[发明专利]电容测量电路、传感器系统及使用正弦电压信号测量电容的方法

说明书

技术领域

根据本发明的部分实施方式涉及电容测量电路。根据本发明的另一些实施方式涉及传感器系统。此外，根据本发明的又一些实施方式涉及测量电容的方法。

根据本发明的实施方式涉及使用窄带杂散发射的Δ-∑调制器来测量电容。

根据本发明的实施方式涉及包括正弦激励的电容-数字转换器（CDC）（也称为“capacitive-to-digital converter”）。

背景技术

在许多技术领域中希望确定电容量。例如，存在多个不同的传感器，其中待检测的技术或物理测量量对传感器电容的值具有影响。因此，传感器电容的值会根据待检测的技术或物理量而变化。在许多情况下希望提供一个描述传感器电容的值的数字信息，从而允许得出待检测的技术或物理量的结论。

不管传感器技术如何，在许多情况下都希望高精度地确定电容的值。例如，这适用于为了匹配模块常常要求测量电容的实验室领域。另外，例如，确定与天线结构连接的调谐电容或匹配电容的值是很重要的。

总之，可以看出，电容性传感器广泛用于测量及传感器技术，并且其他领域中经常也需要测量电容。

此外，应说明的是，存在用于确定电容值的不同测量方法。已知的测量方法的实例如下：

-振荡频率受电容值影响的可去调谐振荡器（Detunable oscillator）。

-电荷转移法，在第一时间段给第一电容充电，电荷在第二阶段转移至第二电容。这里，第一电容和第二电容都可以用作测量电容。

-同步解调器法：根据电容变化调制正弦或方波振荡的振幅并利用低通滤波转换为测量信号。

-使用包括传感器电子设备上的脉冲电荷转移的标准∑-Δ调制器：在输入端利用基准电压操作Δ-∑调制器并评估在输入端支路中电容变化。

∑-Δ调制器常用于测量电容。下面将简短地讨论传统Δ-∑调制器的结构和运行模式。

关于这方面，首先参照DE102005038875A1，其描述了一种电容测量电路。该电容测量电路包括具有运算放大器的Δ-∑调制器、可与运算放大器的输入端连接的第一电容器以及运算放大器的反馈支路中的第二电容器。电容测量电路还包括可与第一电容器连接的基准信号源。第一或第二电容器在这里表示待测电容。在该电容测量电路中，不是测量并数字化的Δ-∑调制器的输入端的输入量，相反，在输入端连接有限定的基准信号源，并且Δ-∑调制器自身的分量表示测量数量。这里，可以数字形式获得测量结果。

WO2006/098976A2描述了一种包括端子的电容器用接口电路。用于检测电容器的电容的接口电路包括具有输入共模电压和两个汇总节点（summarizing node）的差动积分放大器，该差动积分放大器的电压基本对应于输入共模电压。另外，该接口包括开关电路，该开关电路用于在第一阶段使电容器充电至第一电压电平，并在第二阶段将电容器连接至差动放大器的汇总节点之一。这导致第一输出变化，其基本上代表第一电压电平和输入共模电压之间的差且还代表电容器本身。另外，开关电路配置为在第三阶段使电容器充电至第二电压电平并在第四阶段将电容器连接至差动放大器的另一汇总节点，从而提供第二输出变化，其基本上代表第二电压电平和输入共模电压之间的差且还代表电容器本身。合并后的第一和第二输出变化代表电容器的电容，本质上与输入共模电压无关。

下面将参照图8简要描述Δ-∑调制器的原理。图8示出了Δ-∑调制器的方框电路图。根据图8的Δ-∑调制器800包括输入侧加法器810，其配置为接收测量量Umes、可切换基准量UREFP或UREFN和任选的偏移量Uoff，并利用相应的符号对接收的量进行求和。偏移量Uoff可以是例如负号并且例如至少部分补偿测量数量Umes。这意味着，在加法器810的输出端具有一个与测量量Umes、偏移量Uoff及各个基准量UREFP或UREFN的求和结果相对应的量812（如果需要，将考虑到符号）。

另外，Δ-∑调制器800包括积分器820，该积分器820配置为接收总和量812并求积分，从而获得积分器输出信号822。