[发明专利]一种可用于扩大电容数字转换器量程的缩放电路及方法

说明书

本发明涉及一种可用于扩大电容数字转换器量程的缩放电路及方法，包括第一反相器、第二反相器、积分相位开关、采样相位开关、运放、电阻R1、电容消除矩阵模块、以及电容缩放电阻矩阵模块；采用电容缩放电阻矩阵模块对要读取的电容进行电容值整体缩小，接着采用电容消除矩阵模块消除起步电容，将经过前面处理得到的电容输入电容数字转换器CDC电路中进行测量。本发明能够解决当针对大的电容值将其转换为相应数字量时一般CDC芯片由于较小的电容输入范围无法读取的问题。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是一种可用于扩大电容数字转换器量程的缩放电路及方法。

背景技术

由于物联网和人工智能技术的飞速发展，各种形式的传感器已成为当今世界不可或缺的重要组成部分。电容传感器是其中最重要的一种传感器，可用于测量位移，角度变化和介质层的变化。对于这些所要测量的物理量，电容传感器均将其转化为电容值的变化。

电容数字转换器(Capacitance-to-Digital Converter，后面简称CDC)芯片是常见的电容读出芯片，能够将电容值转换为数字形式输出。对于当今世界，日益数字化和集成化的电子产品来说，电容数字转换器芯片是实现其将所关心的物理量转换为数字量供微处理器处理的重要一环。然而，常见的CDC芯片所能读取的电容值非常小。如2017年，HeshamOmran等人发表在《IEEE Transactions on Circuits and System I》的一篇介绍其设计的用SAR形式实现的CDC输入电容范围只有0-12.66pF。Christopher Rogi等人2018年发表在ESSCIRC的一篇论文阐述其设计的一款CDC芯片，其输入范围只有0.27-0.9pF。对于市场上常用的电容传感器，其电容范围动则上百pF，根本无法直接利用这些CDC芯片进行读出转换。如以目前市场上常用的相对湿度传感器HS1101来说，该款传感器将相对湿度的变化量转化为电容值的变化。其电容与相对湿度的响应关系如公式(1)所示：

C(pF)＝180·(1.25·10^-7RH³-1.36·10^-5·RH²+2.19·10^-3RH+0.9) (1)

在25℃的环境温度下，相对湿度变化范围为0％-100％时，其电容值变化量为162pF-199.44pF。不管是输入电容动态范围还是其起步电容值都远远超过了绝大多数现已发表的文献或商用产品CDC的输入范围(起步电容是指该传感器与相对湿度无关的情况下，其最小电容值，动态电容是指该传感器在相对湿度变化范围变化的电容值)。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种可用于扩大电容数字转换器量程的缩放电路及方法，能够解决当针对大的电容值将其转换为相应数字量时一般CDC芯片由于较小的电容输入范围无法读取的问题。

本发明采用以下方案实现：一种可用于扩大电容数字转换器量程的缩放电路，包括第一反相器、第二反相器、积分相位开关、采样相位开关、运放、电阻R1、电容消除矩阵模块、以及电容缩放电阻矩阵模块；

所述第一反相器的一端连接至积分相位开关的一端，所述积分相位开关的另一端分别连接至采样相位开关的一端、电容消除矩阵模块的一端，所述采样相位开关的另一端分别连接至运放的输出端与负输入端，所述电容消除矩阵模块的另一端接虚地；所述运放的正输入端分别连接电阻R1的一端、电容缩放电阻矩阵模块的一端，所述电阻R1的另一端连接至第二反相器的一端，所述第二反相器的另一端分别连接第一反相器的另一端、电容缩放电阻矩阵模块的另一端；

其中，采样相位开关的另一端与电容消除矩阵模块的另一端作为缩放电路的输入端，用以接入待测电容C_sensor；所述第二反相器的另一端作为缩放电路的输出端，用以连接CDC电路。