模拟信号路由器制造技术

提供了模拟信号路由器。所提供的模拟信号路由器用于电容数字转换器(CDC)，包括连接线组、模拟开关矩阵与一个或多个电容端口；所述连接线组包括至少第一连接线和/或第二连接线；所述模拟开关矩阵将所述连接线组耦合到电容端口，其中在任意时刻，所述模拟开关矩阵将一个电容端口至多仅耦合到所述连接线组的一条连接线，以及所述模拟开关矩阵将所述连接线组的一条连接线耦合到零个、一个或多个电容端口；所述模拟开关矩阵还将所述连接线组耦合到所述电容数字转换器。所述电容数字转换器。所述电容数字转换器。

【技术实现步骤摘要】
模拟信号路由器


[0001]本申请涉及模拟信号路由器，特别地涉及用于为CDC(CapacitorDigitalConverter，电容数字转换器)测量电容而提供电信号的模拟信号路由器。

技术介绍

[0002]基于电容的传感器被广泛应用。类似于ADC(模拟数字转换器，AnalogDigitalConverter)，CDC(电容数字转换器)测量电容值并转换为数字量输出。图1展示了利用CDC测量电容的电容测量单元的示意图。
[0003]CDC包括激励信号线端口(AEC)与互电容输入信号线端口(ACC)。可选地，CDC还包括自电容信号线端口(SCA)、主动屏蔽信号线端口(SHD)和/或同步时钟端口(CLK)。EXC代表激励源，例如方波信号源。
[0004]在一种工作模式中，被测量的电容(Cm)的两个极板分别与激励信号线端口(AEC)与互电容输入信号线端口(ACC)相连，构成互电容测量回路。激励源EXC连接到激励信号线端口(AEC)，CDC通过其激励信号线端口(AEC)向电容(Cm)的极板施加激励信号，并通过其互电容输入信号线端口(ACC)采集从电容(Cm)的极板获取的对激励信号的响应，并根据响应测量电容(Cm)的电容值。由于电容(Cm)的两个极板都同CDC相连，将电容(Cm)称为互电容。
[0005]在又一种工作模式，被测量电容(Cs)的一个极板同自电容信号线端口(SCA)相连，大地作为被测量电容(Cs)的另一个极板，通过CDC的接地端(AGND)构成自电容测量回路。将电容(Cs)称为自电容。激励源EXC连接到自电容信号线端口(SCA)，CDC通过自电容信号线端口(SCA)向电容(Cs)施加激励并获得响应以测量其电容值。
[0006]CDC可应用多种电容测量原理。作为举例，对于互电容(Cm)，CDC通过其激励信号线端口(AEC)向电容(Cm)充电，通过互电容输入信号线端口(ACC)获取电容(Cm)充电后的电压值，并接入Σ
‑
Δ调制器，经低通滤波后输出代表待测量电容(Cm)的电压值的数字量。作为又一个例子，CDC内部的激励信号源(记为EXC)被动态地连接到自电容信号线端口(SCA)，同时切断自电容信号线端口(SCA)到CDC内的例如Σ
‑
Δ调制器的连接，以向自电容(Cs)充电，以及在接下来的时刻，断开激励信号源(EXC)到自电容信号线端口(SCA)的连接，并将自电容信号线端口(SCA)同Σ
‑
Δ调制器导通，以将电容(Cs)的电压值转换为代表其电容值的数字量。
[0007]在一些情况下，CDC的自电容信号线端口(SCA)被激励信号线端口(AEC)或互电容输入信号线端口(ACC)替代，从而CDC不提供独立的自电容信号线端口(SCA)。为了用激励信号线端口(AEC)或互电容输入信号线端口(ACC)替代自电容信号线端口(SCA)，CDC内部被设置开关。在激励信号线端口(AEC)与互电容输入信号线端口(ACC)测量互电容时，将激励信号线端口(AEC)与互电容输入信号线端口(ACC)同测量自电容的电路断开；而在用激励信号线端口(AEC)或互电容输入信号线端口(ACC)替代自电容信号线端口(SCA)测量自电容时，将测量自电容的电路(包括激励源EXC)连接到激励信号线端口(AEC)或互电容输入信号线
端口(ACC)，以及将激励信号线端口(AEC)与互电容输入信号线端口(ACC)同测量互电容的电路断开。
[0008]在又一些情况下，CDC包括主动屏蔽信号线端口(SHD)。例如在CDC内部，提供给激励信号线端口(AEC)的激励信号通过跟随器提供给主动屏蔽信号线端口(SHD)。从而主动屏蔽信号线端口(SHD)的输出信号跟随激励信号线端口(AEC)的输出。主动屏蔽信号线端口(SHD)用于耦合屏蔽电极，屏蔽电极邻近、覆盖或包裹连接激励信号线端口(AEC)与电容极板的导线，从而连接激励信号线端口(AEC)与电容极板的导线上传递的信号同主动屏蔽信号线端口(SHD)传输的信号幅度相同且具有更大的驱动能力和更低的内部阻抗。屏蔽电极可以降低连接电容极板的引线产生的寄生电容干扰，避免参考电容值过大，降低电容测量的分辨率。
[0009]依然作为举例，在CDC内部，主动屏蔽信号线端口(SHD)通过跟随器同自电容信号线端口(SCA)相连，从而主动屏蔽信号线端口(SHD)的输出信号跟随自电容信号线端口(SCA)输出的信号。主动屏蔽信号线端口(SHD)提供的主动屏蔽信号，用于耦合屏蔽电极。屏蔽电极邻近、覆盖或包裹连接自电容信号线端口(SCA)与电容极板的导线，电极和地，或电极与周围导电体之间，从而连接自电容信号线端口(SCA)与电容极板的导线上传递的信号同主动屏蔽信号线端口(SHD)传输的信号幅度相同且具有更大的驱动能力和更低的内部阻抗。屏蔽电极降低连接电容极板的引线及极板周围产生的寄生电容干扰，避免或降低参考电容值过大导致的对电容测量的分辨率的影响。
[0010]可选地，CDC还包括同步时钟端口(CLK)。一个例子中，同步时钟端口(CLK)作为输入端口向CDC提供时钟信号。从CDC端口提供的时钟信号用于指示CDC内的开关切换的时序，以通过多个阶段实现对互电容和/或自电容的测量。在又一个例子中，同步时钟端口(CLK)作为CDC的输出端口向外部提供时钟信号。CDC通过向外部输出时钟信号，来同步自身与其他电路的工作时许，例如，使得自身与另一个或多个CDC同时实施测量过程。

技术实现思路

[0011]在诸如电容式机器人电子皮肤、地理电子皮肤、电容层析成像及如电梯按键等多种电器的接触和/或非接触式触感应用中，由CDC为核心的电容测量单元常需要对位于不同位置的多个电容进行测量，有时还需要在测量过程中动态改变电容极板的面积以根据需要适配电容式传感器的感应距离和测量灵敏度，或者用作电容式传感器的屏蔽电极以消除外界的耦合信号干扰等用途。
[0012]为满足上述应用的需求，根据本申请的实施例提供了模拟信号路由器，用于耦合位于不同位置的多个候选的电容极板，以及还耦合CDC，并在运行时将CDC测量由候选电容极板构成的电容所需的模拟信号路由或传递到指定的目标。在进一步的包括多个CDC与多个模拟信号路由器的分布式应用中，多个模拟信号路由器形成分发或传递模拟信号的网络，模拟信号在网络中的传输路径可被动态调整。通过调整模拟信号路由器提供的模拟信号的传输路径，不仅支持单一CDC对测量一个或多个自电容或互电容的多种工作模式，还可对电容极板的面积进行灵活的扩大或减小，从而在应用现场不改变所部署的硬件的情况下，通过组合或选取既有的电容极板来适配变化的应用场景对电容传感器的不同需求。此外，根据本申请的模拟信号路由器，还能实现多个CDC相对独立的并行或串行测量，从而实
现多电容测量单元的协作测量，这种协作体现在分布于多个电容测量单元的电容极板的组合或协同，也包括多个电容测量单元对一个应用所需的多个电容传感器的协作测量，从而增加自电容或和/互电容测量的灵活性、灵敏度、感应距离和测量速度。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于电容数字转换器(CDC)的模拟信号路由器，其特征在于，包括连接线组、模拟开关矩阵与一个或多个电容端口；所述连接线组包括至少第一连接线和/或第二连接线；所述模拟开关矩阵将所述连接线组耦合到电容端口，其中在任意时刻，所述模拟开关矩阵将一个电容端口至多仅耦合到所述连接线组的一条连接线，以及所述模拟开关矩阵将所述连接线组的一条连接线耦合到零个、一个或多个电容端口；所述模拟开关矩阵还用于将所述连接线组耦合到所述电容数字转换器。2.根据权利要求1所述的模拟信号路由器，其特征在于，电容端口用于耦合要被所述电容数字转换器测量的电容的电容极板。3.根据权利要求1或2所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述第一连接线是激励信号线；所述第二连接线是互电容输入信号线。4.根据权利要求1所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述连接线组还包括第三连接线，所述第三连接线是自电容信号线。5.根据权利要求4所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述模拟开关矩阵将所述第三连接线耦合到电容端口，以及将所述第三连接线耦合到所述电容数字转换器，以使得所述电容数字转换器测量耦合到所述第三连接线所耦合的电容端口的电容极板的自电容。6.根据权利要求1所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述模拟开关矩阵将所述第一连接线耦合到第一电容端口，将所述第二连接线耦合到第二电容端口，将所述第一连接线与所述第二连接线耦合到所述电容数字转换器，以使得所述电容数字转换器测量耦合到所述第一电容端口的电容极板与耦合到所述第二电容端口的电容极板所形成的互电容。7.根据权利要求1所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述模拟开关矩阵将所述第二连接线耦合到第二电容端口与所述电容数字转换器，以使得所述电容数字转换器测量耦合到所述第二电容端口的电容极板的自电容。8.根据权利要求1所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述模拟信号路由器用于耦合多个电容数字转换器；所述模拟开关矩阵将所述第一连接线与所述第二连接线耦合到所述多个电容数字转换器的第一电容数字转换器；以及所述模拟开关矩阵将所述第一连接线耦合到所述多个电容数字转换器的第二电容数字转换器。9.根据权利要求1所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述电容数字转换器包括激励信号线端口与互电容输入信号线端口，所述电容数字转换器根据激励信号线端口与互电容输入信号线端口获取的信号测量互电容；和/或所述电容数字转换器根据激励信号线端口或互电容输入信号线端口获取的信号测量自电容。10.根据权利要求9所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述模拟开关矩阵包括CDC耦合开关组，CDC耦合开关组包括多个开关；
CDC耦合开关组控制所述连接线组的第一连接线到电容数字转换器的激励信号线端口的耦合的闭合或断开；和/或CDC耦合开关组控制所述连接线组的第二连接线到电容数字转换器的互电容输入信号线端口的耦合的闭合或断开。11.根据权利要求1所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述模拟信号路由器用于耦合多个电容数字转换器；所述连接线组的第一连接线与第二连接线分别耦合到所述多个电容数字转换器的第一电容数字转换器的激励信号线端口与互电容输入信号线端口；以及所述连接线组的第二连接线耦合到第二电容数字转换器的互电容输入信号线端口。12.根据权利要求11所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述模拟开关矩阵包括多个CDC耦合开关组；所述多个CDC耦合开关组的第一CDC耦合开关组，将所述连接线组的第一连接线与第二连接线分别耦合到所述多个电容数字转换器的第一电容数字转换器的激励信号线端口与互电容输入信号线端口；以及所述多个CDC耦合开关组的第二CDC耦合开关组，将所述连接线组的第二连接线耦合到第二电容数字转换器的互电容输入信号线端口。13.根据权利要求1所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述模拟信号路由器提供了至少一个电容通道，电容数字转换器通过电容通道测量耦合到电容通道的电容；电容通道是在指定时刻、由所述模拟开关矩阵将所述连接线组耦合到至少一个电容端口与所述电容数字转换器所形成的通路。14.根据权利要求13所述的模拟信号路由器，其特征在于，电容通道包括由所述连接线组的一个或多个连接线、一个或多个电容端口与所述模拟开关矩阵的具有指定状态的一个或多个开关所形成的电信号的通路。15.根据权利要求13或14所述的模拟信号路由器，其特征在于，不同的电容通道各自将相同或不同的电容端口耦合到所述电容数字转换器。16.根据权利要求13所述的模拟信号路由器，其特征在于，第一电容通道包括由耦合的第一电容端口与所述连接线组的第一连接线以及耦合的第二电容端口与所述连接线组的第二连接线所形成的通路；第一电容通道用于使电容数字转换器通过第一电容通道测量第一电容端口所耦合的电容极板与第二电容端口所耦合的电容极板所形成的互电容。17.根据权利要求16所述的模拟信号路由器，其特征在于，第二电容通道包括由耦合的第一电容端口、第二电容端口和/或第三电容端口与所述连接线组的第二连接线所形成的通路；第二电容通道用于使电容数字转换器通过第二电容通道测量第一电容端口、第二电容端口和/或第三电容端口所耦合的电容极板的自电容。18.根据权利要求16所述的模拟信号路由器，其特征在于，第二电容通道包括由耦合的第一电容端口、第二电容端口和/或第三电容端口与所述连接线组的第三连接线所形成的通路；
第二电容通道用于使电容数字转换器通过第二电容通道测量第一电容端口、第二电容端口和/或第三电容端口所耦合的电容极板的自电容。19.根据权利要求16所述的模拟信号路由器，其特征在于，第一电容通道在第一时刻耦合到所述电容数字转换器；第二电容通道在不同于第一时刻的第二时刻耦合到所述电容数字转换器。20.根据权利要求13所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述电容数字转换器在同一时刻仅通过单一的电容通道测量电容；所述电容数字转换器在不同时刻通过相同或不同的电容通道测量电容。21.根据权利要求13所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述电容数字转换器通过其激励信号线端口与互电容输入信号线端口耦合电容通道之一以测量互电容。22.根据权利要求21所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述电容数字转换器仅通过其自电容信号线端口或互电容输入信号线端口耦合电容通道之一以测量自电容。23.根据权利要求13所述的模拟信号路由器，其特征在于，在相同时刻，不同的电容通道各自独占所包括的所述连接线组的一个或多个连接线、一个或多个电容端口与所述模拟开关矩阵的具有指定状态的一个或多个开关。24.根据权利要求13所述的模拟信号路由器，其特征在于，在不同时刻，不同的电容通道可共用各自所包括的所述连接线组的一个或多个连接线、一个或多个电容端口与所述模拟开关矩阵的具有指定状态的一个或多个开关。25.根据权利要求13所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述模拟信号路由器用于耦合多个电容数字转换器；在相同时刻，所述多个电容数字转换器的一个或多个分别耦合不同的电容通道以通过各自耦合的电容通道同时测量电容。26.根据权利要求13所述的模拟信号路由器，其特征在于，电容通道包括由耦合的第一多个电容端口与所述连接线组的第一连接线所形成的通路，其中所述连接线组的第一连接线耦合到所述第一多个电容端口。27.根据权利要求26所述的模拟信号路由器，其特征在于，电容通道包括由耦合的第二多个电容端口与所述连接线组的第二连接线所形成的通路，其中所述连接线组的第二连接线耦合到所述第二多个电容端口。28.根据权利要求27所述的模拟信号路由器，其特征在于，所述连接线组还包括第三连接线；电容通道包括由耦合的第三多个电容端口与所述连接线组的第三连接线所形成的通路，其中所述连接线组的第三连接线耦合到所述第三多个电容端口。29.根据权利要求13所述的模拟信号路由器，其特征在于，电容通道包括自电容通道和/或互电容通道；互电容通道同时耦合所述连接线组的第一连接线与第二连接线，所述电容数字转换器用于通过互电容通道测量互电容；自电容通道耦合所述连接线组的第二连接线，所述电容数字转换器用于通过自电容通
道测量自电容。30.根据权利要求29所述的模拟信号路由器，其特征在于，互电容通道耦合所述电容数字转换器的激励信号线端口与互电容输入信号线端口；自电容通道耦合所述电容数字转换器的互电容输入信号线端口。31.根据权利要求30所述的模拟信号路由器，其特征在于，在第一时刻，所述电容数字转换器通过自电容通道测量自电容；在第二时刻，所述电容数字转换器通过自电容通道测量自电容。32.根据权利要求30所述的模拟信号路由器，其特征在于，在第一时刻，所述电容数字转换器通过互电容通道测量互电容；在第二时刻，所述电容数字转换器通过互电容通道测量互电容。33.根据权利要求30所述的模拟信号路由器，其特征在于，在第一时刻，所述电容数字转换器通过互电容通道测量互电容；在第二时刻，所述电容数字转换器通过自电容通道测量自电容。34.根据权利要求1所述的模拟信号路由器，其特征在于，电容数字转换器向所述连接线组的第一连接线施加第一激励信号；电容数字转换器从所述连接线组的第二连接线获取对所述第一激励信号的第一响应，以测量根据所述第一激励信号产生第一响应的互电容。35.根据权利要求34所述的模拟信号路由器，其特征在于，电容数字转换器向所述连接线组的第三连接线施加第二激励信号，并从所述连接线组的第三连接线获取对所述第二激励信号的第二响应，以测量根据所述第二激励信号产生第二响应的自电容；或者电容数字转换器向所述连接线组的第二连接线施加第二激励信号，并从所述连接线组的第二连接线获取对所述第二激励信号的第二响应，以测量根据所述第二激励信号产生第二响应的自电容。36.根据权利要求35所述的模拟信号路由器，其特征在于，电容数字转换器从第一电容通道获取第一响应，以及从第二电容通道获取第二响应。37.根据权利要求1所述的模拟信号路由器，其特征在于，模拟信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙滕谌，张大华，石万文，孟凡，
申请(专利权)人：北京他山科技有限公司，
类型：新型
国别省市：