JPH0815346A - 容量差検出回路 - Google Patents
容量差検出回路Info
- Publication number
- JPH0815346A JPH0815346A JP16895394A JP16895394A JPH0815346A JP H0815346 A JPH0815346 A JP H0815346A JP 16895394 A JP16895394 A JP 16895394A JP 16895394 A JP16895394 A JP 16895394A JP H0815346 A JPH0815346 A JP H0815346A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- circuit
- difference
- capacitance
- detection circuit
- differential capacitance
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- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明の目的は、交流発振器や位相差検出
器，多相クロックやオートゼロ回路，あるいは高精度な
部品を用いずに、回路構成が簡単で安価なうえ高精度な
検出が可能な容量差検出回路を提供することにある。 【構成】 ２つの静電容量が各々積分回路と微分回路に
組み込まれ、前記積分回路の出力の一方が前記微分回路
を介し他方が電圧比較器を介して、前記積分回路の入力
に帰還され、前記電圧比較器の出力を検出端とした、簡
単な回路構成で容量差検出回路が構成されている。
器，多相クロックやオートゼロ回路，あるいは高精度な
部品を用いずに、回路構成が簡単で安価なうえ高精度な
検出が可能な容量差検出回路を提供することにある。 【構成】 ２つの静電容量が各々積分回路と微分回路に
組み込まれ、前記積分回路の出力の一方が前記微分回路
を介し他方が電圧比較器を介して、前記積分回路の入力
に帰還され、前記電圧比較器の出力を検出端とした、簡
単な回路構成で容量差検出回路が構成されている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、２つの容量の差を検出
する回路に関するものであり、特に容量差が時定数の差
になり周波数差として検出する回路に関する。
する回路に関するものであり、特に容量差が時定数の差
になり周波数差として検出する回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、湿度や圧力，音響等の分野におい
て、静電容量型の素子が多用されるようになってきた。
これは、ＣＭＯＳ型ＬＳＩへのインターフェースとして
電圧変化型の素子は、接続が容易なうえ、ＬＳＩへの一
体化も容易なためである。このような状況の下、静電容
量あるいは基準容量に対する差の検出は、古くは交流ブ
リッジ回路によって、また新しくはスイッチドキャパシ
タ回路あるいはパルス幅変調回路によって行なわれてい
る。
て、静電容量型の素子が多用されるようになってきた。
これは、ＣＭＯＳ型ＬＳＩへのインターフェースとして
電圧変化型の素子は、接続が容易なうえ、ＬＳＩへの一
体化も容易なためである。このような状況の下、静電容
量あるいは基準容量に対する差の検出は、古くは交流ブ
リッジ回路によって、また新しくはスイッチドキャパシ
タ回路あるいはパルス幅変調回路によって行なわれてい
る。
【０００３】交流ブリッジ回路は、公知のように容量差
検出や容量をインピーダンスとして検出するのに適して
いる。スイッチドキャパシタ回路は、基準容量に対する
未知容量の充放電時間の差を検出する一種のパルス幅変
調回路であり、オートゼロ機能を持たせて容量差を正確
に検出するのに適している。また、パルス幅変調回路
は、未知容量を接続した無安定マルチバイブレータから
のデューティ一定のパルス出力を、既知容量が接続され
た単安定マルチバイブレータでパルス幅可変となるよう
に変調をかけたものであり、簡単な回路で２つのマルチ
バイブレータに組み込まれた容量差を検出するのに適し
ている。
検出や容量をインピーダンスとして検出するのに適して
いる。スイッチドキャパシタ回路は、基準容量に対する
未知容量の充放電時間の差を検出する一種のパルス幅変
調回路であり、オートゼロ機能を持たせて容量差を正確
に検出するのに適している。また、パルス幅変調回路
は、未知容量を接続した無安定マルチバイブレータから
のデューティ一定のパルス出力を、既知容量が接続され
た単安定マルチバイブレータでパルス幅可変となるよう
に変調をかけたものであり、簡単な回路で２つのマルチ
バイブレータに組み込まれた容量差を検出するのに適し
ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の構成によると次のような問題があった。交流ブリッ
ジ回路は、交流発振回路と容量差を検出する位相差検出
回路が必要であり、また容量の変化や容量差が小さい場
合は、発振周波数を高くし、位相差検出回路も高周波特
性の良いものを使わなければならないので、回路構成が
複雑で高価なものとなってしまう。
来の構成によると次のような問題があった。交流ブリッ
ジ回路は、交流発振回路と容量差を検出する位相差検出
回路が必要であり、また容量の変化や容量差が小さい場
合は、発振周波数を高くし、位相差検出回路も高周波特
性の良いものを使わなければならないので、回路構成が
複雑で高価なものとなってしまう。
【０００５】スイッチドキャパシタ回路は、通常重なり
のない二相のクロックパルスで駆動されるが、そのため
の発振回路が必要であり、また、クロック間隔のゆらぎ
による誤差を除去するため、通常別の二相クロックで駆
動されるオートゼロ回路が必要とされるうえ、重なりの
ないクロックパルスの生成等は回路構成が複雑で高価な
ものとなってしまう。
のない二相のクロックパルスで駆動されるが、そのため
の発振回路が必要であり、また、クロック間隔のゆらぎ
による誤差を除去するため、通常別の二相クロックで駆
動されるオートゼロ回路が必要とされるうえ、重なりの
ないクロックパルスの生成等は回路構成が複雑で高価な
ものとなってしまう。
【０００６】パルス幅変調回路は、両方のマルチバイブ
レータの精度が高くなければならないが、特に単安定マ
ルチバイブレータは高精度な部品を使ってもドリフトを
防ぐことは容易ではなく、また容量の変化や容量差が小
さい場合は発振周波数を高くしなければならず、そのと
き前記ドリフトが大きな影響を及ぼすので、高精度な検
出は不可能である。
レータの精度が高くなければならないが、特に単安定マ
ルチバイブレータは高精度な部品を使ってもドリフトを
防ぐことは容易ではなく、また容量の変化や容量差が小
さい場合は発振周波数を高くしなければならず、そのと
き前記ドリフトが大きな影響を及ぼすので、高精度な検
出は不可能である。
【０００７】本発明はこのような従来の欠点を解決する
ためになされたものであり、その目的とするところは、
交流発振器や位相差検出器，多相クロックやオートゼロ
回路，あるいは高精度な部品を用いずに、回路構成が簡
単で安価なうえ高精度な検出が可能な容量差検出回路を
提供することにある。
ためになされたものであり、その目的とするところは、
交流発振器や位相差検出器，多相クロックやオートゼロ
回路，あるいは高精度な部品を用いずに、回路構成が簡
単で安価なうえ高精度な検出が可能な容量差検出回路を
提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するべく
本発明による容量差検出回路は、２つの静電容量が各々
積分回路と微分回路に組み込まれ、前記積分回路の出力
の一方が前記微分回路を介し他方が電圧比較器を介し
て、前記積分回路の入力に帰還され、前記電圧比較器の
出力を検出端としたことを特徴とするものである。
本発明による容量差検出回路は、２つの静電容量が各々
積分回路と微分回路に組み込まれ、前記積分回路の出力
の一方が前記微分回路を介し他方が電圧比較器を介し
て、前記積分回路の入力に帰還され、前記電圧比較器の
出力を検出端としたことを特徴とするものである。
【０００９】２つの静電容量Ｃ１，Ｃ２の差を表す時定
数回路のラプラス変換された伝達方程式は（１）式で表
される。
数回路のラプラス変換された伝達方程式は（１）式で表
される。
【００１０】
【数１】
【００１１】ここで、Ｖｉは入力電圧，Ｖｏは出力電
圧，τ１，τ２は時定数でτ１＝Ｃ１Ｒ１，τ２＝Ｃ２
Ｒ２，ｓはラプラス演算子ｓ＝ｊωである。前記伝達方
程式（１）を変形すると、（２）式となる。
圧，τ１，τ２は時定数でτ１＝Ｃ１Ｒ１，τ２＝Ｃ２
Ｒ２，ｓはラプラス演算子ｓ＝ｊωである。前記伝達方
程式（１）を変形すると、（２）式となる。
【００１２】
【数２】
【００１３】これは、「積分回路の出力Ｖｏを微分回路
を通してＶｉに加え積分する。」という帰還回路を表し
ている。この積分回路の出力Ｖｏを電圧比較器を介して
積分回路の入力に帰還すれば、電圧比較器のスレッシュ
ホールド電圧を越えたときに生じる強制的な位相反転作
用により弛張発振器が構成できる。これらの様子を、図
２のブロック・ダイヤグラムに示すが、上記の他に抵抗
Ｒ３も付加すると、微分回路の出力ｓτ２にはコンパレ
ータによる微分量ｓτ１とＲ３による積分量１／ｓτ３
が作用するので、（１）式は（３）式となる。
を通してＶｉに加え積分する。」という帰還回路を表し
ている。この積分回路の出力Ｖｏを電圧比較器を介して
積分回路の入力に帰還すれば、電圧比較器のスレッシュ
ホールド電圧を越えたときに生じる強制的な位相反転作
用により弛張発振器が構成できる。これらの様子を、図
２のブロック・ダイヤグラムに示すが、上記の他に抵抗
Ｒ３も付加すると、微分回路の出力ｓτ２にはコンパレ
ータによる微分量ｓτ１とＲ３による積分量１／ｓτ３
が作用するので、（１）式は（３）式となる。
【００１４】
【数３】
【００１５】ここでτ３＝Ｃ１Ｒ３である。これを更に
変形すると、（４）式より（５）式となる。
変形すると、（４）式より（５）式となる。
【００１６】
【数４】
【００１７】
【数５】
【００１８】この周波数ｆで発振する回路が構成され、
その発振周波数ｆは静電容量Ｃ１，Ｃ２の差に反比例す
る。これは時間間隔で見れば比例関係となる。このよう
に本発明による容量差検出回路は、上記の原理に基づい
て構成されている。
その発振周波数ｆは静電容量Ｃ１，Ｃ２の差に反比例す
る。これは時間間隔で見れば比例関係となる。このよう
に本発明による容量差検出回路は、上記の原理に基づい
て構成されている。
【００１９】
【作用】上記構成による本発明の容量差検出回路は、交
流発振器や位相差検出回路を必要としないので、回路構
成が簡単で安価である。多相クロックが不要であり、ま
た、容量間の直接的差分を検出するので、ブリッジ回路
同様、オートゼロ回路がなくても比較的高精度な検出が
可能である。容量の変化や容量差が小さい場合でも、抵
抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３やゲイン｜Ｖｏ／Ｖｉ｜によってあ
る程度拡大できるので、発振周波数を大幅に高くする必
要がなくなり、ドリフトによる精度の低下が少ない。こ
のように本発明による容量差検出回路によれば、従来の
欠点をバランスよく低減することができる。
流発振器や位相差検出回路を必要としないので、回路構
成が簡単で安価である。多相クロックが不要であり、ま
た、容量間の直接的差分を検出するので、ブリッジ回路
同様、オートゼロ回路がなくても比較的高精度な検出が
可能である。容量の変化や容量差が小さい場合でも、抵
抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３やゲイン｜Ｖｏ／Ｖｉ｜によってあ
る程度拡大できるので、発振周波数を大幅に高くする必
要がなくなり、ドリフトによる精度の低下が少ない。こ
のように本発明による容量差検出回路によれば、従来の
欠点をバランスよく低減することができる。
【００２０】
【実施例】以下、図１を参照して本発明を更に詳しく説
明する。図１は、本発明による容量差検出回路の回路図
であり、符号１は積分回路、符号２は微分回路、符号３
は電圧比較器である。ここで、電圧比較器ＯＰ３の非反
転入力端子Ｖａの電圧波形をＶｏ，Ｖｉとともに測定す
ると第３図のようになる。即ちＶａは上記のように「コ
ンパレータによる微分量ｓτ１とＲ３による積分量１／
ｓτ３との積」になっており、これが微分回路２の入力
として作用することが明らかであり、このことは混合解
析等によっても同様な結果が得られる。次に、前記
（５）式のゲイン｜Ｖｏ／Ｖｉ｜を求める。電圧比較器
３において ｜Ｖｏ／Ｖｉ｜＝Ｒ４／Ｒ５ ・・・・・・・（６） である。
明する。図１は、本発明による容量差検出回路の回路図
であり、符号１は積分回路、符号２は微分回路、符号３
は電圧比較器である。ここで、電圧比較器ＯＰ３の非反
転入力端子Ｖａの電圧波形をＶｏ，Ｖｉとともに測定す
ると第３図のようになる。即ちＶａは上記のように「コ
ンパレータによる微分量ｓτ１とＲ３による積分量１／
ｓτ３との積」になっており、これが微分回路２の入力
として作用することが明らかであり、このことは混合解
析等によっても同様な結果が得られる。次に、前記
（５）式のゲイン｜Ｖｏ／Ｖｉ｜を求める。電圧比較器
３において ｜Ｖｏ／Ｖｉ｜＝Ｒ４／Ｒ５ ・・・・・・・（６） である。
【００２１】また、方形波の単位入力に対する積分回路
からの三角波出力のフーリエ級数振幅は８／π2，三角
波の単位入力に対する微分回路からの方形波出力のフー
リエ級数振幅は４／πであるから、その比は２／πであ
り、これを前記（６）式のゲイン｜Ｖｏ／Ｖｉ｜の右辺
に含ませれば、その発振周波数ｆは（７）式となる。
からの三角波出力のフーリエ級数振幅は８／π2，三角
波の単位入力に対する微分回路からの方形波出力のフー
リエ級数振幅は４／πであるから、その比は２／πであ
り、これを前記（６）式のゲイン｜Ｖｏ／Ｖｉ｜の右辺
に含ませれば、その発振周波数ｆは（７）式となる。
【００２２】
【数６】
【００２３】次に、静電容量Ｃ１，Ｃ２の各々が可変・
固定の場合について実施する。まず、Ｃ１が可変，Ｃ２
が固定の場合は、Ｃ１＝２８９．８ｐＦ〜３６９．７ｐ
Ｆの変化に対しｆ＝４ｋＨｚ→３ｋＨｚだけ変化するよ
うに各定数を求めると、Ｒ４＝Ｒ５＝１０ｋΩ，Ｃ２＝
２８９．８ｐＦとおけば、Ｒ２＝１．３ｋΩ，Ｒ３＝
７．５ｋΩ，Ｒ１＝２６０．７５ｋΩが得られる。
固定の場合について実施する。まず、Ｃ１が可変，Ｃ２
が固定の場合は、Ｃ１＝２８９．８ｐＦ〜３６９．７ｐ
Ｆの変化に対しｆ＝４ｋＨｚ→３ｋＨｚだけ変化するよ
うに各定数を求めると、Ｒ４＝Ｒ５＝１０ｋΩ，Ｃ２＝
２８９．８ｐＦとおけば、Ｒ２＝１．３ｋΩ，Ｒ３＝
７．５ｋΩ，Ｒ１＝２６０．７５ｋΩが得られる。
【００２４】次に、Ｃ１が固定，Ｃ２が可変の場合は、
Ｃ２＝２８９．８ｐＦ〜３６９．７ｐＦの変化に対しｆ
＝３ｋＨｚ→４ｋＨｚだけ変化するように各定数を求め
ると、Ｒ４＝Ｒ５＝１０ｋΩ，Ｃ１＝３６９．７ｐＦと
おけば、Ｒ２＝２０ｋΩ，Ｒ３＝３３ｋΩ，Ｒ１＝４３
０ｋΩが得られる。
Ｃ２＝２８９．８ｐＦ〜３６９．７ｐＦの変化に対しｆ
＝３ｋＨｚ→４ｋＨｚだけ変化するように各定数を求め
ると、Ｒ４＝Ｒ５＝１０ｋΩ，Ｃ１＝３６９．７ｐＦと
おけば、Ｒ２＝２０ｋΩ，Ｒ３＝３３ｋΩ，Ｒ１＝４３
０ｋΩが得られる。
【００２５】このように計算された各回路について容量
を１０ｐＦづつ変化させ、その発振周波数ｆをコンパレ
ータの検出端Ｖｍで周波数カウンタにより測定した結
果、各測定点において計算値との誤差は±１％以内であ
った。
を１０ｐＦづつ変化させ、その発振周波数ｆをコンパレ
ータの検出端Ｖｍで周波数カウンタにより測定した結
果、各測定点において計算値との誤差は±１％以内であ
った。
【００２６】本実施例によれば、静電容量Ｃ１，Ｃ２の
どちらを未知・既知とおいても、同様な周波数変化を得
ることができる。さらに周波数の増減方法は逆なので、
用途により使い分けもできる。これは、ブリッジ回路に
相当する動作となっており、精度の高い検出を可能とし
ている。
どちらを未知・既知とおいても、同様な周波数変化を得
ることができる。さらに周波数の増減方法は逆なので、
用途により使い分けもできる。これは、ブリッジ回路に
相当する動作となっており、精度の高い検出を可能とし
ている。
【００２７】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、交
流発振器や位相差検出器，多相クロックやオートゼロ回
路，あるいは高精度な部品を必要とせず、簡単な回路で
ありながら交流ブリッジ検出回路相当の動作をするの
で、容量の変化や容量差が小さい場合でも動作周波数を
大幅に高くする必要がないのでドリフトの影響を受け難
く、高精度な検出を可能としている。また、２つの容量
のうちのどちらを未知としても良いので、用途に合わせ
た有用性は極めて高い。
流発振器や位相差検出器，多相クロックやオートゼロ回
路，あるいは高精度な部品を必要とせず、簡単な回路で
ありながら交流ブリッジ検出回路相当の動作をするの
で、容量の変化や容量差が小さい場合でも動作周波数を
大幅に高くする必要がないのでドリフトの影響を受け難
く、高精度な検出を可能としている。また、２つの容量
のうちのどちらを未知としても良いので、用途に合わせ
た有用性は極めて高い。
【図１】本発明の一実施例による容量差検出回路の回路
図である。
図である。
【図２】本発明の説明に用いられる回路構成図である。
【図３】本発明の一実施例による容量差検出回路のタイ
ミング図である。
ミング図である。
１…積分回路 ２…微分回路 ３…電圧比較器 Ｃ１，Ｃ２…静電容量 ＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ3…電圧比較器 Ｒ１〜Ｒ５…抵抗
Claims (1)
- 【請求項１】 ２つの静電容量が各々積分回路と微分回
路に組み込まれ、前記積分回路の出力の一方が前記微分
回路を介し他方が電圧比較器を介して、前記積分回路の
入力に帰還され、前記電圧比較器の出力を検出端とした
ことを特徴とする容量差検出回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16895394A JPH0815346A (ja) | 1994-06-28 | 1994-06-28 | 容量差検出回路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16895394A JPH0815346A (ja) | 1994-06-28 | 1994-06-28 | 容量差検出回路 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0815346A true JPH0815346A (ja) | 1996-01-19 |
Family
ID=15877616
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16895394A Pending JPH0815346A (ja) | 1994-06-28 | 1994-06-28 | 容量差検出回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0815346A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101355098B1 (ko) * | 2012-10-10 | 2014-02-04 | 주식회사 오토산업 | 용량성 압력센서의 출력제어회로 |
-
1994
- 1994-06-28 JP JP16895394A patent/JPH0815346A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101355098B1 (ko) * | 2012-10-10 | 2014-02-04 | 주식회사 오토산업 | 용량성 압력센서의 출력제어회로 |
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