本發(fā)明無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種兼容電阻式和電容式傳感器的接口電路。

背景技術(shù)：

最早的傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，需要連接傳感控制器構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)。隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有了獲取多種信息信號(hào)的綜合處理能力，組成了由信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)。而從上世紀(jì)末開(kāi)始，大量多功能傳感器被使用，并使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)連接，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)一般搭載一個(gè)或多個(gè)傳感器，感知物理世界，它既是信息的采集和發(fā)出者，又充當(dāng)信息的路由者，具有規(guī)模大、自組織、動(dòng)態(tài)性、應(yīng)用相關(guān)等特點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，隨著相關(guān)技術(shù)和科研的進(jìn)一步深入，其應(yīng)用范圍更加廣泛，在民用和工業(yè)領(lǐng)域都有所涉及。它的發(fā)展便于我們智能化地監(jiān)測(cè)被感知對(duì)象，例如地震監(jiān)測(cè)、智能家居、醫(yī)療狀況監(jiān)測(cè)等。

由于傳統(tǒng)傳感器存在精度差、可靠性不高、集成度低和高功耗等諸多問(wèn)題。當(dāng)下的新型傳感器正向著集成電路技術(shù)與傳統(tǒng)傳感技術(shù)相融合的方向邁進(jìn)，使得傳感器向高精度、高可靠性、微型化以及無(wú)源化發(fā)展?？紤]到無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)低功耗、高靈敏度、小尺寸封裝等方面的要求，將傳感器和無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)集成在同一襯底上確已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

傳感器種類(lèi)繁多，其輸出信號(hào)也是各式各樣的。其基本感知功能通過(guò)各種敏感元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般通過(guò)電阻、電容或者其它參量的變化來(lái)表征被感知對(duì)象的信息，敏感元件的輸出經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換元件對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的加工和處理，實(shí)現(xiàn)將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電量信號(hào)。例如，溫度、濕度、壓力等各類(lèi)信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的傳感器輸出的可能是電壓信號(hào)、電流信號(hào)或頻率信號(hào)。為了與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相融合實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線(xiàn)傳輸，需要相應(yīng)的接口電路對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理。傳統(tǒng)的電阻式或電容式傳感器的接口電路性能單一，專(zhuān)用性強(qiáng)。本發(fā)明旨在提出一種兼容電阻式和電容式傳感器的接口電路實(shí)現(xiàn)方案，以盡可能地適應(yīng)多種傳感器的需求。

電容式傳感器的接口電路利用電容器原理，將電容量轉(zhuǎn)化為可測(cè)量和傳輸?shù)碾妷?、電流或頻率等參量。與其它類(lèi)型的傳感器接口電路相比，具有測(cè)量范圍大、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，在濕度、溫度、位移、壓力、厚度、振幅、液位、成分分析等測(cè)量方面得到了非常廣泛的應(yīng)用，是一種具有良好發(fā)展前景的傳感器接口電路形式。然而，隨著電容式傳感器的不斷發(fā)展與應(yīng)用，對(duì)于電容測(cè)量電路的要求也越來(lái)越高。在現(xiàn)階段測(cè)量微小電容主要有以下幾方面的困難：

(1)電容式傳感電容值不可能大，一般為pF量級(jí)，而由這些物理量引起的微電容的變化更加微小，一般為fF甚至aF量級(jí)。如此小的變化量對(duì)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)挑戰(zhàn)，如果沒(méi)有相應(yīng)的小信號(hào)檢測(cè)電路，那么根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳感器的實(shí)用化，因此采用專(zhuān)用的接口電路對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和處理對(duì)微電容傳感器非常有必要；

(2)測(cè)量電路中通常需要使用電子開(kāi)關(guān)，但電子開(kāi)關(guān)的電荷注入效應(yīng)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響難以消除。近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)與微加工技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的微式化、集成化和智能化逐漸成為未來(lái)傳感器發(fā)展的方向，系統(tǒng)芯片成為集成電路研究的熱門(mén)話(huà)題。

電阻式傳感器接口電路一般采用電橋電路和放大電路構(gòu)成其前級(jí)電路。本發(fā)明提出的接口電路通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)測(cè)量感知信號(hào)，將電阻阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)被模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。得到的數(shù)字量經(jīng)過(guò)處理器換算即可得出相應(yīng)的非電量變化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種兼容電阻式和電容式傳感器的接口電路，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種兼容電阻式和電容式傳感器的接口電路,包括電容-電壓轉(zhuǎn)換電路、電阻-電壓轉(zhuǎn)換電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器；所述電容-電壓轉(zhuǎn)換電路包括參考電容、傳感電容、反饋電容陣列、第一開(kāi)關(guān)、第二開(kāi)關(guān)、第三開(kāi)關(guān)、第四開(kāi)關(guān)、第五開(kāi)關(guān)和運(yùn)算放大器，所述第一開(kāi)關(guān)一端連接電源端，另一端分別連接第二開(kāi)關(guān)一端和參考電容一端，所述第二開(kāi)關(guān)另一端接地，所述參考電容另一端分別連接傳感電容一端和Mode開(kāi)關(guān)一端，所述Mode開(kāi)關(guān)另一端連接運(yùn)算放大器Vin端，所述第三開(kāi)關(guān)一端接地，另一端分別連接第四開(kāi)關(guān)一端和傳感電容另一端，所述第四開(kāi)關(guān)另一端連接電源端；所述反饋電容陣列與第五開(kāi)關(guān)并聯(lián)接在運(yùn)算放大器Vin端和輸出端之間。

優(yōu)選的，所述電阻-電壓轉(zhuǎn)換電路包括傳感電阻、外接可變電阻、采樣電容、反饋電容陣列、第五開(kāi)關(guān)、第六開(kāi)關(guān)、第七開(kāi)關(guān)和運(yùn)算放大器，所述傳感電阻一端連接電源端，另一端分別連接外接可變電阻一端和第六開(kāi)關(guān)一端，外接可變電阻另一端接地，第六開(kāi)關(guān)另一端分別連接采樣電容一端和第七開(kāi)關(guān)一端，第七開(kāi)關(guān)另一端接地，采樣電容另一端連接Moden開(kāi)關(guān)一端，所述Moden開(kāi)關(guān)另一端連接運(yùn)算放大器Vin端，運(yùn)算放大器Vip端接地；所述反饋電容陣列與第五開(kāi)關(guān)并聯(lián)接在運(yùn)算放大器Vin端和輸出端之間。

優(yōu)選的，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接運(yùn)算放大器輸出端。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，以電容器原理，電荷守恒定理以及運(yùn)放的特性為依托，復(fù)用運(yùn)算放大器、第五開(kāi)關(guān)及反饋電容陣列，實(shí)現(xiàn)大范圍測(cè)量，不僅簡(jiǎn)化了整體接口電路結(jié)構(gòu)，還節(jié)省了成本和面積，兼顧效益與成本，電路通過(guò)復(fù)用反饋電容陣列和運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)兼容式接口電路；通過(guò)Mode/Moden控制信號(hào)切換接口電路的工作模式。當(dāng)Mode信號(hào)為高時(shí)，實(shí)現(xiàn)了電容式傳感器的接口電路，基于開(kāi)關(guān)電容電路和電容的充放電原理，實(shí)現(xiàn)電容量到電壓量的轉(zhuǎn)換；當(dāng)Moden信號(hào)為高時(shí)，實(shí)現(xiàn)了電阻式傳感器的接口電路，首先通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)將電阻量轉(zhuǎn)換為電壓量，然后通過(guò)開(kāi)關(guān)電容放大器對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行放大，最后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，不但能夠有效地節(jié)省系統(tǒng)成本、面積和功耗，而且便于用戶(hù)將不同類(lèi)式的傳感器融合使用，整體電路具有較好的線(xiàn)性度和較高的精度，更能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)的發(fā)展需求；同時(shí)還可用于全差分結(jié)構(gòu)的接口電路。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的整體原理圖；

圖2為本發(fā)明的電容式傳感器等效接口電路原理圖；

圖3為本發(fā)明的電阻式傳感器等效接口電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1-3，本發(fā)明提供一種技術(shù)方案：一種兼容電阻式和電容式傳感器的接口電路，包括電容-電壓轉(zhuǎn)換電路、電阻-電壓轉(zhuǎn)換電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器2；所述電容-電壓轉(zhuǎn)換電路包括參考電容3、傳感電容4、反饋電容陣列16、第一開(kāi)關(guān)5、第二開(kāi)關(guān)6、第三開(kāi)關(guān)7、第四開(kāi)關(guān)8、第五開(kāi)關(guān)17和運(yùn)算放大器1，所述第一開(kāi)關(guān)5一端連接電源端，另一端分別連接第二開(kāi)關(guān)6一端和參考電容一端，所述第二開(kāi)關(guān)6另一端接地，所述參考電容3另一端分別連接傳感電容4一端和Mode開(kāi)關(guān)9一端，所述Mode開(kāi)關(guān)9另一端連接運(yùn)算放大器1Vin端，所述第三開(kāi)關(guān)7一端接地，另一端分別連接第四開(kāi)關(guān)8一端和傳感電容4另一端，所述第四開(kāi)關(guān)8另一端連接電源端；所述反饋電容陣列16與第五開(kāi)關(guān)17并聯(lián)接在運(yùn)算放大器1Vin端和輸出端之間。

本實(shí)施例中，電阻-電壓轉(zhuǎn)換電路包括傳感電阻10、外接可變電阻11、采樣電容12、反饋電容陣列16、第五開(kāi)關(guān)17、第六開(kāi)關(guān)13、第七開(kāi)關(guān)14和運(yùn)算放大器1，所述傳感電阻10一端連接電源端，另一端分別連接外接可變電阻11一端和第六開(kāi)關(guān)13一端，外接可變電阻11另一端接地，第六開(kāi)關(guān)13另一端分別連接采樣電容12一端和第七開(kāi)關(guān)14一端，第七開(kāi)關(guān)14另一端接地，采樣電容12另一端連接Moden開(kāi)關(guān)15一端，所述Moden開(kāi)關(guān)15另一端連接運(yùn)算放大器1Vin端，運(yùn)算放大器1Vip端接地；所述反饋電容陣列16與第五開(kāi)關(guān)17并聯(lián)接在運(yùn)算放大器1Vin端和輸出端之間，其中，外接可變電阻可以實(shí)現(xiàn)電阻式傳感器的接口電路的大范圍測(cè)量。

另外，本實(shí)施例中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器2連接運(yùn)算放大器1輸出端，模數(shù)轉(zhuǎn)換器2輸出端為信號(hào)輸出端，既可以實(shí)現(xiàn)電容式傳感器的接口電路，將待測(cè)信號(hào)通過(guò)電容式敏感元件感知，利用開(kāi)關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)電容-電壓轉(zhuǎn)換，輸出可測(cè)的電壓信號(hào)；也可以完成電阻式傳感器的接口電路，通過(guò)待測(cè)信號(hào)的變化引起敏感元件電阻值發(fā)生變化，進(jìn)而通過(guò)電阻-電壓轉(zhuǎn)換，輸出可測(cè)的電壓信號(hào)。

本發(fā)明中，當(dāng)Mode開(kāi)關(guān)9為高電平時(shí)，該電路等效為電容式傳感器的接口電路；當(dāng)Moden開(kāi)關(guān)15為高電平時(shí)，該電路等效為電阻式傳感器的接口電路。并通過(guò)第五開(kāi)關(guān)17和反饋電容陣列16實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)算放大器的復(fù)用，其中運(yùn)算放大器可以由兩級(jí)運(yùn)放級(jí)聯(lián)構(gòu)成，第一級(jí)實(shí)現(xiàn)高增益和帶寬，第二級(jí)實(shí)現(xiàn)寬擺幅，也可以采用增益提高式的單級(jí)運(yùn)放構(gòu)成。

本發(fā)明中，電容式傳感器的接口電路主要使用開(kāi)關(guān)電容電路，通過(guò)分時(shí)工作方式，采用電容陣列反饋形式以及電荷積累效應(yīng)，獲得與傳感電容相關(guān)的輸出電壓，即電容量轉(zhuǎn)化為模擬電壓的輸出，完成電容-電壓轉(zhuǎn)換，測(cè)量范圍很大。而且開(kāi)關(guān)電容電路與IC工藝完全兼容，因此可以基于CMOS集成工藝，將接口電路集成化。電容式傳感器接口電路具體工作分兩個(gè)階段進(jìn)行：在階段1，第一開(kāi)關(guān)和第三開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，第二開(kāi)關(guān)、第四開(kāi)關(guān)和第五開(kāi)關(guān)閉合。此時(shí)電源電壓對(duì)傳感電容充電，參考電容對(duì)地進(jìn)行放電，運(yùn)算放大器輸入與輸出端短接，輸出為0；在階段2，第一開(kāi)關(guān)和第三開(kāi)關(guān)閉合，第二開(kāi)關(guān)、第四開(kāi)關(guān)和第五開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。這時(shí)傳感電容對(duì)地放電，電源電壓對(duì)參考電容充電，反饋電容陣列接入電路控制運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益，利用電荷守恒定理及運(yùn)放的虛短虛斷原理，階段1和階段2運(yùn)放正負(fù)輸入端電荷保持平衡，可以計(jì)算出階段2的輸出電壓。電路的輸出電壓為與輸入電壓同頻率的對(duì)稱(chēng)信號(hào)，其幅值正比于傳感電容與參考電容的差值。

本發(fā)明中，電阻式傳感器接口電路并非像傳統(tǒng)電阻式傳感器的接口電路一樣依賴(lài)于電橋電路，而是使用了簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò)。電阻網(wǎng)絡(luò)是測(cè)量待測(cè)變化信號(hào)的部分，它由一個(gè)傳感電阻和外接可變電阻組成，通過(guò)把傳感電阻值與外接可變電阻阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出，然后提供給開(kāi)關(guān)電容放大電路放大，最后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化處理。其具體工作如下：首先電阻網(wǎng)絡(luò)中傳感電阻感知待測(cè)的非電量信號(hào)產(chǎn)生阻值的變化，通過(guò)調(diào)整外接可變電阻，在電阻網(wǎng)絡(luò)中由于阻值的變化產(chǎn)生電壓變化，但此變化電壓很小，需要把該電壓送入開(kāi)關(guān)電容放大電路中進(jìn)行放大處理，同樣分兩個(gè)階段完成。在階段1第五開(kāi)關(guān)和第六開(kāi)關(guān)閉合，第七開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，采樣電容對(duì)來(lái)自電阻網(wǎng)絡(luò)中的小電壓信號(hào)進(jìn)行采樣；階段2，第七開(kāi)關(guān)閉合，第五開(kāi)關(guān)、第六開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，反饋電容陣列接入跨導(dǎo)運(yùn)算放大器中調(diào)整閉環(huán)增益，完成對(duì)采樣電壓的放大。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，以電容器原理，電荷守恒定理以及運(yùn)放的特性為依托，復(fù)用運(yùn)算放大器、第五開(kāi)關(guān)及反饋電容陣列，實(shí)現(xiàn)大范圍測(cè)量，不僅簡(jiǎn)化了整體接口電路結(jié)構(gòu)，還節(jié)省了成本和面積，兼顧效益與成本，電路通過(guò)復(fù)用反饋電容陣列和運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)兼容式接口電路；通過(guò)Mode/Moden控制信號(hào)切換接口電路的工作模式。當(dāng)Mode信號(hào)為高時(shí)，實(shí)現(xiàn)了電容式傳感器的接口電路，基于開(kāi)關(guān)電容電路和電容的充放電原理，實(shí)現(xiàn)電容量到電壓量的轉(zhuǎn)換；當(dāng)Moden信號(hào)為高時(shí)，實(shí)現(xiàn)了電阻式傳感器的接口電路，首先通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)將電阻量轉(zhuǎn)換為電壓量，然后通過(guò)開(kāi)關(guān)電容放大器對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行放大，最后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，不但能夠有效地節(jié)省系統(tǒng)成本、面積和功耗，而且便于用戶(hù)將不同類(lèi)式的傳感器融合使用，整體電路具有較好的線(xiàn)性度和較高的精度，更能滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)的發(fā)展需求；同時(shí)還可用于全差分結(jié)構(gòu)的接口電路。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。