一种基于开关电容的可重构传感器接口电路制造技术

本发明专利技术公开了一种基于开关电容的可重构传感器接口电路，包括采样电路、转换电路及数字控制电路，所述数字控制电路的输出端与数字处理器的输入端相连，所述采样电路与传感器连接接口相连，用于对输出类型为电容/电阻/电流/电压传感器的输出信号进行采样并转换为电荷存储到参考电容阵列C

【技术实现步骤摘要】
一种基于开关电容的可重构传感器接口电路


[0001]本专利技术涉及传感器接口电路领域，具体涉及一种基于开关电容的可重构传感器接口电路。

技术介绍

[0002]近些年来，传感器应用系统作为物联网(Internet of Things,IoT)领域的核心部分之一得到蓬勃发展，被广泛用于各种电子设备，涵盖环境监测、健康护理、智慧城市创建、智能工厂、智慧农场等多个领域。
[0003]传感器被广泛应用于检测各种物理，化学和生物等信息，其输出常表示为电信号或电可转换形式，大部分传感器的输出类型可以分为电容型/电阻型/电流型/电压型(C/R/I/V)四种，而传感器接口电路则是对各种类型的传感器输出信号进行数字化处理并显示结果，同时执行数据传输等操作，是传感器应用系统中的关键部分。
[0004]以往对传感器接口电路的研究主要针对特定的目标传感器，不同的传感器输出信号类型都有专门的接口电路与架构，所以它们对于特定的传感器输出类型具有特定的功能和性能表现，然而，在物联网市场飞速发展的时代背景下，庞大的传感器应用系统希望在短时间以低成本实现，而设计开发传感器专用的接口电路需要花费相当大的成本和时间，相比之下可重构传感器接口电路设计实现了可检测电容型/电阻型/电流型/电压型(C/R/I/V)四种信号的可重构接口电路，具有可应用于各种传感器应用系统的通用性，当需要对不同类型信号进行采集时，可以直接进行模式切换，具有便捷性和灵活性，有效地满足了传感器应用系统快速增长的需求。
[0005]近些年可重构接口电路的设计虽然各有不同，但都可以概括为模拟前端加模数转换器的组合设计，即首先通过模拟前端对不同类型的传感器输出信号进行检测，同时将其转换为与模数转换器输入范围相匹配的电压输出，之后模数转换器再对该输出电压进行量化(测量)，转换为数字输出并传输至后续的数字处理器模块。进一步来说，这些结构对多种类型传感器输出的适用性是通过设计多种类型放大器组合的模拟前端或者可重构的放大器构成的模拟前端实现的，而不涉及模数转换器。通过对可重构模拟前端的优化，这些架构设计在一定程度上满足了快速增长的传感器应用系统对传感器接口电路通用性的需求，但是需要指出的是，这些结构设计的面积和功耗仍较大，且模数转换器占用了接口电路中大部分的面积和功耗。
[0006]特别的，对于电容型传感器的检测，物联网和可穿戴设备等应用系统对电容传感器集成度要求推动传感器工艺尺寸不断缩减至微米(10
‑6m)量级，这使得传感器的电容变化量随着工艺尺寸缩减至飞法(10
‑
15
F)量级，传感器应用环境中的键合线、焊盘、印制电路板(PCB)与静电防护器件带来的寄生电容通常达到皮法(10
‑
12
F)量级。在此情况下，大寄生电容上产生的寄生电荷可以轻易干扰甚至吞没传感器电容上的信号电荷，从而严重限制了电容传感器读出电路的信号处理范围和精度，因此对寄生电容的影响的抑制也是十分必要的。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种基于开关电容的可重构传感器接口电路，通过设计集成模数转换器量化功能的可重构模拟前端，避免了额外的模数转换器的使用，提高了电路集成度，实现了更高的面积效率和更低的功耗，更有效地满足传感器应用系统的设计需求。
[0008]本专利技术可通过以下技术方案实现：
[0009]一种基于开关电容的可重构传感器接口电路，包括采样电路、转换电路及数字控制电路，所述数字控制电路的输出端与数字处理器的输入端相连，所述采样电路与传感器连接接口相连，用于对输出类型为电容/电阻/电流/电压传感器的输出信号进行采样并转换为电荷存储到参考电容阵列C
R
上，
[0010]所述转换电路用于采用时间域和电压域相结合的控制方式，通过多次循环充放电、电压比较和电荷放大，对采样电路获取的电荷进行多位量化结果输出，直到达到所需的测量分辨率；
[0011]所述数字控制电路用于在数字处理器的控制下，通过控制开关切换实现采样电路及转换电路的重构，从而实现对输出类型为电容/电阻/电流/电压传感器的输出信号的采样以及量化处理。
[0012]进一步，所述转换电路被配置成三种电路结构，第一种电路结构配置成电压比较器，用于产生计数器的使能信号或者一位量化结果；第二种电路结构配置成单位增益缓冲器，将采样电路中参考电容阵列C
R
上的电压保存到电容C1上；第三种电路结构配置成电荷放大器形式，以电容C1作为输入电容，电容C2作为反馈电容，实现对电容C1上的电压放大；
[0013]对于输出类型为电容的传感器：
[0014]通过所述三种电路结构的配合工作，先断开与传感器的连接，获取参考电容阵列C
R
对应的放电时间T1，再恢复与传感器的连接，对采样电路采集的电荷进行放电，将放电至T1时间的待测电容Cx上的电压存储到电容C1上，记录此时的电压V
S(0)
，然后继续放电时间，记录此时的电压V
S(1)
，再将电压V
s(1)
和参考电压V
R
做比较，输出数字转换结果中的一位最高有效位MSB，同时根据比较结果，通过电荷放大更新待测电容Cx的电压，记录此时的电压为V
′
S(1)
，重复上述时长放电、电压比较、电荷放大过程，直到转换结果达到所需的分辨率；
[0015]对于输出类型为电流/电阻/电压的传感器：
[0016]通过所述三种电路结构的配合工作，先断开与传感器的连接，获取参考电容阵列C
R
对应的放电时间T1，再恢复与传感器的连接，将采样电路采集的电荷在C
R
上产生的电压存储到电容C1上，记录此时的电压V
S(0)
，再进行时间的放电，记录此时的电压V
S(1)
，然后将电压V
s(1)
和参考电压V
R
做比较，输出数字转换结果中的一位最高有效位MSB，同时根据比较结果，通过电荷放大更新参考电容阵列C
R
的电压，记录此时的电压为V
′
S(1)
，重复上述时长放电、电压比较、电荷放大过程，直到转换结果达到所需的分辨率。
[0017]进一步，所述第一种电路结构包括被配置成的A形结构和B形结构，
[0018]所述A形结构包括通过开关S4断开与传感器的连接，先通过开关S15使充电电压V
C
和参考电容阵列C
R
相连，再通过开关S15断开充电电压V
C
的连接，同时通过开关S3使电流源I
R1
和参考电容阵列C
R
相连，还依次通过开关S2、开关S1、误差电容Cos连接至运算放大器U1的正极，所述运算放大器U1的负极通过开关S6、开关S12和参考电压V
R
相连，所述运算放大器U1的输出端与数字控制电路相连；
[0019]所述B形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于开关电容的可重构传感器接口电路，其特征在于：包括采样电路、转换电路及数字控制电路，所述数字控制电路的输出端与数字处理器的输入端相连，所述采样电路与传感器连接接口相连，用于对输出类型为电容/电阻/电流/电压传感器的输出信号进行采样并转换为电荷存储到参考电容阵列C
R
上，所述转换电路用于采用时间域和电压域相结合的控制方式，通过多次循环充放电、电压比较和电荷放大，对采样电路获取的电荷进行多位量化结果输出，直到达到所需的测量分辨率；所述数字控制电路用于在数字处理器的控制下，通过控制开关切换实现采样电路及转换电路的重构，从而实现对输出类型为电容/电阻/电流/电压传感器的输出信号的采样以及量化处理。2.根据权利要求1所述的所基于开关电容的可重构传感器接口电路，其特征在于：所述转换电路被配置成三种电路结构，第一种电路结构配置成电压比较器，用于产生计数器的使能信号或者一位量化结果；第二种电路结构配置成单位增益缓冲器，将采样电路中参考电容阵列C
R
上的电荷保存到电容C1上；第三种电路结构配置成电荷放大器形式，以电容C1作为输入电容，电容C2作为反馈电容，实现对电容C1上的电压放大；对于输出类型为电容的传感器：通过所述三种电路结构的配合工作，先断开与传感器的连接，获取参考电容阵列C
R
对应的放电时间T1，再恢复与传感器的连接，对采样电路采集的电荷进行放电，将放电至T1时间的待测电容Cx上的电压存储到电容C1上，记录此时的电压V
S(0)
，然后继续放电时间，记录此时的电压V
S(1)
，再将电压V
s(1)
和参考电压V
R
做比较，输出数字转换结果中的一位最高有效位MSB，同时根据比较结果，通过电荷放大更新待测电容Cx的电压，记录此时的电压为V
′
S(1)
，重复上述时长放电、电压比较、电荷放大过程，直到转换结果达到所需的分辨率；对于输出类型为电流/电阻/电压的传感器：通过所述三种电路结构的配合工作，先断开与传感器的连接，获取参考电容阵列C
R
对应的放电时间T1，再恢复与传感器的连接，将采样电路采集的电荷在C
R
上产生的电压存储到电容C1上，记录此时的电压V
S(0)
，再进行时间的放电，记录此时的电压V
S(1)
，然后将电压V
S(1)
和参考电压V
R
做比较，输出数字转换结果中的一位最高有效位MSB，同时根据比较结果，通过电荷放大更新参考电容阵列C
R
的电压，记录此时的电压为V
′
S(1)
，重复上述时长放电、电压比较、电荷放大过程，直到转换结果达到所需的分辨率。3.根据权利要求2所述的所基于开关电容的可重构传感器接口电路，其特征在于：所述第一种电路结构包括被配置成的A形结构和B形结构，所述A形结构包括通过开关S4断开与传感器的连接，先通过开关S15使充电电压V
C
和参考电容阵列C
R
相连，再通过开关S15断开充电电压V
C
的连接，同时通过开关S3使电流源I
R1
和参考电容阵列C
R
相连，还依次通过开关S2、开关S1、误差电容Cos连接至运算放大器U1的正极，所述运算放大器U1的负极通过开关S6、开关S12和参考电压V
R
相连，所述运算放大器U1
的输出端与数字控制电路相连；所述B形结构包括运算放大器U1，所述运算放大器U1的正极依次连接误差电容Cos、开关S1、开关S2和并联的参考电容阵列C
R
、电流源I
R1
和传感器相连，其中电流源I
R1
所在的并联支路连接有开关S3，传感器所在的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永福，王朝，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：