具有扩展的测量范围的电容数字转换器和相关联的方法技术

提供了一种具有扩展的测量范围的电容数字转换器以及相关联的方法和计算机程序产品。电容数字转换器包括第一电容器和第二电容器，其中第二电容器被配置为测量值的变化。电容数字转换器还包括第一开关和第二开关，当第一开关和第二开关处于第一位置时，第一开关和第二开关分别将第一电容器和第二电容器可切换地连接到参考电压，使得电荷响应于参考电压而被第一电容器和第二电容器存储。电容数字转换器还包括饱和检测器，该饱和检测器被配置为检测由第二电容器存储的电荷等于或超过由第一电容器存储的电荷，并且作为响应，使第一开关和第二开关切换到第二位置，同时继续利用由第二电容器存储的电荷来测量值的变化。

Capacitor to digital converter with extended measurement range and associated method

【技术实现步骤摘要】
具有扩展的测量范围的电容数字转换器和相关联的方法
示例实施例总体上涉及一种用于测量值的变化的电容数字转换器以及相关联的方法和计算机程序产品，更具体地涉及一种被配置为为值的变化(诸如，物理值的变化)提供扩展测量范围的电容数字转换器以及相关联的方法和计算机程序产品。
技术介绍
传感器被广泛地利用以便测量各种不同的值，诸如，各种不同的物理值。例如，微机电系统(MEMS)电容式传感器被用于各种应用中，诸如，包括血流分析和脱氧核糖核酸(DNA)感测在内的生物医学应用，以及由于其相对较高的灵敏度、相对较低的功耗和相对较低的温度漂移而合并到诸如智能手机、可穿戴设备、汽车系统等各种设备中的加速度计、压力传感器等。在MEMS电容式传感器中，诸如在生物医学应用中，电容数字转换器也越来越多地被利用，包括作为人体和电极之间的连接检测器，诸如用于汗液检测、呼吸速率测量和/或血压测量。然而，MEMS电容式传感器通常具有有限的感测范围，诸如针对压力感测在18与36微微法拉(pF)之间或针对DNA感测在0.33与10毫微法拉(nF)之间。由于相对较窄的测量范围，MEMS电容式传感器可以包括被并行分布的测量感测，该测量感测并入多个读出电路以提供更宽的测量范围。这种并行分布的测量感测增加了电容数字转换器的复杂性，并潜在地增大了电容数字转换器的成本和/或大小。由于MEMS电容式传感器的测量范围有限，因此也已将sigma-delta切换方案与电容数字转换器结合使用。基于sigma-delta的电容数字转换器利用参考电容器与感测电容器之间的电荷平衡来提供对由感测电容器存储的电荷的估计，该电荷反过来又代表了要测量的值。在这方面，基于sigma-delta的电容数字转换器的输出电压的平均值与感测电容器和参考电容器的电容比成比例。然而，基于sigma-delta的电容数字转换器也受到限制，因为可以测量的最大电容受参考电容器的大小限制。因此，在感测电容器的电容等于参考电容器的电容之后，基于sigma-delta的电容数字转换器饱和，并且无法测量被测量值的另外的变化，其用于进一步增大感测电容器的电容，从而限制了基于sigma-delta的电容数字转换器的实用性。由于基于sigma-delta的电容数字转换器的测量范围受到参考电容器的大小的限制，因此可以开发具有更大参考电容器的基于sigma-delta的电容数字转换器，因此，相应地具有更大的测量范围。然而，参考电容器的大小增大通常相应地增大了基于sigma-delta的电容数字转换器的大小以及基于sigma-delta的电容数字转换器的成本。在这方面，基于sigma-delta的电容数字转换器可以由集成电路(IC)来体现，该集成电路除了其他部件之外还包括参考电容器，使得参考电容器的大小增大也可能不利地增大IC的大小和成本。
技术实现思路
提供了一种具有扩展的测量范围的电容数字转换器以及相关联的方法和计算机程序产品。在这方面，电容数字转换器以及相关联的方法和计算机程序产品被配置为在电容数字转换器饱和时有效地切换或反转在电容数字转换器内将感测电容器和参考电容器电连接的方式，以便扩展测量范围，诸如通过将测量范围加倍。通过在保持电容数字转换器的相对较高的分辨率和线性度的同时扩展测量范围，示例实施例的电容数字转换器以及关联的方法和计算机程序产品可以提供提高的性能，并且可以有资格与要求更宽测量范围的附加应用结合使用。备选地，可以在允许电容数字转换器提供相同的测量范围的同时减小参考电容器的大小，从而减小电容数字转换器的大小，并且在一些情况下，减小成本。在示例实施例中，提供了一种方法，该方法包括：当第一开关和第二开关处于第一位置以便分别将第一电容器和第二电容器与参考电压连接时，利用电容数字转换器的第一电容器和第二电容器存储电荷。该方法还包括测量由第二电容器存储的电荷的变化。电荷的变化代表值的对应变化。该方法还包括：检测由第二电容器存储的电荷等于或超过由第一电容器存储的电荷。响应于检测到由第二电容器存储的电荷等于或超过由第一电容器存储的电荷，该方法还包括：使第一开关和第二开关切换到第二位置，同时继续测量代表值的对应变化的、由第二电容器存储的电荷的变化。示例实施例的方法还包括：取决于第一开关和第二开关处于第一或第二位置，来不同地确定值的测量。在该示例实施例中，该方法可以通过在其中第一开关和第二开关处于第一位置的情况下，基于由第二电容器存储的电荷与由第一电容器存储的电荷的比率，确定值的测量，并且在其中第一开关和第二开关处于第二位置的情况下基于由第一电容器存储的电荷与由第二电容器存储的电荷的比率，确定值的测量，来不同地确定值的测量。示例实施例的方法还包括：在第一开关和第二开关处于第二位置时，检测由第一电容器存储的电荷等于或超过由第二电容器存储的电荷，以及响应于检测到由第一电容器存储的电荷等于或超过由第二电容器存储的电荷，使第一开关和第二开关切换到第一位置，同时继续测量代表值的对应变化的、由第二电容器存储的电荷的变化。在示例实施例中，该方法通过检测电容数字转换器的输出处于饱和来检测由第二电容器存储的电荷等于或超过由第一电容器存储的电荷。示例实施例的方法可以还包括：当第一开关和第二开关处于第一位置时，利用第三开关将第一电容器可切换地连接到参考电压，并利用第四开关将第二电容器可切换地连接到参考电压，并且当第一开关和第二开关处于第二位置时，利用第三开关将第二电容器可切换地连接到参考电压，并利用第四开关将第一电容器可切换地连接到参考电压。在该示例实施例中，该方法还可以包括：将第一电容器和第二电容器可切换地连接到放大器，使得在放大器的输出为负时，基于由通过第四开关连接到参考电压的第一电容器和第二电容器中的一个相应电容器存储的电荷，并且独立于由通过第三开关连接到参考电压的第一电容器和第二电容器中的一个相应电容器存储的电荷，放大器的输出增大，并且当放大器的输出为正时，基于由第一电容器存储的电荷与由第二电容器存储的电荷之间的差异，放大器的输出减小。该示例实施例的方法还可以包括：基于放大器的输出，以数字信号的形式生成电容数字转换器的输出，并且基于具有预定义值的时钟周期的数目与测量时段内的时钟周期的总数目的比率来确定值的测量。该示例实施例的方法还可以通过在数字信号在整个测量时段中具有预定义值的情况下检测电容数字转换器的输出处于饱和来检测由第二电容器存储的电荷等于或超过由第一电容器存储的电荷。在另一示例实施例中，提供了一种装置，该装置包括用于在第一开关和第二开关处于第一位置以便分别将第一电容器和第二电容器与参考电压连接时，利用电容数字转换器的第一电容器和第二电容器存储电荷的部件。该装置还包括用于用由第二电容器存储的电荷的对应变化来测量值的变化的部件，以及用于检测由第二电容器存储的电荷等于或超过由第一电容器存储的电荷的部件。响应于检测到由第二电容器存储的电荷等于或超过由第一电容器存储的电荷，该装置还包括用于使第一开关和第二开关切换到第二位置，同时继续利用由第二电容器存储的电荷来测量值的变化的部件。示例实施例的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容数字转换器，包括：/n第一电容器和第二电容器，其中所述第二电容器被配置为测量由所述第二电容器存储的电荷的变化，其中所述的电荷变化代表值的对应变化；/n第一开关和第二开关，当所述第一开关和所述第二开关处于第一位置时，所述第一开关和所述第二开关分别将所述第一电容器和所述第二电容器可切换地连接到参考电压，使得电荷响应于所述参考电压而被所述第一电容器和第二电容器存储；以及/n饱和检测器，被配置为检测由所述第二电容器存储的所述电荷等于或超过由所述第一电容器存储的所述电荷，并且响应于检测到由所述第二电容器存储的所述电荷等于或超过由所述第一电容器存储的所述电荷，使所述第一开关和所述第二开关切换到第二位置，同时继续利用由所述第二电容器存储的所述电荷来测量所述值的所述变化。/n

【技术特征摘要】
20190430 EP 19171878.21.一种电容数字转换器，包括：
第一电容器和第二电容器，其中所述第二电容器被配置为测量由所述第二电容器存储的电荷的变化，其中所述的电荷变化代表值的对应变化；
第一开关和第二开关，当所述第一开关和所述第二开关处于第一位置时，所述第一开关和所述第二开关分别将所述第一电容器和所述第二电容器可切换地连接到参考电压，使得电荷响应于所述参考电压而被所述第一电容器和第二电容器存储；以及
饱和检测器，被配置为检测由所述第二电容器存储的所述电荷等于或超过由所述第一电容器存储的所述电荷，并且响应于检测到由所述第二电容器存储的所述电荷等于或超过由所述第一电容器存储的所述电荷，使所述第一开关和所述第二开关切换到第二位置，同时继续利用由所述第二电容器存储的所述电荷来测量所述值的所述变化。


2.根据权利要求1所述的电容数字转换器，还包括处理器，所述处理器被配置为：
在所述第一开关和所述第二开关处于所述第一位置的情况下，基于由所述第二电容器存储的所述电荷与由所述第一电容器存储的所述电荷的比率，确定所述值的测量；以及
在所述第一开关和所述第二开关处于所述第二位置的情况下，基于由所述第一电容器存储的所述电荷与由所述第二电容器存储的所述电荷的比率，确定所述值的所述测量。


3.根据权利要求1或2中任一项所述的电容数字转换器，还包括第三开关和第四开关，其中所述第三开关和所述第四开关被配置为：
当所述第一开关和所述第二开关处于所述第一位置时，利用所述第三开关将所述第一电容器可切换地连接到所述参考电压，并且利用所述第四开关将所述第二电容器可切换地连接到所述输入电压；以及
当所述第一开关和所述第二开关处于所述第二位置时，利用所述第三开关将所述第二电容器可切换地连接到所述参考电压，并且利用所述第四开关将所述第一电容器可切换地连接到所述输入电压。


4.根据权利要求3所述的电容数字转换器，还包括：
放大器，所述第一电容器和所述第二电容器被可切换地连接到所述放大器，使得当所述放大器的输出为负时，基于由通过所述第四开关被连接到所述参考电压的所述第一电容器和所述第二电容器中的一个相应电容器存储的所述电荷、并且独立于由通过所述第三开关被连接到所述参考电压的所述第一电容器和第二电容器中的一个相应电容器存储的所述电荷，所述放大器的所述输出被增加，以及当所述放大器的所述输出为正时，基于由所述第一电容器存储的所述电荷与由所述第二电容器存储的所述电荷之间的差异，所述放大器的所述输出被减小；
锁存电路，被配置为基于所述放大器的所述输出，以数字信号形式来生成所述电容数字转换器的所述输出；以及
处理器，被配置为基于具有预定义值的时钟周期的数目与测量时段内的时钟周期的总数目的比率来确定所述值的测量。


5.一种测量值变化的方法，包括：
当第一开关和所述第二开关处于第一位置以便分别将第一电容器和第二电容器与参考电压连接时，利用电容数字转换器的所述第一电容器和所述第二电容器存储电荷；
测量由所述第二电容器存储的电荷的变化，其中所述电荷的变化代表值的对应变化；
检测由所述第二电容器存储的所述电荷等于或超过由所述第一电容器存储的所述电荷；以及
响应于检测到由所述第二电容器存储的所述电荷等于或超过由所述第一电容器存储的所述电荷，使所述第一开关和所述第二开关切换到第二位置，同时继续测量代表所述值的所述对应变化的、由所述第二电容器存储的所述电荷的所述变化。


6.根据权利要求5所述的方法，还包括：取决于所述第一开关和第二开关处于所述第一位置或第二位置，来不同地确定所述值的测量。


7.根据权利要求6所述的方法，其中不同地确定所述值的所述测量包括：
在所述第一开关和所述第二开关处于所述第一位置的情况下，基于由所述第二电容器存储的所述电荷与由所述第一电容器存储的所述电荷的比率，确定所述值的...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·马蒂克，M·赫尔采格，
申请(专利权)人：诺基亚技术有限公司，
类型：发明
国别省市：芬兰;FI