一种可用于扩大电容数字转换器量程的缩放电路制造技术

本实用新型专利技术涉及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；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。本实用新型专利技术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。

A zoom circuit used to enlarge the range of capacitance digital converter

【技术实现步骤摘要】
一种可用于扩大电容数字转换器量程的缩放电路
本技术涉及传感器技术监测领域，特别是一种可用于扩大电容数字转换器量程的缩放电路。
技术介绍
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-DigitalConverter，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《IEEETransactionsonCircuitsandSystemI》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。ChristopherRogi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)。
技术实现思路
有鉴于此，本技术的目的是提供一种可用于扩大电容数字转换器量程的缩放电路，能够能够帮助实现对大电容的测量。本技术采用以下方案实现：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Csensor；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。进一步地，所述电容消除矩阵模块包括第一电容控制开关S1、第二电容控制开关S2、第三电容控制开关S3、第四电容控制开关S4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、以及第四电容C4；所述第一电容控制开关S1的一端、第二电容控制开关S2的一端、第三电容控制开关S3的一端以及第四电容控制开关S4的一端相连并作为所述电容消除矩阵模块的一端；所述第一电容控制开关S1的另一端、第二电容控制开关S2的另一端、第三电容控制开关S3的另一端以及第四电容控制开关S4的另一端分别与所述第一电容C1的一端、第二电容C2的一端、第三电容C3的一端以及第四电容C4的一端相连，所述第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端、第三电容C3的另一端以及第四电容C4的另一端相连并作为所述电容消除矩阵的另一端。较佳的，所述电容缩放模块的实现方式包括三种。第一种为：所述电容缩放电阻矩阵模块包括第一缩放电阻控制开关Sw1、第二缩放电阻控制开关Sw2、第三缩放电阻控制开关Sw3、第四缩放电阻控制开关Sw4、第一缩放电阻Rx1、第二缩放电阻Rx2、第三缩放电阻Rx3以及第四缩放电阻Rx4；所述第一缩放电阻Rx1的一端、第二缩放电阻Rx2的一端、第三缩放电阻Rx3的一端以及第四缩放电阻Rx4的一端相连并作为所述电容缩放电阻矩阵模块的一端；所述第一缩放电阻Rx1的另一端、第二缩放电阻Rx2的另一端、第三缩放电阻Rx3的另一端以及第四缩放电阻Rx4的另一端分别与第一缩放电阻控制开关Sw1的一端、第二缩放电阻控制开关Sw2的一端、第三缩放电阻控制开关Sw3的一端以及第四缩放电阻控制开关Sw4的一端相连；所述第一缩放电阻控制开关Sw1的另一端、第二缩放电阻控制开关Sw2的另一端、第三缩放电阻控制开关Sw3的另一端以及第四缩放电阻控制开关Sw4的另一端相连并作为所述电容缩放电阻矩阵模块的另一端。当采用这种方式时，所述第一反相器、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、电容缩放电阻矩阵模块、以及CDC电路均集成在片内。第二种为：在第一种的基础上，所述电容缩放电阻矩阵模块还包括滑动变阻器Rx接口与滑动变阻器接入开关Sw接口，用以外接滑动变阻器Rx与滑动变阻器接入开关Sw；其中滑动变阻器Rx接口与滑动变阻器接入开关Sw接口串接后并接在所述电容缩放电阻矩阵模块的两端。当采用这种方式时，所述第一反相器、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CDC电路均集成在片内，所述电容缩放电阻矩阵模块中的滑动变阻器Rx接口与滑动变阻器接入开关Sw接口设置在片外，电容缩放电阻矩阵模块中的其余元器件集成在片内。在实际应用中，可以根据需要选择是否要接入滑动变阻器与滑动变阻器接入开关。第三种为：所述电容缩放电阻矩阵模块包括滑动变阻器Rx与滑动变阻器接入开关Sw，所述滑动变阻器Rx的一端与所述滑动变阻器接入开关Sw的一端相连，所述滑动变阻器Rx的另一端作为所述电容缩放电阻矩阵模块的一端，所述滑动变阻器接入开关Sw的另一端作为所述电容缩放电阻矩阵模块的另一端。当采用这种方式时，所述第一反相器、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CDC电路均集成在片内，所述电容缩放电阻矩阵模块设置在片外。本技术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。与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：本专利技术的电路能够帮助实现对大电容的测量。附图说明图1为本技术实施例的整体电容缩放原理示意图。图2为本技术实施例的起步电容消除原理示意图。图3为本技术实施例的片外实现可调电阻R2示意图。...

【技术保护点】
1.一种可用于扩大电容数字转换器量程的缩放电路，其特征在于，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；/n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；/n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

【技术特征摘要】
1.一种可用于扩大电容数字转换器量程的缩放电路，其特征在于，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Csensor；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。


2.根据权利要求1所述的一种可用于扩大电容数字转换器量程的缩放电路，其特征在于，所述电容消除矩阵模块包括第一电容控制开关S1、第二电容控制开关S2、第三电容控制开关S3、第四电容控制开关S4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、以及第四电容C4；所述第一电容控制开关S1的一端、第二电容控制开关S2的一端、第三电容控制开关S3的一端以及第四电容控制开关S4的一端相连并作为所述电容消除矩阵模块的一端；所述第一电容控制开关S1的另一端、第二电容控制开关S2的另一端、第三电容控制开关S3的另一端以及第四电容控制开关S4的另一端分别与所述第一电容C1的一端、第二电容C2的一端、第三电容C3的一端以及第四电容C4的一端相连，所述第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端、第三电容C3的另一端以及第四电容C4的另一端相连并作为所述电容消除矩阵的另一端。


3.根据权利要求1所述的一种可用于扩大电容数字转换器量程的缩放电路，其特征在于，所述电容缩放电阻矩阵模块包括第一缩放电阻控制开关Sw1、第二缩放电阻控制开关Sw2、第三缩放电阻控制开关Sw3、第四缩放电阻控制开关Sw4、第一缩放电阻Rx1、第二缩放电阻Rx2、第三缩放电阻Rx3以及第四缩放电阻Rx4；所述第一缩放电阻Rx1的一端、第二缩放电阻Rx2的一端、第三缩放电阻Rx3的一端以及第四缩放电阻Rx4的一端相连并作为所述电容缩放电阻矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏榕山，林伟文，林方俊，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：新型
国别省市：福建;35