[發(fā)明專利]基于交錯時序檢測相消機制的陣列式電容傳感器接口電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410132968.X
• 申請日: 2014-04-03
• 公開（公告）號: CN103888128A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張旭;胡曉暉;劉鳴;陳弘達
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號: H03K19/0185
• 分類號: H03K19/0185
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電容陣列傳感器接口設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于交錯時序檢測相消機制的陣列式電容傳感器接口電路，通過交錯的開關(guān)時序，將寄生旁路電容的影響消除，從而在較大寄生旁路電容影響下依舊可以準(zhǔn)確的檢測出微小的待測電容。

背景技術(shù)

電容傳感器具有很好的應(yīng)用前景，被廣泛應(yīng)用在測距、測力、測加速度、測液體流速等諸多方面。尤其近兩年來智能機器人觸覺研究的飛速崛起，更是帶動了相關(guān)方向的發(fā)展。電容式傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單，溫度系數(shù)小，靈敏度高，輸出穩(wěn)定，動態(tài)響應(yīng)特性好，功耗極低等優(yōu)點，在智能機器人柔性觸覺傳感器陣列制作中占到了一席之地。但是基于電容式的傳感器陣列在讀出電容值時，其他電容會以寄生旁路電容的形式對待測電容值產(chǎn)生影響，給電容值讀出帶來了一定的困難，對調(diào)理電路的要求變高，這就需要對其讀出電路做出進一步研究。

傳統(tǒng)的電容傳感器接口電路采用電荷轉(zhuǎn)移的方式進行測量。首先對待測電容充電，通過電荷守恒原理，將電荷轉(zhuǎn)移到已知電容值的反饋電容中，根據(jù)電壓和電容的比例關(guān)系檢測出待測電容值。這種檢測方法結(jié)構(gòu)簡單、功耗小，但是由于充放電時均有寄生旁路電容的參與，此種檢測方法對寄生旁路電容極其敏感，不適用于電容陣列的檢測。

Xiujun，Li，and?G.C.M.Meijer.IEEE?Transactions?on51.5(2002)：935-39.等人提出了一種新型的電容傳感器接口。該接口設(shè)計基于一階電荷平衡振蕩器，通過兩端口檢測和自動校準(zhǔn)技術(shù)消除寄生旁路電容影響。該接口電路每檢測一次需要四個周期，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且電容值的計算公式是關(guān)于時間的函數(shù)，加大了測量難度。因此一種簡單的、實用的、不受寄生旁路電容影響的陣列式電容傳感器接口需要被探索。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

針對現(xiàn)有電容陣列電路接口受寄生旁路電容影響較大帶來測量誤差的問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于交錯時序檢測相消機制的陣列式電容傳感器接口電路。

(二)技術(shù)方案

為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于交錯時序檢測相消機制的陣列式電容傳感器接口電路，該接口電路包括開關(guān)網(wǎng)絡(luò)7、待測電容陣列6、運算放大器8和電容反饋網(wǎng)絡(luò)9，其中：開關(guān)網(wǎng)絡(luò)7包括第一開關(guān)S1、第二開關(guān)S2、第三開關(guān)S3和第四開關(guān)S4，第一開關(guān)S1的一端連接于系統(tǒng)電源Vdd，另一端與第二開關(guān)S2的一端相連接，形成第一節(jié)點A；第二開關(guān)S2的另一端接地；第三開關(guān)S3的一端接地，另一端與第四開關(guān)S4的一端相連接，形成第二節(jié)點B；第四開關(guān)S4的另一端連接于運算放大器8的負輸入端；待測電容陣列6包括待測電容Cx、第一寄生旁路電容Cp1和第二寄生旁路電容Cp2，其中第一寄生旁路電容Cp1為待測電容Cx左側(cè)的接地電容，第二寄生旁路電容Cp2為待測電容Cx右側(cè)的接地電容；待測電容Cx的一端連接于第一節(jié)點A，另一端連接于第二節(jié)點B；電容反饋網(wǎng)絡(luò)9包括反饋電容Cf和第五開關(guān)S5，其中反饋電容Cf與第五開關(guān)S5并聯(lián)后，一端與運算放大器8的負輸入端相連接，另一端與運算放大器8的輸出端相連接；運算放大器8的正輸入端與Vdd／2等電勢點相連接。

上述方案中，在第一個檢測周期中，第一開關(guān)S1、第三開關(guān)S3與第五開關(guān)S5的控制信號采用第一時鐘相位，開關(guān)先閉合后斷開；第二開關(guān)S2與第四開關(guān)S4的控制信號采用第二時鐘相位，開關(guān)先斷開后閉合；在第二個檢測周期中，第二開關(guān)S2、第三開關(guān)S3與第五開關(guān)S5的控制信號采用第一時鐘相位，開關(guān)先閉合后斷開；第一開關(guān)S1與第四開關(guān)S4的控制信號采用第二時鐘相位，開關(guān)先斷開后閉合；在第一和第二兩個檢測周期中，通過待測電容Cx的電流方向相反，而通過第一寄生旁路電容Cp1、第二寄生旁路電容Cp2與反饋電容Cf的電流方向一致，通過計算，將所述第二寄生旁路電容Cp2的影響消除，便可計算出待測電容Cx的大小。

上述方案中，所述左側(cè)的第一寄生旁路電容Cp1的一端隨著第一開關(guān)S1或第二開關(guān)S2的開啟，連接到系統(tǒng)電源或者地上，另一端直接與地相連接；所述第一節(jié)點A由電源充電，放電時電荷直接被地吸走；在電源穩(wěn)定的條件下，對第一寄生旁路電容Cp1的充放電過程對運算放大器8的電荷轉(zhuǎn)移基本沒有貢獻，不會影響測量結(jié)果。

上述方案中，該接口電路還包括配置產(chǎn)生第一時鐘相位和第二時鐘相位的兩相不交疊時鐘相位發(fā)生器，第一時鐘相位和第二時鐘相位是兩相非重疊時鐘。

上述方案中，該接口電路還包括配置產(chǎn)生第一時鐘相位延遲信號和第二時鐘相位延遲信號的延遲信號發(fā)生器，其延遲時間長短受延遲模塊中電容的大小決定。