回路30に入力してコンデン
サ3の値C1 に比例する直流電圧Vに変換することによ
り、これらのコンデンサ2,3の値の比率C1 /C0
比例する出力電圧Vを得るようにしたので、簡単な構成
で容量検出が行える。
According to the above-described embodiment, the following effects can be obtained. That is, the DC voltage V DC voltage by the integrating circuit 20 converts the lamp voltage gradients R which is inversely proportional to the value C 0 of the capacitor 2, and inputs the ramp voltage to a differential circuit 30 is proportional to the value C 1 of the capacitor 3 The output voltage V that is proportional to the ratio C 1 / C 0 of the values of these capacitors 2 and 3 is obtained by converting the value of the capacitors 2 and 3 into a value. Thus, the capacitance can be detected with a simple configuration.

【0021】また、断続タイミング発生回路60によって
電源回路40のスイッチ素子43を操作し、電源回路40の極
性を切替えるようにしたので、積分回路20が発振回路の
一部となって、積分回路20に矩形波を与えるために別途
発振回路を設けることが不要となり、この点からも静電
容量検出回路1全体を簡単にできる。
Further, since the switching element 43 of the power supply circuit 40 is operated by the intermittent timing generation circuit 60 to switch the polarity of the power supply circuit 40, the integration circuit 20 becomes a part of the oscillation circuit and It is not necessary to separately provide an oscillation circuit to apply a rectangular wave to the circuit, and this also simplifies the entire capacitance detection circuit 1.

【0022】さらに、微分回路30の出力側には当該出力
の一定値を適宜入力して保持するサンプルホールド回路
50を接続したので、電源回路40により積分回路20に直流
正電圧+Eを断続的に与えることにより、微分回路30か
ら出力される直流電圧Vが連続する信号とならなくと
も、サンプルホールド回路50からは連続した直流電圧の
信号が出力され、低域通過フィルタ等を接続しなくとも
直流信号を直接取出せ、良好な応答性を得ることができ
る。
Further, a sample-and-hold circuit for appropriately inputting and holding a constant value of the output on the output side of the differentiating circuit 30
Since the DC voltage 50 is connected, the DC positive voltage + E is intermittently given to the integrating circuit 20 by the power supply circuit 40, so that the DC voltage V output from the differentiating circuit 30 does not become a continuous signal. Outputs a signal of a continuous DC voltage, and can directly extract a DC signal without connecting a low-pass filter or the like, thereby obtaining good responsiveness.

【0023】また、積分回路20の三角波および電源回路
40の矩形波の両方を監視する保持タイミング発生回路70
を設け、この保持タイミング発生回路70により、微分回
路30の出力電圧が一定値に落ち着いた後に、サンプルホ
ールド回路50に微分回路30の出力電圧を保持させるよう
にしたので、安定した電圧値が検出値として得られるよ
うになり、コンデンサ2の正確な値を検出することがで
きる。
The triangular wave of the integrating circuit 20 and the power supply circuit
Hold timing generation circuit 70 that monitors both 40 square waves
After the output voltage of the differentiating circuit 30 has settled to a constant value, the holding timing generating circuit 70 causes the sample and hold circuit 50 to hold the output voltage of the differentiating circuit 30, so that a stable voltage value is detected. As a result, an accurate value of the capacitor 2 can be detected.

【0024】さらに、サンプルホールド回路50の出力を
電源回路40に帰還する帰還ループ55にオペアンプ54を設
け、この帰還ループ55により正負両方の帰還をかけるこ
とができるようにしたので、コンデンサ2を圧力センサ
等として利用するにあたり、圧力等の力に対してコンデ
ンサ2の静電容量が二次曲線状等に変化する場合でも、
負帰還ループ55により出力をコンデンサ2に加わる力等
に比例したリニアな特性に補正できる。
Further, an operational amplifier 54 is provided in a feedback loop 55 that feeds back the output of the sample and hold circuit 50 to the power supply circuit 40, so that both positive and negative feedback can be applied by the feedback loop 55. When used as a sensor or the like, even when the capacitance of the capacitor 2 changes in a quadratic curve or the like with respect to a force such as pressure,
The output can be corrected to a linear characteristic proportional to the force applied to the capacitor 2 by the negative feedback loop 55.

【0025】なお、本発明は前述の一実施例に限定され
るものではなく、次に示すような変形などをも含むもの
である。すなわち、微分回路の出力を保持するタイミン
グは、積分回路20の三角波の極性が負極で、電源回路40
の矩形波の極性が正極となるときに限らず、逆に積分回
路20の三角波が正極で、かつ、電源回路40の矩形波が負
極のときでもよい。なお、この場合には出力の極性が逆
になる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes the following modifications. That is, when the output of the differentiating circuit is held, the polarity of the triangular wave of the integrating circuit 20 is negative and the power supply circuit 40
Not only when the polarity of the rectangular wave is positive, but also when the triangular wave of the integrating circuit 20 is positive and the rectangular wave of the power supply circuit 40 is negative. In this case, the polarity of the output is reversed.

【0026】[0026]

【0027】また、積分回路および微分回路としては、
被検出静電容量となるコンデンサ2を有する積分回路20
および基準静電容量となるコンデンサ3を有する微分回
路3に限らず、基準静電容量となるコンデンサ3を有す
る積分回路および被検出静電容量となるコンデンサ2を
有する微分回路でもよく、このような積分回路および微
分回路を採用すれば、被検出静電容量であるコンデンサ
2に加わる圧力等に反比例した出力電圧を得ることがで
きる。
[0027] In addition, as the product minute circuit and the differential circuit,
An integrating circuit 20 having a capacitor 2 serving as a capacitance to be detected
In addition to the differentiating circuit 3 having the capacitor 3 serving as the reference capacitance, an integrating circuit having the capacitor 3 serving as the reference capacitance and a differentiating circuit having the capacitor 2 serving as the detected capacitance may be used. If an integrating circuit and a differentiating circuit are employed, it is possible to obtain an output voltage that is inversely proportional to the pressure applied to the capacitor 2 as the capacitance to be detected.

【0028】さらに、図2においては、スイッチ素子を
リレー等の有接点素子のように記載したが、これらはす
べてバイポーラトランジスタやMOSFET等の無接点
スイッチでもよく、無接点スイッチにすれば回路1全体
のIC化が容易となる。
Further, in FIG. 2, the switch elements are described as contacted elements such as relays, but these may be all non-contact switches such as bipolar transistors and MOSFETs. Can be easily integrated into an IC.

【0029】[0029]

【発明の効果】前述のように本発明によれば、簡単な回
路構成で回路全体の応答性を向上することができる。
As described above, according to the present invention, the responsiveness of the entire circuit can be improved with a simple circuit configuration.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing one embodiment of the present invention.

【図2】前記実施例のNOR回路を示す詳細回路図であ
る。
FIG. 2 is a detailed circuit diagram showing a NOR circuit of the embodiment.

【図3】前記実施例の動作を説明するためのグラフであ
る。
FIG. 3 is a graph for explaining the operation of the embodiment.

【図4】本発明の背景技術を説明するための回路図であ
る。
FIG. 4 is a circuit diagram for explaining the background art of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 静電容量検出回路 2 被検出静電容量としてのコンデンサ 3 基準静電容量としてのコンデンサ 20 積分回路 30 微分回路 1 Capacitance detection circuit 2 Capacitor as capacitance to be detected 3 Capacitor as reference capacitance 20 Integrator 30 Differentiator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 27/26 G01D 5/24 G01L 1/14 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G01R 27/26 G01D 5/24 G01L 1/14

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基準静電容量に基づき測定対象となる被検
出静電容量を検出するために、前記基準静電容量および
前記被検出静電容量の一方で構成された積分回路と、前
記基準静電容量および前記被検出静電容量の他方で構成
されるとともに前記積分回路の後段に接続された微分回
路とを備えた静電容量検出回路であって、 出力電圧が正電圧および負電圧の一方から他方へ切り替
え可能とされるとともに前記積分回路の入力側に接続さ
れた電源回路と、 前記電源回路に出力電圧の極性を切り替えさせる断続タ
イミング発生回路とを備え、 前記積分回路は、オペアンプを備え、かつ、正極の入力
電圧が入力されると、当該入力電圧から降下する下り勾
配の積分出力電圧を出力するとともに、負極の入力電圧
が入力されると、当該入力電圧から上昇する上り勾配の
積分出力電圧を出力するものとされ、 前記断続タイミング発生回路は、前記積分回路の入力電
圧および出力電圧をたし合わせた信号が入力され、この
信号が0ボルトよりも小さくなると、前記電源回路の出
力電圧を正極から負極に切り替えさせ、前記信号が0ボ
ルトよりも大きくなると、前記電源回路の出力電圧を負
極から正極に切り替えさせるものである ことを特徴とす
る静電容量検出回路。
To claim 1 In order to detect the reference capacitance to be detected electrostatic capacitance to be measured on the basis, while the integrating circuit consists of the reference capacitance and the object to be detected electrostatic capacitance, before < br /> Symbol reference capacitance and the composed of the other of the detected capacitance differential times, which is connected downstream of Rutotomoni the integrator circuit
The output voltage switches from one of the positive voltage and the negative voltage to the other.
Connected to the input side of the integrating circuit.
Power supply circuit, and an intermittent timer for causing the power supply circuit to switch the polarity of the output voltage.
An integration circuit, the integration circuit includes an operational amplifier, and a positive input terminal.
When a voltage is input, the slope that falls from the input voltage
Output voltage, and the negative input voltage
Is input, the ascending slope that rises from the input voltage
The intermittent timing generation circuit outputs an integrated output voltage.
The signal that sums the voltage and the output voltage is input.
When the signal drops below 0 volts, the output of the power supply circuit
The input voltage is switched from positive to negative and the signal is
If the output voltage exceeds the default, the output voltage of the power supply circuit becomes negative.
A capacitance detecting circuit for switching from a pole to a positive pole .
【請求項2】請求項1に記載の静電容量検出回路におい
て、 前記電源回路には、前記正電圧が印加される正接点と、
前記負電圧が印加される負接点と、これら正接点および
負接点の一方と選択的に接続される可動接点とを備えた
スイッチ素子が設けられている ことを特徴とする静電容
量検出回路。
2. The capacitance detection circuit according to claim 1, wherein
Te, the said power supply circuit, and positive contacts the positive voltage is applied,
A negative contact to which the negative voltage is applied;
A movable contact selectively connected to one of the negative contacts.
A capacitance detection circuit provided with a switch element .
【請求項3】請求項1または請求項2に記載の静電容量
検出回路において、 記微分回路の出力側には当該出力を保持するサンプル
ホールド回路が接続され、かつ前記電源回路の出力側に
はその出力および前記積分回路の出力に基づいて前記微
分回路の出力を保持するタイミングを判断する保持タイ
ミング発生回路が接続されていることを特徴とする静電
容量検出回路。
Te wherein the electrostatic capacitance detection circuit odor of claim 1 or claim 2, the sample-hold circuit for holding the output is connected to the output side of the pre-Symbol differentiating circuit, and the output of the power supply circuit A capacitance detection circuit is connected to a holding timing generation circuit for judging timing for holding the output of the differentiating circuit based on the output of the integrating circuit and the output of the integrating circuit.
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