[发明专利]一种电容式传感器的测量电路

说明书

技术领域

本发明涉及传感器的测量技术领域，尤其涉及一种电容式传感器的测量电路。

背景技术

现有的传感器测量主要是测量电压或电容的变化。电压测量是测量传感器装置电阻的变化，从而产生不同的电压。由于电阻和电压会产生电流，一般的压阻式的传感器装置会消耗功率。其次，电容式传感器具有非常高的电阻值，在兆欧姆的范围，功耗接近于零。所以电容式传感器用测量电容的方法更加适合低功耗应用。

在现有技术中测量电容有两种方法。第一种方法如图1所示，图1是现有技术电容式传感器的测量电路示意图一。首先将电容变换成时间，然后把变换的时间转换成数字，利用一个恒定电流源对传感器充电容，再利用数字计数器计算充电到一个特定的电压所需要的周期。数字计数器可以实现高分辨率，通常15位，但是数字计数器的工作时钟需要非常高的频率，功率消耗很高。要添加一个位的分辨率，时钟频率必须增加一倍，这将使高分辨率电容数位转换器的功耗更大。

第二种方法如图2所示，图2是现有技术中电容式传感器的测量电路示意图二。把传感器直接连接到Σ-Δ转换器上，无需添加任何接口或转换电路。Σ-Δ转换器大部分都是采用开关电容的方式来实现，Σ-Δ转换器可以利用自动归零，相关双采样等技术来检测微细电容变化，实现高分辨率。Σ-Δ转换器有2个部分：模拟部分和数字滤波器。模拟部分包括开关，电容器和2-4个积分运算放大器。数字滤波器通常是一个sinc滤波器，其量级取决于积分运算放大器的数目。相对于电容器时间转换器，Σ-Δ转换器的分辨率不受时钟频率的限制。所以功耗比电容器时间转换器小。

Σ-Δ转换器具有低功耗和接口简单的优点，但是输入范围是有限的。如果转换器内部使用的单元电容是C_unit，转换器的量级是1，最大的输入电容是C_unit，如图3所示，图3为不同转换器量级的输入电容与有效数字的函数关系图，其中，横轴为Σ-Δ转换器的输入电容C_in，纵轴为Σ-Δ转换器输出的有效数字ENOB。对于高量级转换器，输入电容比单元电容C_unit小，如果需要输入电容范围很大，单元电容C_unit就必须增大。但是大的单元电容C_unit会把分辨率降低，所以不能应用于输入电容大而测量电容小的传感器。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种电容式传感器的测量电路，以降低Σ-Δ转换器的输入电容，使Σ-Δ转换器实现在功耗、精度和分辨率方面的要求。

一种电容式传感器的测量电路，包括时序和控制电路、Σ-Δ转换器，所述Σ-Δ转换器包括开关电容电路、Σ-Δ转换器积分电路，数字滤波器：

所述时序和控制电路的输入端与系统时钟连接，所述时序与控制电路的第一输出端与所述开关电容电路的输入端连接，用于向所述开关电容电路输出采样时钟信号，所述时序与控制电路的第二输出端与所述数字滤波器的第一输入端连接，用于向所述数字滤波器输出滤波时钟信号；

所述开关电容电路的输出端与Σ-Δ转换器积分电路的输入端相连，在所述开关电容电路中接入至少一个负电容，所接入负电容的开关电容电路用于依据采样时钟信号控制开关状态实现将所接入的负电容抵消传感器的基准电容且将抵消之后剩余的电容作为输入电容信号输入到Σ-Δ转换器积分电路中；

所述Σ-Δ转换器积分电路用于将所述输入电容信号转换为第一数字信号；

所述数字滤波器的第二输入端与Σ-Δ转换器积分电路的输出端连接，用于根据所述滤波时钟信号对所述第一数字信号进行滤波，抽取多位第二数字信号并输出；

进一步的，所接入的负电容并联在传感器电容的两端。

进一步的，所接入的负电容为一对电容值相等的电容。

进一步的，所接入的负电容能够部分或者全部抵消所述传感器的基准电容。

进一步的，所述负电容由至少一个并联的负电容单元组成。

进一步的，还包括至少一个可编程的数字电路控制开关，所述数字电路控制开关用于控制每个并联的所述负电容单元的接入。

进一步的，所述数字滤波器为sinc数字滤波器。