[发明专利]基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路

说明书

技术领域

本发明涉及电容阵列传感器接口设计技术领域，特别涉及一种基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，通过交错的开关时序，将寄生旁路电容的影响消除，从而在较大寄生旁路电容影响下依旧可以准确的检测出微小的待测电容。

背景技术

电容传感器具有很好的应用前景，被广泛应用在测距、测力、测加速度、测液体流速等诸多方面。尤其近两年来智能机器人触觉研究的飞速崛起，更是带动了相关方向的发展。电容式传感器因其结构简单，温度系数小，灵敏度高，输出稳定，动态响应特性好，功耗极低等优点，在智能机器人柔性触觉传感器阵列制作中占到了一席之地。但是基于电容式的传感器阵列在读出电容值时，其他电容会以寄生旁路电容的形式对待测电容值产生影响，给电容值读出带来了一定的困难，对调理电路的要求变高，这就需要对其读出电路做出进一步研究。

传统的电容传感器接口电路采用电荷转移的方式进行测量。首先对待测电容充电，通过电荷守恒原理，将电荷转移到已知电容值的反馈电容中，根据电压和电容的比例关系检测出待测电容值。这种检测方法结构简单、功耗小，但是由于充放电时均有寄生旁路电容的参与，此种检测方法对寄生旁路电容极其敏感，不适用于电容阵列的检测。

Xiujun，Li，and G.C.M.Meijer.IEEE Transactions on51.5(2002)：935-39.等人提出了一种新型的电容传感器接口。该接口设计基于一阶电荷平衡振荡器，通过两端口检测和自动校准技术消除寄生旁路电容影响。该接口电路每检测一次需要四个周期，电路结构复杂，且电容值的计算公式是关于时间的函数，加大了测量难度。因此一种简单的、实用的、不受寄生旁路电容影响的阵列式电容传感器接口需要被探索。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有电容阵列电路接口受寄生旁路电容影响较大带来测量误差的问题，本发明的主要目的在于提供一种基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于交错时序检测相消机制的阵列式电容传感器接口电路，该接口电路包括开关网络7、待测电容阵列6、运算放大器8和电容反馈网络9，其中：开关网络7包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4，第一开关S1的一端连接于系统电源Vdd，另一端与第二开关S2的一端相连接，形成第一节点A；第二开关S2的另一端接地；第三开关S3的一端接地，另一端与第四开关S4的一端相连接，形成第二节点B；第四开关S4的另一端连接于运算放大器8的负输入端；待测电容阵列6包括待测电容Cx、第一寄生旁路电容Cp1和第二寄生旁路电容Cp2，其中第一寄生旁路电容Cp1为待测电容Cx左侧的接地电容，第二寄生旁路电容Cp2为待测电容Cx右侧的接地电容；待测电容Cx的一端连接于第一节点A，另一端连接于第二节点B；电容反馈网络9包括反馈电容Cf和第五开关S5，其中反馈电容Cf与第五开关S5并联后，一端与运算放大器8的负输入端相连接，另一端与运算放大器8的输出端相连接；运算放大器8的正输入端与Vdd／2等电势点相连接。

上述方案中，在第一个检测周期中，第一开关S1、第三开关S3与第五开关S5的控制信号采用第一时钟相位，开关先闭合后断开；第二开关S2与第四开关S4的控制信号采用第二时钟相位，开关先断开后闭合；在第二个检测周期中，第二开关S2、第三开关S3与第五开关S5的控制信号采用第一时钟相位，开关先闭合后断开；第一开关S1与第四开关S4的控制信号采用第二时钟相位，开关先断开后闭合；在第一和第二两个检测周期中，通过待测电容Cx的电流方向相反，而通过第一寄生旁路电容Cp1、第二寄生旁路电容Cp2与反馈电容Cf的电流方向一致，通过计算，将所述第二寄生旁路电容Cp2的影响消除，便可计算出待测电容Cx的大小。

上述方案中，所述左侧的第一寄生旁路电容Cp1的一端随着第一开关S1或第二开关S2的开启，连接到系统电源或者地上，另一端直接与地相连接；所述第一节点A由电源充电，放电时电荷直接被地吸走；在电源稳定的条件下，对第一寄生旁路电容Cp1的充放电过程对运算放大器8的电荷转移基本没有贡献，不会影响测量结果。

上述方案中，该接口电路还包括配置产生第一时钟相位和第二时钟相位的两相不交叠时钟相位发生器，第一时钟相位和第二时钟相位是两相非重叠时钟。

上述方案中，该接口电路还包括配置产生第一时钟相位延迟信号和第二时钟相位延迟信号的延迟信号发生器，其延迟时间长短受延迟模块中电容的大小决定。