KR20010016447A - Cmos 게이트를 이용한 저항형 및 용량형 센서용 인터페이스 - Google Patents

Cmos 게이트를 이용한 저항형 및 용량형 센서용 인터페이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CMOS 게이트(gate)를 이용한 저항형 및 용량형 센서용 인터페이스의 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저항형 및 용량형 센서의 저항 또는 용량에 비례하는 주기를 갖는 발진기를 CMOS 게이트로 구성하여 그 주기를 마이크로프로세서를 통해 측정하여 저항값 또는 용량값을 얻어내는 구성을 갖는 센서용 인터페이스의 회로에 관한 것이다.
본 발명의 CMOS 게이트를 이용한 저항형 및 용량형 센서용 인터페이스는 CMOS 게이트를 사용한 비안정 멀티바이브레이터(multivibrator)에 CMOS 스위치, 그리고 더미(dummy) 저항과 커패시터를 첨가시킨 회로 구성으로 되어 있으며, 작은 더미 저항과 커패시터에 의해 발생되는 주기를 먼저 마이크로프로세서를 사용하여 측정하고 저항형 또는 용량형 센서 변화에 따른 주기를 측정하여 이들의 차를 가지고 저항값과 용량값을 계산하는 알고리즘을 갖도록 회로가 구성된 것이 특징이다.
본 발명의 CMOS 게이트 이용한 저항형 및 용량형 센서용 인터페이스는 일반적으로 브리지 회로, 차동 증폭기, 저역-통과 여파기, 그리고 아날로그-디지털 변환기로 구성되는 전형적인 센서용 인터페이스의 회로 구성과 다르게 CMOS 게이트 회로로 구성되어 있기 때문에 그 우수성은 (1) 회로 구성이 매우 간단, (2) 실용화 할 경우 초저가격으로 구현 가능, (3) 단 하나의 디지털 전원만 사용, (4) 디지털 잡음에 무관하게 센서의 신호 처리가 가능, (5) 간단한 스위치 조작으로 저항형 및 용량형 센서에 모두 사용 가능한 점이다. 따라서, 발명한 회로를 저항형 또는 용량형 센서용 계측 시스템에 적용할 경우 매우 고가인 종래의 센서용 계측 시스템을 대체할 수 있으므로 그 파급 효과가 매우 높다고 할 수 있다.

Description

CMOS 게이트를 이용한 저항형 및 용량형 센서용 인터페이스{Sensor Interface for Resistance and Capacitance using CMOS Gates}
본 발명은 CMOS 게이트(gate)를 이용한 저항형 및 용량형 센서용 인터페이스의 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저항형 및 용량형 센서의 저항 또는 용량에 비례하는 주기를 갖는 발진기를 CMOS 게이트로 구성하여 그 주기를 마이크로프로세서를 통해 측정하여 저항값 또는 용량값을 얻어내는 구성을 갖는 센서용 인터페이스의 회로에 관한 것이다.
전형적인 종래의 저항형 및 용량형 센서용 인터페이스 구성도는 도 1에 나타낸 바와 같이, 저항형 또는 용량형 인터페이스 회로, 차동 증폭기, 저역-통과 여파기, 아날로그-디지털 변환기, 그리고 마이크로프로세스로 구성되기 때문에 전제 구성이 매우 복잡하고 실용화 할 경우 제작 단가가 매우 높다는 문제점을 갖는다. 또한, 전체 구성이 아날로그 회로와 디지털 회로가 동시에 사용되고 있기 때문에 고정도의 센서 신호 처리를 위해서는 아날로그와 디지털 부분에 별도의 전원을 사용해야 하는 문제점이 있다.
상기의 저항형 및 용량형 센서용 인터페이스 구성도는 매우 복잡하고 아날로그 회로와 디지털 회로가 같이 사용되고 있기 때문에 별도의 2 개 이상의 공급 전원을 사용하여야 하며, 이를 상용화 할 경우 제작 단가가 매우 높다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하는 것이 본 발명이 이루고자하는 기술적인 과제이다.
도 1은 종래의 센서 인터페이스 구성도.
도 2는 본 발명에 사용된 CMOS 게이트를 이용한 저항형 및 용량형 센서용 인터페이스 회로도.
도 3은 본 발명에 사용된 저항형 센서용 인터페이스 회로도.
도 4는 본 발명에 사용된 용량형 센서용 인터페이스 회로도.
CMOS 게이트를 이용하여 발명한 저항형 및 용량형 센서용 인터페이스 회로를 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 사용된 CMOS 게이트를 이용한 저항형 및 용량형 센서용 인터페이스 회로도이다. 회로도는 스위치 S1과 S2, CMOS 인버터(inverter) U1과 U2, 더미 (dummy) 저항 RD, 그리고 더미 커패시터 CD(또는 저항형 센서 RX와 용량형 센서 CX)로 구성되는 비안정 멀티바이브레이터와 이것의 출력을 증폭시키는 인버터 U3, 그리고 발진 주기를 측정하고 연산과 스위치를 제어하는 마이크로프로세서로 구성된다. 이 회로는 스위치 S1의 온(on) 또는 오프(off)에 의해 저항형 센서용 인터페이스 회로로 동작하고, S1이 on 상태에서 S3의 on 또는 off에 의해 용량형 센서용 인터페이스 회로로 각각 동작한다. 이하에 저항형 또는 용량형 센서용 인터페이스 회로 구성 및 동작 원리에 대하여 상세히 설명한다.
(1) 저항형 용량형 센서용 인터페이스
도 3는 저항형 센서용 인터페이스 회로도이다. 이 회로도는 CMOS 인버터를 사용한 비안정 멀티바이브레이터로서, 마이크로프로세서에서 스위치 S1을 on시키면 RD와 CD에 의해 발진 주기 TRD가 결정되고 그 값은 다음 식으로 주어진다.
여기서, Ⅴth는 CMOS 인버터의 문턱 전압이다. 비안정 멀티바이브레이터가 수백 nsec의 주기 TRD로발진하도록 더미 저항 RD와 커패시터 CD의 값을 설정하고 마이크로프로세서를 사용하여 TRD를 측정 및 그 값을 저장한다. 그 다음, S1을 off시키면 (RD＋RX)와 CD에 의해 발진 주기 TRX가 결정되며 그 값은 다음 식으로 주어진다.
여기서, RX는 저항형 센서의 저항 값이다. 마이크로프로세서를 사용하여 TRX를측정하고 (TRX－TRD)＝TR의 값을 구하는 연산을 행하면 저항형 센서의 저항값 변화에 대한 주기 TR＝1/RXCD가 된다. 이 값으로부터 도 2와 3에 나타낸 인터페이스 회로는 저항형 센서의 저항값 변화에 따라 그 주기가 비례한다는 것과 항상 디지털 논리(logic) 신호의 주기를 측정하기 때문에 디지털 잡음에 무관하게 저항형 센서의 저항 값을 정확하게 측정할 수 있다는 것을 알 수 있다.
(2) 용량형 센서용 인터페이스
도 4는 용량형 센서용 인터페이스 회로도이다. 이 회로도는 CMOS 인버터를 사용한 비안정 멀티바이브레이터로서 도 2의 회로에서 스위치 S1을 on시킨 상태에 해당되는 회로도이다. S2가 off된 상태에서는 RD와 CD에 의해 발진 주기 TCD가 식 (2)와 같이 결정되고 S2가 on될 경우에는 RD와 (CD＋CX)에 의해 발진 주기 TCX가 결정되며 그 값은 다음 식으로 주어진다.
여기서, CX는 용량형 센서의 용량 값이다. TR을 측정하는 방법과 마찬가지로, 마이크로프로세서를 사용하여 TCD와 TCX를 각각 측정하고 (TCX－TCD)＝TC의 값을 구하는 연산을 행하면 용량형 센서의 용량값 변화에 대한 주기 TC＝1/CXRD가 된다. 이 값으로부터 도 2와 4에 나타낸 인터페이스 회로는 용량형 센서의 용량값 변화에 따라 그 주기가 비례한다는 것과 항상 디지털 논리 신호의 주기를 측정하기 때문에 디지털 잡음에 무관하게 용량형 센서의 용량값을 정확하게 측정할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 2에 나타낸 발명한 센서용 인터페이스 회로는 단일 전원을 사용하고 회로 구성이 CMOS 인버터, 2 개의 스위치, 더미 저항기, 그리고 더미 커패시터로 구성되어 있기 때문에 실용화할 경우 제작 단가가 매우 저렴할 뿐만 아니라, 항상 디지털 논리 신호의 주기를 측정하기 디지털 잡음에 무관하게 저항값과 용량값 각각 측정할 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명의 CMOS 게이트 이용한 저항형 및 용량형 센서용 인터페이스는, 일반적으로 브리지 회로, 차동 증폭기, 저역-통과 여파기, 그리고 아날로그-디지털 변환기로 구성되는 전형적인 센서용 인터페이스의 회로 구성과 다르게 CMOS 게이트 회로로 구성되어 있다. 따라서, 본 발명의 센서용 인터페이스의 우수성은 회로 구성이 매우 간단, 초저가격으로 구현 가능, 아날로그 신호 처리에 다른 별도의 전원 회로가 불필요, 그리고 저항형 및 용량형 센서에 모두 사용 가능한 점이기 때문에 종래의 전형적인 센서 인터페이스 회로(또는 시스템)를 대체할 수 있으므로 그 파급 효과가 매우 높다고 할 수 있다.

Claims (3)

  1. CMOS 게이트를 이용한 저항형 및 용량형 센서용 인터페이스에 있어서, CMOS 게이트를 사용한 비안정 멀티바이브레이터 회로 구성에서 저항과 커패시터 대신에 더미(dummy) 저항과 더미 커패시터, 그리고 저항형 센서 또는 용량형 센서를 첨가시킨 다음, 마이크로프로세서에서 CMOS 스위치를 on 또는 off 시켜 저항형 센서용 인터페이스 또는 용량형 센서용 인터페이스로 선택할 수 있는 회로가 구성이 된 것이 특징인 센서용 인터페이스 회로.
  2. 제 1항에 있어서, 저항형 센서의 저항값의 변화를 측정하기 위하여 마이크로프로세서를 통하여 먼저 더미 저항과 더미 커패시터에 대한 주기를 측정하고 그 다음 더미 커패시터, 더미 저항, 그리고 저항형 센서에 대한 주기를 측정하여 이 두 주기의 차가 저항형 센서의 저항 변화로 계산되도록 회로가 구성이 된 것이 특징인 센서용 인터페이스 회로.
  3. 제 1항에 있어서, 용량형 센서의 용량값의 변화를 측정하기 위하여 마이크로프로세서를 통하여 먼저 더미 저항과 더미 커패시터에 대한 주기를 측정하고 그 다음 더미 저항, 더미 커패시터, 그리고 용량형 센서에 대한 주기를 측정하여 이 두 주기의 차가 용량형 센서의 용량 변화로 계산되도록 회로가 구성이 된 것이 특징인 센서용 인터페이스 회로.
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