專利名稱：阻抗檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法
一般地說，本發(fā)明涉及用于檢測(cè)適量的物理變量的裝置及其檢測(cè)方法，具體地說，涉及一種檢測(cè)適量的物理變量的裝置及其檢測(cè)方法，用以提供與能被數(shù)字處理的量相應(yīng)的信號(hào)。
作為適于檢測(cè)物理量變化之檢測(cè)電路的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)例，譬如在1988年出版的日本專利未審公開特開昭63-108257中有所描述。
圖1是表示特開昭63-108257中描述的現(xiàn)有技術(shù)檢測(cè)電路的方框圖。這個(gè)檢測(cè)電路預(yù)定是要檢測(cè)濕度這一物理量的，它包括帶濕度傳感器54的振蕩單元51，F(xiàn)-V轉(zhuǎn)換器52和對(duì)數(shù)放大器53。濕度傳感器54被設(shè)計(jì)成它的電阻隨環(huán)境濕度的變化而變。于是，這種電阻的變化引起振蕩單元51改變其振蕩頻率。振蕩單元51的輸出信號(hào)往下被輸入到F-V轉(zhuǎn)換器52，在那里將信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換成直流電壓。從F-V轉(zhuǎn)換器52輸出的直流電壓信號(hào)接下去被輸入給對(duì)數(shù)放大器53，直流電壓在此按對(duì)數(shù)方式被放大。按照這種方式，這種檢測(cè)電路根據(jù)對(duì)數(shù)放大器53的輸出電壓值顯示環(huán)境濕度。
日本專利公開特公平2-22338中描述了另一種現(xiàn)有技術(shù)的檢測(cè)電路。這種檢測(cè)電路像上述JP-63-108257的情況一樣，也檢測(cè)濕度的變化。雖然這里未予示出，該檢測(cè)電路包括一個(gè)用于檢測(cè)的積分器，此積分器包含電容濕度傳感器，電容值的變化與濕度相應(yīng)，該檢測(cè)電路還包括一個(gè)用于比較的參考積分器，其時(shí)間常數(shù)不改變。這個(gè)檢測(cè)電路工作時(shí)，相同的脈沖信號(hào)輸入兩個(gè)積分器，從每個(gè)積分器輸出的信號(hào)間的差是由差分放大器供給的，此最大差值進(jìn)一步由峰值保持電路作為直流電壓信號(hào)輸出。因而該檢測(cè)電路可以根據(jù)峰值保持電路的輸出電壓給出環(huán)境濕度。
日本專利未審公開特開昭63-27720描述了又一種檢測(cè)電路的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)例。圖2是表示JP-63-27720中描述的用于重量檢測(cè)的檢測(cè)電路的電路圖。
近些年來，積分電路技術(shù)已有所發(fā)展，而且通過使用專用于信號(hào)處理等的處理器，可以很容易地實(shí)現(xiàn)需要復(fù)雜的乘積/求和運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理。由于在采用軟件控制的情況下，這種數(shù)字信號(hào)處理使時(shí)間分割處理等成為可能，因而可使大量的復(fù)雜信號(hào)得到處理，以便準(zhǔn)確地顯示各種信息，另一方面避免了需要大尺寸和加大成本的設(shè)施。
然而，上述日本專利公開JP-63-108275和JP-2-22338中所描述的每一種檢測(cè)電路從它的輸出端輸出其值與物理量有關(guān)的模擬信號(hào)或電壓。因此，為了對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化處理，必須借助附加的A/D轉(zhuǎn)換器將這種輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。為此，如果引入諸如微型計(jì)算機(jī)等數(shù)字處理裝置去處理這種檢測(cè)電路的輸出，那么，這當(dāng)中就需要更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如A/D轉(zhuǎn)換器，從而引出加大整個(gè)裝置的尺寸并增大成本的問題。特別是當(dāng)對(duì)于這種檢測(cè)電路的大量信號(hào)輸出需要并行實(shí)時(shí)處理時(shí)，就必須并行地設(shè)置與這種檢測(cè)電路的信號(hào)數(shù)量相同的大量A/D轉(zhuǎn)換器，使上述問題更加突出。
另一方面，如圖2所示，日本專利公開特開昭63-27720中描述的檢測(cè)電路包括振蕩單元42，它包含運(yùn)算放大器42a，42b和傳感器41，該傳感器根據(jù)加于其上的重量改變電容。振蕩單元42的振蕩頻率響應(yīng)傳感器41電容的變化而變。振蕩單元42中還設(shè)有可變電阻43，用以調(diào)節(jié)振蕩頻率的基頻。
振蕩電路42的輸出信號(hào)輸入包含晶體管46a的放大器46。放大器46放大振蕩單元42的輸出信號(hào)，使有足夠的幅值，微型計(jì)算機(jī)45中的計(jì)數(shù)器47可計(jì)數(shù)振蕩信號(hào)的波數(shù)。因此，計(jì)數(shù)器47計(jì)數(shù)在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)放大的信號(hào)的波數(shù)，并將計(jì)數(shù)值輸出給微型計(jì)算機(jī)45內(nèi)的處理單元48。電壓設(shè)定電路44依序設(shè)定預(yù)定的直流電壓。此直流電壓被輸入到微型計(jì)算機(jī)45內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器49，它在那里被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后再被輸出至處理單元48。處理單元48利用從A/D轉(zhuǎn)換器49輸入的數(shù)字值作為轉(zhuǎn)換系數(shù)，從所述計(jì)數(shù)值計(jì)算傳感器41的電容。
在圖2所示的檢測(cè)電路中，振蕩單元42將傳感器41的電容變化轉(zhuǎn)換成頻率的變化。然后，計(jì)數(shù)器47計(jì)數(shù)來自振蕩單元42的頻率信號(hào)的波數(shù)，可將傳感器41的電容變化顯示為數(shù)字信號(hào)。
然而，在圖2所示的檢測(cè)電路中，在運(yùn)算放大器42a等的輸入端不可避免地要形成寄生電容。因此，當(dāng)必須使用具有極小電容的傳感器41時(shí)，由于寄生電容的影響，傳感器41的電容變化不會(huì)引起足以看得出的輸出信號(hào)頻率改變。特別是在為顯示傳感器41電容的變化而計(jì)數(shù)振蕩單元42在預(yù)定時(shí)間內(nèi)輸出信號(hào)的波數(shù)的方法中，只有超過一定程度的頻率變化才最終表示波數(shù)的變化。于是，這就引出在振蕩頻率變化未達(dá)到該程度時(shí)，難于找準(zhǔn)傳感器41電容變化的問題。為了解決上述問題，就企圖使振蕩單元42的振蕩頻率較高，并使用非常高速的計(jì)數(shù)器47。但結(jié)果將會(huì)引起電路的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，并因此而使裝置更為昂貴。此外，當(dāng)在分立的芯片上形成振蕩單元42的運(yùn)算放大器42a和傳感器41時(shí)，所述寄生電容會(huì)變得相當(dāng)大。因此，這種增大的寄生電容將使得振蕩單元42難于產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩。
另外，在圖2所示的檢測(cè)電路中，必須將被計(jì)數(shù)的波數(shù)變化轉(zhuǎn)換成在處理單元48中經(jīng)過數(shù)字處理的電容值的變化。然而，上述振蕩單元42的振蕩頻率難于表現(xiàn)出與傳感器41的電容值的簡(jiǎn)單正比關(guān)系。換言之，為了實(shí)時(shí)表現(xiàn)傳感器41電容的變化，處理單元48中必須在高速下進(jìn)行諸如平方運(yùn)算和求逆運(yùn)算等復(fù)雜運(yùn)算。因此，除非采用特別昂貴和高性能的微型計(jì)算機(jī)，處理單元48的大部分能力將完全被用于這些運(yùn)算。
本發(fā)明用于解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種使用振蕩單元的檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法，其輸出頻率可靠地隨阻抗，如傳感器的電容而變化。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種使用振蕩單元的檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法，其輸出頻率基本上正比于阻抗，如傳感器的電容而變化。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法，能恒定地獲得傳感器電容的變化，而無損于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，也無損于傳感器電容的值和寄生電容的值的考慮。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種使用振蕩單元的檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法，其輸出頻率隨傳感器電容變化，其中為使振蕩輸出幅值的變化不影響電容值的檢測(cè)，可使振蕩單元提供方波。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的檢測(cè)傳感器阻抗的裝置，其中的阻抗隨至少一個(gè)傳感器所檢測(cè)的物理量變化，所述裝置包括用于將傳感器阻抗轉(zhuǎn)換成振蕩信號(hào)的阻抗-頻率轉(zhuǎn)換單元，所述振蕩信號(hào)的頻率與傳感器阻抗對(duì)應(yīng)；還包括用于計(jì)數(shù)預(yù)定時(shí)間內(nèi)的振蕩信號(hào)波數(shù)以便輸出計(jì)數(shù)值的計(jì)數(shù)器；其中所述阻抗-頻率轉(zhuǎn)換單元包括具有傳感器阻抗的振蕩器，用于產(chǎn)生方波信號(hào)，作為振蕩信號(hào)。
在上述裝置中，振蕩器最好是維恩橋式振蕩器，它包括具有可變?cè)鲆娴姆糯笃骱头糯笃鞯恼答侂娐?，其中正反饋電路包括電阻或電容，作為傳感器的阻抗，并選擇所述放大器增益與所述反饋電路的正反饋比之積大于或等于1。另外，最好使傳感器阻抗的一端連到一個(gè)參考電位上。
上述裝置還可進(jìn)一步包括附加的傳感器和計(jì)數(shù)器，其中阻抗-頻率轉(zhuǎn)換單元還包括多個(gè)各自帶有附加傳感器阻抗的附加振蕩器，用以對(duì)每個(gè)附加計(jì)數(shù)器產(chǎn)生方波信號(hào)，作為附加振蕩信號(hào)，附加振蕩信號(hào)的頻率分別與附加傳感器阻抗對(duì)應(yīng)。在本裝置中，最好使各傳感器構(gòu)成諧振器陣列。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種用于檢測(cè)傳感器阻抗的裝置，所述阻抗可響應(yīng)至少一個(gè)傳感器的被檢測(cè)物理量而變化，所述裝置包括阻抗-頻率轉(zhuǎn)換單元，用以將傳感器阻抗轉(zhuǎn)換成振蕩信號(hào)，其頻率與傳感器阻抗對(duì)應(yīng)；該裝置還包括計(jì)數(shù)器，用以計(jì)數(shù)預(yù)定時(shí)間內(nèi)的振蕩信號(hào)的波數(shù)，以便輸出一計(jì)數(shù)值。其中所述阻抗-頻率轉(zhuǎn)換單元包括阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器，用以提供與傳感器阻抗對(duì)應(yīng)的輸出電壓，此單元還包括帶可變阻抗元件的振蕩器，所述元件的阻抗隨阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓變化，用以產(chǎn)生振蕩信號(hào)。另外，振蕩信號(hào)的頻率取決于所述元件的變化的阻抗。
第二方面的裝置最好包括一個(gè)位于阻抗-電壓轉(zhuǎn)換單元與振蕩器之間的電壓附加單元，用以給阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓附加一個(gè)預(yù)定的直流電壓。附加的電壓被提供給振蕩器的可變阻抗元件。
在第二方面的裝置中，最好由第一MOSFET的漏極-源極電阻形成振蕩器的可變阻抗元件，此電阻可因加給柵極的電壓而變化，而且電壓加法單元包括第二MOSFET，其柵極被連接成接收與傳感器阻抗對(duì)應(yīng)的輸出電壓，其漏極被連接到可變負(fù)載電阻，以便對(duì)第一MOSFET的柵極提供一附加電壓。
在第二方面的裝置中，最好傳感器阻抗是電容，而且阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器包括(a)第一運(yùn)算放大器，該放大器有被連接成通過一個(gè)電阻接收來自可變電壓發(fā)生器的輸入電壓，并通過彼此并聯(lián)連接之電阻和第一開關(guān)連到它的輸出端的反相輸入端，還有被連接成通過傳感器阻抗接收輸入電壓并通過一個(gè)開關(guān)接收參考電壓的同相輸入端，其中在所述開關(guān)被斷開時(shí)輸入電壓是可變的，(b)第二運(yùn)算放大器，此放大器有被連接成通過一個(gè)電阻接收來自可變電壓發(fā)生器的輸入電壓，并通過彼此并聯(lián)之電阻和第二開關(guān)連到它的輸出端的反相輸入端，還有被連到參考電壓線端的同相輸入端，以及(c)第三運(yùn)算放大器，它有被連接成接收第一運(yùn)算放大器輸出電壓的同相輸入端，和被連接成接收第二運(yùn)算放大器輸出電壓并通過彼此并聯(lián)的可變電阻和第三開關(guān)被連到輸出端的反相輸入端，其中所述輸出端被連到第二MOSFET的柵極，第一至第三開關(guān)被接通，以復(fù)位阻抗-電壓轉(zhuǎn)換單元，并在開始阻抗測(cè)試之前斷開第一至第三開關(guān)。在復(fù)位或初始化周期，接通第一至第三開關(guān)，而在開始測(cè)試周期之前，斷開它們。
按照本發(fā)明，一種檢測(cè)傳感器電容的方法，所述電容響應(yīng)傳感器所檢測(cè)之物理量而變化，包括以下步驟(a)將傳感器的電容轉(zhuǎn)換成與之相應(yīng)的電壓，(b)響應(yīng)所轉(zhuǎn)換的電壓改變?cè)淖杩梗?c)從振蕩器產(chǎn)生頻率信號(hào)，此信號(hào)響應(yīng)元件的阻抗而變化，(d)計(jì)數(shù)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)來自振蕩器的頻率信號(hào)的波數(shù)，從而將傳感器電容轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的振蕩頻率信號(hào)。
圖1是表示現(xiàn)有技術(shù)用于檢測(cè)傳感器電容之檢測(cè)電路的方框圖；圖2是表示另一種現(xiàn)有技術(shù)用于檢測(cè)傳感器電容之檢測(cè)電路的方框圖；圖3是示意性地表示本發(fā)明用于檢測(cè)傳感器電容之檢測(cè)電路的方框圖；圖4表示圖3所示裝置的振蕩信號(hào)產(chǎn)生單元所用維恩橋式振蕩器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)；圖5是表示圖4所示維恩橋式振蕩器之模擬實(shí)例的閉環(huán)增益與振蕩頻率之間關(guān)系的曲線；圖6是與各閉環(huán)增益有關(guān)的曲線，每條曲線表示圖4所示模擬實(shí)例維恩橋式振蕩器的傳感器電容與振蕩頻率之間的關(guān)系；圖7是諧振器陣列結(jié)構(gòu)的傳感器平面視圖；圖8是表示圖7所示模擬實(shí)例諧振器陣列的振蕩頻率與幅值之間關(guān)系的曲線；圖9是部分圖7所示諧振器陣列的示意截面圖；圖10是表示諧振器陣列的傳感器電容變化的曲線；圖11是使用圖7所示諧振器陣列和圖4所示振蕩器的傳感器電容檢測(cè)裝置的方框圖；圖12和13表示可用作圖3所示裝置之振蕩信號(hào)發(fā)生單元的振蕩器的電路圖；圖14是表示圖3所示裝置之振蕩信號(hào)發(fā)生單元的另一種結(jié)構(gòu)方框圖；圖15表示用于說明圖14中振蕩信號(hào)發(fā)生單元的操作的時(shí)間特性曲線；圖16是表示圖14所示電壓輸出電路模擬實(shí)例的傳感器電容與輸出電壓之間關(guān)系的曲線；圖17是圖16所示曲線的放大曲線；圖18是表示在圖14所示電壓輸出電路的一個(gè)實(shí)施例中所得的傳感器電容與輸出電壓之間關(guān)系的曲線；圖19是表示在圖14所示振蕩信號(hào)發(fā)生單元模擬實(shí)例中傳感器電容與振蕩頻率之間關(guān)系的曲線。
圖3是一般性地表示本發(fā)明檢測(cè)系統(tǒng)的方框圖，包括檢測(cè)裝置1和數(shù)字信號(hào)處理裝置2。檢測(cè)裝置1包括具有傳感器8的振蕩信號(hào)發(fā)生單元3和計(jì)數(shù)器4，它提供與被傳感器8轉(zhuǎn)換之物理量對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，此信號(hào)可由數(shù)字信號(hào)處理裝置2直接處理。數(shù)字信號(hào)處理裝置2包括峰值保持單元5、電容轉(zhuǎn)換單元6和幅值檢測(cè)單元7，并根據(jù)計(jì)數(shù)器4所提供的信號(hào)識(shí)別由傳感器8轉(zhuǎn)換的物理量。電容轉(zhuǎn)換單元6是由峰值保持單元5提供的峰值電壓計(jì)算電容值的裝置。幅值檢測(cè)單元7是由電容轉(zhuǎn)換單元6的電容值計(jì)算諧振信號(hào)幅值的裝置。
圖4是與圖3所示檢測(cè)裝置1結(jié)合的振蕩信號(hào)發(fā)生單元3第一實(shí)施例的電路圖。所述單元3被做成維恩橋式振蕩器，它利用有頻率選擇能力的反饋電路網(wǎng)絡(luò)把正反饋用于放大器。具體地說，所述反饋電路網(wǎng)絡(luò)由包括電阻31和電容35的串聯(lián)電路的第一阻抗部分37和包含電阻32和電容36的并聯(lián)電路的第二阻抗部分38形成。此反饋電路網(wǎng)絡(luò)把正反饋加給運(yùn)算放大器9的同相輸入端或輸入點(diǎn)，同時(shí)，運(yùn)算放大器9的反相輸入端或輸入點(diǎn)被第三和第四電阻33和34加給負(fù)反饋。第二阻抗部分38有一端連到接地點(diǎn)39，它的電容36由圖3所示的傳感器8構(gòu)成。
在圖4所示的帶傳感器電容36的維恩橋式振蕩器3中，放大器的增益，即具有負(fù)反饋的閉環(huán)增益A可由下述方程表示A＝1+R4/R3 …(1)方程(1)中的R3和R4分別是電阻33和34的阻值。由于所述反饋電路網(wǎng)絡(luò)，包含傳感器電容的整個(gè)振蕩器的增益G被下述方程表示為閉環(huán)增益A與正反饋系數(shù)的積G＝(1+R4/R3)/(1+R1/R2+C2/C1) …(2)方程(2)中的R1和R2分別是電阻31和32的阻值，C1和C2分別是電容器35和36的電容。當(dāng)增益G基本上為“1”時(shí)，振蕩器3的振蕩頻率可由下式表示f＝1/(2π)*(C1*C2*R1*R2)-1/2…(3)一般地說，將振蕩器各元件的各常數(shù)設(shè)定得使增益G總是大于1。不過，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，在1之后增益G增加得較快，圖4中所示的維恩橋式振蕩器3的振蕩頻率f逐漸偏離方程式(3)所表示的理論值。預(yù)先對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)分析，明白這一現(xiàn)象部分是由于運(yùn)算放大器9的非線性等原因?qū)е碌摹?br>
圖5是表示振蕩頻率f與閉環(huán)增益A之間關(guān)系的曲線，圖4所示的振蕩器3的模擬實(shí)例中，閉環(huán)增益A與增益G成正比，這里假設(shè)R1＝R2＝R3＝50kΩ，C1＝100fF，C2＝50fF，R4是可變的。當(dāng)增益G等于1時(shí)，也即當(dāng)閉環(huán)增益A等于2.5時(shí)，本例中的振蕩頻率f接近45MHz。所得的45MHz的頻率基本上與由方程(3)算得的相等。然而，隨著閉環(huán)增益A從2.5逐漸增大時(shí)，所得的振蕩頻率f就逐漸變小，有如圖5所示者。
圖6是表示圖4所示振蕩器3的模擬實(shí)例中電容器36的電容C2與對(duì)于各閉環(huán)增益A的振蕩頻率f之間關(guān)系的曲線，其中設(shè)R1＝R2＝R3＝50kΩ，C1＝100fF。如圖6所示，只要C2接近或大于200fF，由于閉環(huán)增益A的變化，振蕩頻率f就不會(huì)非常大地改變。另一方面，當(dāng)C2小于約200fF時(shí)，頻率f的變化對(duì)C2的變化之比隨閉環(huán)增益A的不同值而較大地改變。例如，采用C2＝300fF，則當(dāng)A是2.5時(shí)，頻率f為1.84MHz；而當(dāng)A為11時(shí)，頻率f是11.83MHz，兩種情況之間并未表現(xiàn)明顯的差異。然而，若C2在從200fF到10fF的范圍內(nèi)，當(dāng)A＝2.5時(shí)，頻率f則從22.5MHz到100MHz大范圍變化，而當(dāng)A＝11時(shí)，頻率f則在從13.98MHz到19.86MHz范圍較大地變化。因此，通過改變閉環(huán)增益A，能夠調(diào)節(jié)靈敏度，即振蕩頻率的變化對(duì)電容C2的變化之比。利用電阻33或34的可變阻值，或者通過用其它電阻替換這些電阻，可使閉環(huán)增益A改變。
可將圖3中所示的傳感器8(或圖4中所示的電容36)構(gòu)成諧振器陣列。圖7是可用于此前已由本發(fā)明或其它所提出的本發(fā)明檢測(cè)系統(tǒng)的諧振器陣列20的平面圖。陣列22包括由單獨(dú)一個(gè)橫梁23和多個(gè)豎梁24連接的第一膜片21和第二膜片22，所述多個(gè)豎梁的長(zhǎng)度互不相同，并按預(yù)定的間隔平行排列，而且基本上與橫梁23正交。
諧振器陣列20構(gòu)成模擬地替代人耳系統(tǒng)，其一般的動(dòng)作情況如下。當(dāng)給第一膜片21提供可聽頻帶的振動(dòng)信號(hào)時(shí)，此振動(dòng)信號(hào)從第一膜片21通過橫梁23傳到第二膜片22。在傳送過程中，每個(gè)豎梁24按它們各自的諧振頻率開始振動(dòng)。換句話說，豎梁24從被傳送的振動(dòng)信號(hào)吸收基本上與它們各自的諧振頻率相符的頻率分量而振動(dòng)，從而輸入的振動(dòng)信號(hào)被分成各自的頻率分量。圖8是表示各豎梁24處振動(dòng)幅值作為頻率f之函數(shù)的曲線。正如從此曲線也可清楚看出的，當(dāng)檢測(cè)某些豎梁24的振動(dòng)振幅時(shí)，可以從輸入到第一膜片21的振動(dòng)信號(hào)分離出并顯示多種頻率分量。
圖9是被設(shè)計(jì)用來檢測(cè)一個(gè)豎梁24的機(jī)械振動(dòng)振幅W的傳感器8的示意截面圖。如圖9所示，傳感器8包括位于豎梁24底面上的梁電極25，和面對(duì)此梁電極25的靜止電極26。采用這種結(jié)構(gòu)，梁電極25與靜止電極26之間形成一個(gè)電容器。兩個(gè)電極25和26之間的距離D隨豎梁24的振動(dòng)而改變，此電容器的電容又以反比方式隨距離D變化。傳感器8的這種結(jié)構(gòu)方式，即按照所檢測(cè)的機(jī)械振動(dòng)而改變它的電容。因此，圖9所示的傳感器8可被用為圖4所示振蕩器3中的電容器36。
圖10是表示由圖9所示傳感器8形成的電容器36的電容C2作為時(shí)間函數(shù)變化的曲線。如圖10所示，電容器36的電容C2在最大電容Cmax與最小電容Cmin之間以周期方式變化，該周期與豎梁24的機(jī)械振動(dòng)周期T相符。當(dāng)電容器36表現(xiàn)出如圖10所示之變化的電容C2的時(shí)候，振蕩頻率f響應(yīng)閉環(huán)增益A而變，有如圖6所示者。具體地說，振蕩頻率f取與最大電容Cmax對(duì)應(yīng)的最小頻率fmin，和與最小電容Cmin對(duì)應(yīng)的最大頻率fmax。
如上所述，將圖4中振蕩器3的各元件設(shè)定成使增益G總是大于1。因此，振蕩器3的振蕩幅值輸出隨通電時(shí)間單調(diào)增加，隨之而來的是，從振蕩單元3的輸出端10(見圖4)輸出一個(gè)脈沖振蕩波形信號(hào)，在電源電壓下其幅值飽和。圖3所示的計(jì)數(shù)器4接收此脈沖波形信號(hào)，并計(jì)數(shù)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)信號(hào)中所含脈沖或波的數(shù)目(或波數(shù))。可由簡(jiǎn)單電路，如帶清除功能的普通二進(jìn)制計(jì)數(shù)器等實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器4。具體地說，計(jì)數(shù)器4接收脈沖波形信號(hào)作為輸入時(shí)鐘信號(hào)，還接收具有預(yù)定周期的清除信號(hào)用以復(fù)位計(jì)數(shù)器4，并對(duì)預(yù)定的周期計(jì)數(shù)所述時(shí)鐘信號(hào)。結(jié)果，如果計(jì)數(shù)器輸出一個(gè)比如8位二進(jìn)制信號(hào)，則計(jì)數(shù)器就可輸出255個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。因此，可將振蕩頻率f轉(zhuǎn)換成由二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)表示的計(jì)數(shù)器4的計(jì)數(shù)值，于是可將計(jì)數(shù)值直接輸入圖3所示的數(shù)字信號(hào)處理裝置2。有如前面參照?qǐng)D3所描述的那樣，數(shù)字信號(hào)處理裝置2包括峰值保持單元5、電容轉(zhuǎn)換器6和幅值檢測(cè)單元7。雖然可由專用處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理裝置2，但也可以采用微型計(jì)算機(jī)，用于附帶地實(shí)現(xiàn)其它控制等。
從計(jì)數(shù)器4輸入的計(jì)數(shù)值具有與最小頻率fmin對(duì)應(yīng)，因此也與圖10中的最大電容Cmax對(duì)應(yīng)的最小計(jì)數(shù)值CNTmin，還具有與最大頻率fmax對(duì)應(yīng)，因此也與圖10中的最小電容Cmin對(duì)應(yīng)的最大計(jì)數(shù)值CNTmax。于是，峰值保持單元5檢測(cè)最小計(jì)數(shù)值CNTmin和最大計(jì)數(shù)值CNTmax，并將它們保持在單元5中的寄存器中。
電容轉(zhuǎn)換單元6將最大計(jì)數(shù)值CNTmax轉(zhuǎn)換成最小電容Cmin，而將最小計(jì)數(shù)值CNTmin轉(zhuǎn)換成最大電容Cmax。為實(shí)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)換，以響應(yīng)圖4所示振蕩器3的閉環(huán)增益A的方式，預(yù)先已將圖6所示的電容C2與振蕩頻率f之間的相互關(guān)系，也即電容C2與計(jì)數(shù)器4的計(jì)數(shù)值之間的相互關(guān)系存入設(shè)于數(shù)字信號(hào)處理裝置2中的存儲(chǔ)器內(nèi)。因而，利用計(jì)數(shù)值CNTmax和CNTmin選址，可從所述存儲(chǔ)器檢索電容C2，從而能夠?qū)崿F(xiàn)所述轉(zhuǎn)換。
因此，根據(jù)圖9所示的二電極25和26間的距離D可以依次得出電容的Cmax和Cmin。下一步，幅值檢測(cè)單元7將最大電容Cmax轉(zhuǎn)換成最小距離Dmin，而將最小電容Cmin轉(zhuǎn)換成最大距離Dmax。雖然類似于上述方式，利用數(shù)字信號(hào)處理裝置2中設(shè)置的存儲(chǔ)器也能實(shí)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)換，但可從表示所述電容器的電極間距離與其電容值之間關(guān)系的方程計(jì)算最小和最大距離。通過計(jì)算最大距離Dmax與最小距離Dmin之間的差，可以顯示豎梁24的振幅W，從而使之能夠檢測(cè)被加給諧振器陣列20的膜片21的振動(dòng)信號(hào)中具有特定頻率分量的信號(hào)的幅值。
如上所述，諧振器陣列20把一個(gè)輸入的振動(dòng)信號(hào)分成多個(gè)頻率分量，而且并行地輸出這些頻率分量作為在豎梁24處具有振幅W的多個(gè)機(jī)械振動(dòng)。因此，為了實(shí)時(shí)地檢測(cè)輸入的振動(dòng)信號(hào)中所包含的各頻率分量，必須通過上述途徑并行地計(jì)算豎梁24的振幅W。圖11是表示被設(shè)計(jì)用來檢測(cè)振幅W的裝置的部分方框圖。圖11中的每個(gè)電路11都與圖4中所示電路方框35相同，因而除去電容器36外，也與振蕩電路單元3相同。諧振器陣列20由電連接的多個(gè)導(dǎo)電元件制成，其中一部分被連到接地端39。彼此并行排列的電路11的輸入端12被連到各豎梁24引導(dǎo)端處的那些面對(duì)電極25的靜止電極26。采用這種結(jié)構(gòu)，以類似于參照?qǐng)D4所說明的方式，各電路11的輸出端10以同樣的方式輸出多個(gè)脈沖信號(hào)，使得這些信號(hào)被輸入計(jì)數(shù)器4。按照這種方式，可按對(duì)各頻率分量為同樣的方式得到各個(gè)幅值。
在采用圖4所示振蕩器3的檢測(cè)裝置1和計(jì)數(shù)器4中，電容器36的傳感器電容值C2作為以二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)表示的計(jì)數(shù)值被輸出。由于此計(jì)數(shù)值可以像它們?cè)跀?shù)字信號(hào)處理裝置2時(shí)那樣被加工，所以任何所需要的A/D轉(zhuǎn)換器都可被省略。特別是當(dāng)采用圖11所示的諧振器陣列時(shí)，由于豎梁24的振幅W作為數(shù)字計(jì)數(shù)值被輸出，所以可以省略多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，從而使結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。
在采用圖4所示振蕩器3的檢測(cè)裝置1和計(jì)數(shù)器4中，振蕩器3的增益G被設(shè)定得大于1，使得從它的輸出端10輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。通過確定各波超過一個(gè)預(yù)定的閾值電壓的時(shí)間點(diǎn)，計(jì)數(shù)器4計(jì)數(shù)波的數(shù)目。因此，采用振蕩單元3的脈沖輸出信號(hào)，就可以防止因從振蕩單元3輸出的幅值變化各確定的時(shí)間點(diǎn)沿時(shí)間軸方向移動(dòng)。當(dāng)產(chǎn)生脈沖輸出信號(hào)的諧振器3被用為電路11時(shí)，因?yàn)楸苊饬舜_定的時(shí)間點(diǎn)的移動(dòng)，所以能精確地顯示豎梁24的振幅值W。另外，振蕩器3的輸出信號(hào)總是脈沖信號(hào)，這種脈沖信號(hào)為電源電壓所飽和。因而，即使存在干擾、隨時(shí)間而起的質(zhì)量變化、有幾部分振動(dòng)等，輸出信號(hào)的幅值將超過所述閾值電壓，而不會(huì)減弱。于是，避免了計(jì)數(shù)器4發(fā)生錯(cuò)誤。
當(dāng)維恩橋式振蕩器3的振蕩頻率f響應(yīng)電容C2的變化而改變時(shí)，利用計(jì)數(shù)器4的工作速度可限制頻率f變化的誤差。這是因?yàn)楫?dāng)頻率f過高時(shí)，對(duì)于計(jì)數(shù)器4而言，難于計(jì)數(shù)每個(gè)脈沖而無遺漏。另一方面，由于電容C2的改變量由傳感器8的特性確定，所以為了調(diào)整振蕩頻率f的變化范圍而控制電容C2一般地說是困難的。不過，在檢測(cè)裝置1中，可以根據(jù)計(jì)數(shù)器4的工作速度，通過改變振蕩器3的閉環(huán)增益A調(diào)整振蕩頻率f的變化范圍。進(jìn)而，由于只要增益G等于或大于1，就總是輸出同樣的脈沖波形，所以能夠調(diào)整所述變化范圍而不會(huì)引起任何其它的麻煩。
在檢測(cè)裝置1的振蕩器3中，一端連到接地端39的電容器36由傳感器8構(gòu)成。所以當(dāng)有多個(gè)傳感器8與電路11一起被使用，形成如圖11所示的振蕩器3時(shí)，可將每個(gè)傳感器8的一端連到一條公用線上。如果類似于諧振器陣列20那樣，在一個(gè)硅片上形成多個(gè)傳感器8，可以毫不費(fèi)力地形成這些傳感器，其中每一個(gè)預(yù)先都有一端互相連接。因此，如果這些傳感器8被用來形成多個(gè)振蕩器3，則可將各傳感器的互相連接端在一點(diǎn)處連到接地線39。這就排除了把每個(gè)傳感器8的一端分別連到接地線39的麻煩操作，從而使得能夠使檢測(cè)裝置1的結(jié)構(gòu)明顯地簡(jiǎn)單。
如果檢測(cè)裝置1只有單獨(dú)一個(gè)具有傳感器8的振蕩器3，可將圖4中的其它電子元件，如電子31或電容35構(gòu)成為用以確定振蕩頻率f的傳感元件8。另外，所有這些電子元件可構(gòu)成傳感元件8。
在上面的具體實(shí)施例中，傳感器8被形成為電容器36，它的電容C2因被檢測(cè)的物理量的變化而改變。然而，傳感器8并不限于上述這種。另外，比如可以利用傳感器8，它的電阻值因被檢測(cè)之物理量的變化而改變。再有，當(dāng)諧振器陣列20(圖7和9)作為多個(gè)傳感器8因所檢測(cè)的機(jī)械振動(dòng)而改變它的電子特性時(shí)，除了上述之外，可以使用多種傳感器8，它們因濕度、溫度、磁性、壓力、光、氣體、或任何其它物理量的改變而改變所述電子特性。
此外，振蕩器3也不限于維恩橋式振蕩器，其它類型的振蕩器也可用以替代。例如，也可采用有如圖12所示那樣的使用運(yùn)算放大器的方波振蕩器。在這種情況下，至少電容40和電阻41，42，43中的任何一個(gè)均可構(gòu)成為傳感器8，結(jié)果，由傳感器8檢測(cè)的物理量的變化可以作為方波振蕩信號(hào)的基波頻率的變化而被輸出。另外，可以使用如圖13所示的采用CMOS施密特電路44的方波振蕩器。在這種情況下，當(dāng)至少電容46和電阻45中之一被構(gòu)成為傳感器8時(shí)，由此傳感器8所檢測(cè)的物理量的變化可被作為方波振蕩信號(hào)的基波頻率的變化被輸出。當(dāng)一端連到接地線39的元件，如圖12或13中的電容40或電容46被構(gòu)成為傳感器8，并使檢測(cè)裝置1構(gòu)成為包括多個(gè)振蕩單元3(所述振蕩單元3包括多個(gè)并行排列的傳感器8)時(shí)，可使所述裝置明顯地被簡(jiǎn)化，因?yàn)轭A(yù)先可在硅芯片上的一點(diǎn)處將各傳感器8的一端一起連到接地線，就像諧振器陣列20的情況那樣。代替各傳感元件的一端連到接地線，還可以將它們連到另一個(gè)參考電位線，如正的或者負(fù)的電源線上，以此可使裝置簡(jiǎn)化。
另一種不同的振蕩器可被用于檢測(cè)裝置1中，當(dāng)利用LC振蕩單元時(shí)，可以采用這種因被檢測(cè)之物理量的變化而改變其阻抗的傳感器。另外，甚至可以利用一種振蕩單元，這種振蕩單元給出幅值比電源電壓小的脈沖信號(hào)，或者如果振幅大于一個(gè)閾值電壓，它給出正弦波形信號(hào)。
利用圖4中所示的每個(gè)振蕩器3和圖7中所示作為傳感器8的諧振器陣列，構(gòu)成檢測(cè)裝置1的一種實(shí)施例。每個(gè)振蕩單元3的各元件的常數(shù)如下R1＝R2＝R3＝50kΩ，R4＝500kΩ和C1＝100fF。于是，閉環(huán)增益A被計(jì)算為11。計(jì)數(shù)器4計(jì)數(shù)波數(shù)的周期(參考時(shí)間段)被選為6.7μS。
在這個(gè)試驗(yàn)裝置中，將5KHz的正弦波作為檢測(cè)信號(hào)加給諧振器陣列20的第一膜片21。結(jié)果，在5KHz正弦波每個(gè)周期的30個(gè)點(diǎn)處計(jì)數(shù)波數(shù)的情況下，最大計(jì)數(shù)值CNTmax為134，最小計(jì)數(shù)值CNTmin為78。由這些計(jì)數(shù)值CNTmax和CNTmin得到最大頻率fmax＝20.0MHz，而最小頻率fmin＝11.6MHz。由它們進(jìn)一步又得到電容器36的電容C2從最小電容Cmin等于10fF(Cmin＝10fF)變到最大電容Cmax等于500fF(Cmax＝500fF)。然后如上所述，根據(jù)這些電容Cmin和Cmax可以顯示諧振器陣列20中形成的豎梁24的振幅W。采用被選為11的閉環(huán)增益A，振蕩頻率f的變化范圍從11.6MHz延伸到20.0MHz，這就提供一個(gè)足以能由一般意義的高速CMOS-IC計(jì)數(shù)器等計(jì)數(shù)的頻率范圍。進(jìn)而，即使是平均，由于波的計(jì)數(shù)1對(duì)應(yīng)于大約等于9fF的電容變化，所以能以足夠的靈敏度實(shí)現(xiàn)所述檢測(cè)。另外，由于可由具有8位二進(jìn)制輸出的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)波數(shù)，所以還可使計(jì)數(shù)器4的結(jié)構(gòu)得以被簡(jiǎn)化。
圖14是表示本發(fā)明圖3所示檢測(cè)裝置1的振蕩信號(hào)發(fā)生單元3另一個(gè)實(shí)施例的方框圖，它包括可變電壓發(fā)生器60、電壓輸出電路70、電壓加法電路80、振蕩器90和控制單元(未示出)。振蕩器90從輸出端OUT9對(duì)圖4所示的計(jì)數(shù)器4提供一個(gè)振蕩輸出信號(hào)Fout，并且計(jì)數(shù)器4依次計(jì)數(shù)在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)信號(hào)Fout的波的數(shù)目(或波數(shù))?？刂茊卧刂瓶勺冸妷喊l(fā)生器60、電壓輸出電路70和振蕩器90。可變電壓發(fā)生器60產(chǎn)生電壓Vh或Vh+ΔV，作為對(duì)電壓輸出電路70的輸入端IN7的輸入電壓Vin?？刂茊卧刂齐妷狠敵鲭娐?0和振蕩器90中的開關(guān)接通/斷開?？刂茊卧梢钥刂朴?jì)數(shù)器4的復(fù)位或清除操作(圖3)。
電壓輸出電路70包括第一到第三運(yùn)算放大器OP4-OP6。電阻Ri1被接在第一運(yùn)算放大器OP4的電壓輸入端或輸入點(diǎn)(Vin)與反相輸入端或輸入點(diǎn)之間，而包含彼此并聯(lián)連接之電阻Rf1和開關(guān)SW11的反饋電路被連到第一運(yùn)算放大器OP4的輸出端或輸出點(diǎn)與反相輸入端之間。傳感器8因被檢測(cè)的物理量(如壓力、振動(dòng)、溫度、氣體密度等)的變化而改變其電容，它被連接在運(yùn)算放大器OP4的同相輸入端或輸入點(diǎn)與電壓輸入端IN7之間。所述同相輸入端經(jīng)開關(guān)SW12被連到(提供參考電位Vh的)參考電位線端Vh。于是，上述這些元件構(gòu)成電容/電壓轉(zhuǎn)換電路，用以將傳感器8的電容Cs轉(zhuǎn)換成輸出電壓V1。
電阻Ri2被接在第二運(yùn)算放大器OP5的反相輸入端或輸入點(diǎn)與電壓輸入端IN7之間，而包含彼此并聯(lián)連接之電阻Rf2和開關(guān)SW13的反饋電路被接在第二運(yùn)算放大器OP5的輸出端或輸出點(diǎn)與反相輸入端之間。運(yùn)算放大器OP5的同相輸入端或輸入點(diǎn)被連到參考電位線端Vh。
第一運(yùn)算放大器OP4的輸出端通過彼此串聯(lián)連接的分壓電阻Rh3和Rg3被連到參考電位端Vh，二分壓電阻的連接點(diǎn)被連到第三運(yùn)算放大器OP6的同相輸入端或輸入點(diǎn)。電阻Rh3具有固定的阻值，而電阻Rg3形成為體積(電阻)并具有可變的阻值。第二運(yùn)算放大器OP5的輸出端通過電阻Ri3被連到第三運(yùn)算放大器OP6的反相輸入端或輸入點(diǎn)。包含彼此并聯(lián)連接之可變電阻Rf3和開關(guān)SW14的反饋電路被接在運(yùn)算放大器OP6的輸出端或輸出點(diǎn)與反相輸入端之間。
電壓加法電路80包括一個(gè)比如N-溝道增強(qiáng)型MOS晶體管T29。晶體管T29的柵極連到電壓輸出電路70的輸出端或輸出點(diǎn)，即把運(yùn)算放大器OP6的輸出端連到晶體管T29的柵極。晶體管T29的源極接到地。晶體管T29的漏板連到通過負(fù)載可變電阻Rlev提供電壓+VDD的正電源線端VDD，并因此而用作電壓加法電路80的輸出端或輸出點(diǎn)。
振蕩器90實(shí)際上被形成為維恩橋式振蕩器。也就是彼此串聯(lián)連接的電阻Rw1和電容Cw1被接在第四運(yùn)算放大器OP7的同相輸入端或輸入點(diǎn)與輸出端或輸出點(diǎn)之間。開關(guān)SW15與Rw1-Cw1串聯(lián)電路并聯(lián)連接。電容器Cw2和其漏極與源極與電容器Cw2并聯(lián)連接的MOS晶體管T30被連在第四運(yùn)算放大器OP7的同相輸入端與參考電位線端Vh之間。電阻Rw1和電容Cw1、Cw2，以及晶體管T30的漏-源電阻構(gòu)成維恩橋式振蕩器的CR反饋電路網(wǎng)絡(luò)。晶體管T30與晶體管T29為相同類型(即N溝道增強(qiáng)型)。晶體管T30的柵極連到電壓加法電路80的輸出端，即晶體管T29的漏極。另外，電阻Rw2接在運(yùn)算放大器OP7的反相輸入端與參考電位線端Vh之間，電阻Rw3接在放大器OP7的反相輸入端與輸出端之間。運(yùn)算放大器OP7的輸出端連到振蕩器90的輸出端或輸出點(diǎn)。
來自振蕩器90的信號(hào)Fout被提供給計(jì)數(shù)器4(圖3)，在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)，信號(hào)Fout的波被該計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。有如上面參照?qǐng)D3所述者，計(jì)數(shù)器4可以是一個(gè)帶清除端的普通二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用以接收來自輸出端OUT9的信號(hào)Fout，作為輸入時(shí)鐘信號(hào)，直到每個(gè)預(yù)定的時(shí)間段把清除信號(hào)從控制單元加給清除端之前，所述計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)信號(hào)的波數(shù)，然后在比如清除時(shí)刻之前，立刻輸出所得的計(jì)數(shù)值。這樣，計(jì)數(shù)器4就可輸出一個(gè)與信號(hào)Fout的頻率對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制信號(hào)。
各個(gè)參考線端Vh都被連到同一電壓線，以提供相同的電壓Vh。
控制單元可由比如微型計(jì)算機(jī)或驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)?？刂茊卧蓪?duì)開關(guān)SW11、SW12、SW13、SW14、SW15的開關(guān)控制端SW11a、SW12a、SW13a、SW14a、SW15a提供相同的控制信號(hào)CTRL，使它們?cè)谕粫r(shí)刻被接通或斷開?？刂茊卧€控制電壓發(fā)生器60產(chǎn)生電壓Vh或Vh+ΔV，作為對(duì)輸入端IN7的輸入電壓Vin。
接下去將說明圖14所示振蕩單元3的工作過程。圖15是表示由控制單元加給各個(gè)開關(guān)SW11-SW15之開關(guān)控制端SW11a-SW15a的控制信號(hào)CTRL狀態(tài)、輸入給電壓輸入端IN7的電壓Vin和由輸出端OUT9輸出的信號(hào)Fout的時(shí)間特性。直到時(shí)刻T1，控制單元提供處于高電平的控制信號(hào)CTRL，以維持所有的開關(guān)SW11-SW15接通。當(dāng)這些開關(guān)處于接通狀態(tài)時(shí)，控制單元控制可變電壓發(fā)生器60，對(duì)電壓輸入端IN7提供電壓Vin＝Vh。進(jìn)而，由于各開關(guān)的接通狀態(tài)，運(yùn)算放大器OP4-OP7的輸出端處于參考電位Vh，因此來自輸出端OUT9的輸出信號(hào)Fout被保持在Vh。因此，使振蕩單元3被初始化。結(jié)果，還能夠由控制單元自身使電壓輸入端IN7被加以參考電位Vh，同時(shí)提供在電壓輸入端IN7與控制單元之間建立高阻抗的條件。
接下去在時(shí)刻T1，控制單元使控制信號(hào)CTRL變?yōu)榈碗娖剑斐筛鱾€(gè)開關(guān)SW11-SW15斷開。在開關(guān)SW11-SW15斷開狀態(tài)期間，第一運(yùn)算放大器OP4的輸出電壓V1由下述方程表示V1＝-(Rf1/Ri1)(Vin-Vp1)+Vp1 …(4)其中Vp1是放大器OP4的同相輸入端處的電壓。當(dāng)Rf1與Ri1相同，或Rf1/Ri1＝1時(shí)，上述方程(4)變成V1＝-Vin+2Vp1 …(5)第二運(yùn)算放大器OP5的輸出電壓V2由以下方程表示；同時(shí)給出Rf2/Ri2＝1V2＝-(Rf2/Ri2)(Vin-Vh)+Vh＝-Vin+2Vh …(6)第三運(yùn)算放大器OP6的輸出電壓值Vout由以下方程表示Vout＝K(V1-V2)+Vh …(7)(其中K＝Rg3/Rh3＝Rf3/Ri3)接下去在時(shí)刻T1+ΔT，從可變電壓發(fā)生器60給電壓輸入端IN7的電壓Vin從參考電位Vh變到較高的預(yù)定電壓Vh+ΔV。由于這個(gè)電路中的電壓均被處理成與參考電位Vh不同，所以在下面的描述中假設(shè)Vh＝0。由于Vh＝0，第一運(yùn)算放大器OP4的同相輸入端處的電壓Vp1由下式表示Vp1＝ΔV*Cs/(Cs+Cp) …(8)
這里的Cp是在傳感器8與運(yùn)算放大器OP4之間的連接處形成的寄生電容。然后，將方程(7)分別代入前面的方程(4)和(5)中，其中Vh＝0，可得下式V1＝-Vin+2ΔV*Cs/(Cs+Cp)V2＝-Vin將這些方程代入方程(6)，可以得到電壓輸出電路70的輸出電壓Vout如下Vout＝2K*ΔV*Cs/(Cs+Cp) …(9)當(dāng)傳感器8和第一運(yùn)算放大器OP4各自形成于分立的芯片上時(shí)，在所述二者的連接部分處形成的寄生電容Cp一般落在1pF到大約100pF或更大的范圍內(nèi)。另一方面，由于傳感器8的電容Cs通常在大約1fF到幾百fF范圍，并因此而Cp＞＞Cs成立，所以方程(9)中的Cs/(Cs+Cp)接近于Cs/Cp。因此，電壓輸出電路70的輸出電壓Vout可表示為Vout＝2K*ΔV*Cs/Cp …(10)正如從方程(10)所能清楚地看到的，電壓輸出電路70產(chǎn)生與傳感器8的電容Cs成正比的輸出電壓Vout。方程(10)表明，與傳感器電容Cs成正比的電壓可從第三運(yùn)算放大器OP6得到。應(yīng)予說明的是，當(dāng)Vh不為0時(shí)，方程(10)變得較為復(fù)雜。由于在Vh≠0情況下的工作原理與Vh＝0的情況相同，所以省略表示Vh≠0情況下Vout的方程。
圖16是表示傳感器8的電容Cs與電壓輸出電路70模擬實(shí)例的輸出電壓Vout之間關(guān)系的曲線。圖17是表示圖16曲線局部放大視圖的曲線，其中傳感器8的電容Cs為100fF或更小。在這一模擬電路中，假設(shè)采用電阻Ri1＝Rf1＝Ri2＝Rf2＝Rh3＝Ri3＝10kΩ和可變電阻Rg3＝Rf3＝1MΩ，并假設(shè)將Rg3和Rf3調(diào)整為滿足Rg3/Rh3＝Rf3/Ri3。正如從圖16和17所示的這些曲線所能清楚看出的，可以理解傳感器8的電容Cs與輸出電壓Vout基本處于正比關(guān)系，正像方程(10)所表示的那樣。即使在傳感器8的電容Cs非常小，等于與小于100fF時(shí)，也保持這種正比關(guān)系。在圖16和17中，寄生電容被假設(shè)為20pF，并假設(shè)Vh＝Vdd/2＝2.5V。因此，如果Cs為0，則Vout是大約2.5V。
接下去將電壓輸出電路70的輸出電壓輸入到電壓加法電路80的晶體管T29的柵極。在柵極電壓Vout和電阻Rlev的控制下，晶體管T29的柵-漏電壓由流過的漏極-源極電流確定。這個(gè)柵-漏電壓為一直流電壓，它加到電壓Vout上，然后再作為輸出電壓Vlev輸出給振蕩器90。電壓Vlev的理論值可由下式表示Vlev＝VDD-(1/2)Rlev*β1(Vout-Vt)2…(11)方程(11)中的β1和Vt是晶體管T29的增益系數(shù)和閾值電壓。有如上面的方程(11)所表明的那樣，電壓Vlev理論上按Vout和Vt間的差的平方成正比的方式變化。
然后再將輸出電壓Vlev提供給晶體管T30的柵極。使用電壓Vlev的同時(shí)，由以下方程表示晶體管T30的理論開態(tài)電阻RonRon＝Vp4/[β2{(Vlev-Vt)Vp4-(1/2)Vp42}] …(12)方程(12)中的Vp4是運(yùn)算放大器OP7的同相輸入端的電壓。正如從方程(12)將能理解的，電阻Ron理論上按與Vlev和Vt之間的差成反比的方式變化。這個(gè)電阻Ron的功能是作為維恩橋式振蕩器90的CR反饋電路網(wǎng)絡(luò)中的電阻元件。所以，自輸出端OUT9輸出的信號(hào)Fout的頻率f由下式表示f＝1/(2π)*(Rw1*Ron*Cw1*Cw2)-1/2…(13)換句話說，頻率f按與電阻Ron的平方根成反比的方式變化。當(dāng)由控制信號(hào)CTRL使所有的開關(guān)SW11-SW15關(guān)斷時(shí)，輸出方程(13)中表示的頻率f下的信號(hào)Fout。繼而，當(dāng)在圖16中所示的時(shí)刻T2再次接通各開關(guān)SW11-SW15時(shí)，傳感器8與運(yùn)算放大器OP4間的寄生電容上積累的電荷再次被放出，并且再次從輸出端OUT9輸出參考電壓Vh。此后，在時(shí)刻T3各開關(guān)SW11-SW15再次被斷開，電壓輸入端IN7處電壓Vin增加到被測(cè)試的電壓值Vh+ΔV，于是，以類似于上述的方式，從輸出端OUT9輸出頻率f下的輸出信號(hào)Fout。
圖18是表示傳感器電容Cs與電壓輸出電路70實(shí)施例的輸出電壓Vout之間關(guān)系的曲線，其中電容Cs有多種變化，而電壓Vout關(guān)于每個(gè)電容Cs被測(cè)試。圖中的圓點(diǎn)表示測(cè)得的電壓。恰如從圖中所見到的，本實(shí)施例中的電壓Vout隨電容Cs成線性變化，它們的關(guān)系可表示如下Vout＝3.146Cs+228.432本實(shí)施例中測(cè)得的電容Cs的最小值是5fF。
因此，按照本發(fā)明，可以得到能夠隨傳感器電容成線性變化的輸出電壓。
圖19是表示在具有圖14所示結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)裝置中，在電容Cs小于400fF的范圍內(nèi)，傳感器8的電容Cs與輸出信號(hào)Fout的頻率f之間關(guān)系的曲線。在這個(gè)試驗(yàn)裝置中，電壓輸出電路70具有與關(guān)于圖16和17所述試驗(yàn)裝置同樣的結(jié)構(gòu)。負(fù)載電阻Rlev由1kΩ的可變電阻實(shí)現(xiàn)，并被調(diào)整為使晶體管T30的開態(tài)電阻Ron適于引起維恩橋式振蕩器90振蕩。與維恩橋式振蕩器90相關(guān)的各個(gè)常數(shù)是Rw1＝50kΩ，Cw1＝Cw2＝1fF，Rw2＝1MΩ和Rw3＝2MΩ。如圖18所示，可以理解，在上述范圍內(nèi)，電容Cs和頻率f基本上成正比關(guān)系。當(dāng)將要預(yù)期一次詳細(xì)的分析時(shí)，考慮在把晶體管T29的柵-漏電壓加到電壓Vout上時(shí)產(chǎn)生的非線性，和在晶體管T30的開態(tài)電阻Ron因電壓Vlev而變化時(shí)產(chǎn)生的非線性，它們主要造成抵銷振蕩頻率f關(guān)于電阻Ron變化的非線性。
正如從圖19所清楚地看到的，振蕩器90的頻率隨傳感器電容Cs線性變化，并因此可以排除在處理單元2中的復(fù)雜操作。
按照具有圖14所示傳感器8的振蕩信號(hào)發(fā)生單元3，只要傳感器8的電容Cs被轉(zhuǎn)換成電壓Vout，就直接代替振蕩頻率f響應(yīng)電容Cs的變化。然后，由電壓Vlev根據(jù)電壓Vout控制晶體管T30的開態(tài)電阻Ron，而且維恩橋式振蕩器90的振蕩頻率f隨開態(tài)電阻Ron而變化。因此，振蕩器90的振蕩條件和振蕩頻率f不受運(yùn)算放大器OP7的輸入端處形成的寄生電容與傳感器8的電容Cs之間關(guān)系的影響。所以振蕩器90總能穩(wěn)定地振蕩，并得到適宜的振蕩頻率f，這一頻率根據(jù)電容Cs的變化適當(dāng)?shù)刈兓?。按照這種方式，可由計(jì)數(shù)器4(圖3)可靠地計(jì)數(shù)傳感器8的電容Cs。另外，由于晶體管T30的開態(tài)電阻的功能是作為可變電阻元件，所以電路結(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)單的，并且是不昂貴的，并且還適于實(shí)現(xiàn)振蕩器90的單片結(jié)構(gòu)。
此外，由于從電壓加法電路80輸出的電壓Vout可被調(diào)整，所以能夠提供合適的晶體管T30的開態(tài)電阻Ron，造成振蕩器90適宜的振蕩而不會(huì)衰落。因此，可使振蕩器90在穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。
自振蕩器90輸出的信號(hào)Fout的頻率f在圖18所示的預(yù)定區(qū)段內(nèi)響應(yīng)傳感器電容Cs的變化而變。因此，無需復(fù)雜的平方運(yùn)算、反比運(yùn)算等去從信號(hào)Fout揭示電容Cs。為此，即使使用一般意義下的微型計(jì)算機(jī)去獲得所述電容值，它的大多數(shù)能力將不會(huì)用于這些復(fù)雜所運(yùn)算，以致很容易地實(shí)時(shí)揭示所述電容Cs。于是，對(duì)于采用本發(fā)明檢測(cè)裝置的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。
在開關(guān)SW12被斷開，使傳感器8與參考電壓線端Vh分開之后，電壓輸入端IN7處的電壓Vin從Vh增大到Vh+ΔV。選擇電壓ΔV比預(yù)定的程度大，足以滿足將足夠量的電荷注入所述傳感器8中。因此，即使在運(yùn)算放大器OP4的同相輸入端與傳感器8之間形成較大的寄生電容，仍可以為電容Cs的變化提供足夠的電壓Vout的變化。所以，即使由于傳感器8與運(yùn)算放大器OP4關(guān)于不同芯片的分立形式而存在較大的寄生電容，也可以很容易地將傳感器電容Cs轉(zhuǎn)換為電壓Vout。
另外，在初始化期間，開關(guān)SW11與開關(guān)SW12在同一時(shí)刻被接通，以便電壓Vh提供給電壓輸入端IN7。這就引起傳感器8的兩端處于相同的電位，使傳感器8上迄今積累的所有電荷可在初始化期間從它那里被放掉。因此，與簡(jiǎn)單地給傳感器8充電相比，能輸出更為穩(wěn)定和精確的電壓Vout。此外，當(dāng)開關(guān)SW11和SW12被接通時(shí)，開關(guān)SW13-SW15也被接通。因此，在電壓輸出電路70中的運(yùn)算放大器OP5和OP6的反相輸入端與輸出端之間的雜散和/或寄生電容以及振蕩器90中的電容Cw1上預(yù)先積累的電荷同樣也可以在開始測(cè)試之前被放掉，而不令失望。至于電容Cw2，由于通過接通開關(guān)SW15使它的端部也處于相同的電位Vh，所以在初始化期間可將一切電荷全都放掉。所以它能輸出更為穩(wěn)定和精確的檢測(cè)信號(hào)。
在所述電壓輸出電路70中，運(yùn)算放大器OP6功能是作為差分放大器，它被用來放大運(yùn)算放大器OP4和OP5的電壓V1與V2之間的差。由于電壓V1和V2取決于輸入電壓Vin，所以通過這種差分放大，電壓Vin的影響可以不表現(xiàn)在輸出電壓Vout上。這樣，即便是給出所加電壓Vin的較大飽和，也可以避免輸出電壓Vout變得飽和，從而可使運(yùn)算放大器OP6的增益適合于與傳感器8的電容Cs與寄生電容Cp的比一致。
從計(jì)數(shù)器4作為數(shù)字信號(hào)輸出一個(gè)與被轉(zhuǎn)換的物理量或電容對(duì)應(yīng)的值。因此，排除用于將與傳感器電容Cs對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器，從而使得能夠改善抗噪聲度，并構(gòu)形出低能耗的檢測(cè)裝置。
在圖14所示的裝置中，維恩橋式振蕩器90的反饋電路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，由MOS晶體管T30實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器OP7的同相輸入端與參考電壓線端Vh之間連接的電阻元件。不過，用圖15中所示結(jié)構(gòu)替代，能夠代替晶體管T30和運(yùn)算放大器OP7的反饋網(wǎng)絡(luò)的電阻Rw1。
進(jìn)而，在這種裝置中，利用第二和第三運(yùn)算放大器OP5和OP6取代了加給電壓輸入端IN7之電壓Vin對(duì)第一運(yùn)算放大器OP4的輸出電壓V1的影響。利用可變電阻Rg3和Rf3可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)定放大器OP6的增益。不過，如果對(duì)于這種裝置而言，簡(jiǎn)化和降低成本是比放大增益的適當(dāng)設(shè)定更為優(yōu)先權(quán)考慮的事，則可從裝置中取掉運(yùn)算放大器OP5和OP6，并直接將電壓V1提供給晶體管T29的柵極，在這種情況下，提供采用可變電阻作為運(yùn)算放大器OP4周圍的電阻Ri1和Rf1，可以實(shí)現(xiàn)增益的控制。
再者，作為電壓輸出電路70，除了圖15所示的電路之外，可以利用比如日本專利公開特開平6-180336中描述的公知電壓輸出電路。這種公知電路包括一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)傳感器。一個(gè)開關(guān)，和分別對(duì)應(yīng)于元件OP4、8、SW12和Ri1、Rf1的多個(gè)電阻。然而，在這種公知電路中，由于所述傳感器上積累的電荷也被分布到寄生電容上，所以寄生電容對(duì)電路的輸出產(chǎn)生較大的影響。為此，特開平6-180336中描述的電路只能在傳感器和運(yùn)算放大器被形成于單獨(dú)一塊硅片上時(shí)才能被使用。
振蕩器90不限于維恩橋式振蕩器，采用如圖12所示運(yùn)算放大器或如圖13所示CMOS施密特電路的方波振蕩器可被用來替代維恩橋式振蕩器。同樣，采用這樣改變了的振蕩器，也可將MOSFET用作改變振蕩頻率用的可變或可調(diào)電阻元件，從而能使振蕩器穩(wěn)定地工作，并得到適宜的振蕩頻率f改變量，而與寄生電容Cp和傳感器電容Cs之間的關(guān)系無關(guān)。
在圖15所示的裝置中，將電壓ΔV選為正值，因此測(cè)試電壓Vh+ΔV高于參考電壓Vh。另外，電壓ΔV可為負(fù)值，造成測(cè)試電壓Vh+ΔV低于參考電壓Vh。另一方面所述裝置被構(gòu)造成單電源電路，而不再說這種裝置可以是包含正電源和負(fù)電源的雙電源電路。
雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但本發(fā)明并不限于上述各實(shí)施例，而是可以在本發(fā)明權(quán)利要求的范圍內(nèi)按各種方式改型。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)傳感器阻抗的裝置，所述阻抗可響應(yīng)至少一個(gè)傳感器的被檢測(cè)物理量而變化，所述裝置包括用于將傳感器阻抗轉(zhuǎn)換成振蕩信號(hào)的阻抗-頻率轉(zhuǎn)換單元；用于計(jì)數(shù)預(yù)定時(shí)間內(nèi)的振蕩信號(hào)波數(shù)的計(jì)數(shù)器；所述阻抗-頻率轉(zhuǎn)換單元包括具有傳感器阻抗的振蕩器，用于產(chǎn)生方波信號(hào)，作為振蕩信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述振蕩器是維恩橋式振蕩器，它包括放大器和放大器的正反饋電路，所述正反饋電路包括電阻或電容，作為傳感器的阻抗，并且所述放大器增益與所述反饋電路的正反饋比之積大于或等于1。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述放大器具有可變?cè)鲆妗?br>
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述傳感器阻抗的一端連到一個(gè)參考電位。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括附加的傳感器和計(jì)數(shù)器，其中所述阻抗-頻率轉(zhuǎn)換單元還包括多個(gè)各自帶有附加傳感器阻抗的附加振蕩器，用以對(duì)每個(gè)附加計(jì)數(shù)器產(chǎn)生方波信號(hào)，作為附加振蕩信號(hào)，附加振蕩信號(hào)的頻率分別與附加傳感器阻抗對(duì)應(yīng)。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中使各傳感器構(gòu)成諧振器陣列。
7.一種用于檢測(cè)傳感器阻抗的裝置，所述阻抗可響應(yīng)至少一個(gè)傳感器的被檢測(cè)物理量而變化，所述裝置包括阻抗-頻率轉(zhuǎn)換單元，用以將傳感器阻抗轉(zhuǎn)換成振蕩信號(hào)；計(jì)數(shù)器，用以計(jì)數(shù)預(yù)定時(shí)間內(nèi)的振蕩信號(hào)的波數(shù)；所述阻抗-頻率轉(zhuǎn)換單元包括阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器，用以提供與傳感器阻抗對(duì)應(yīng)的輸出電壓；帶可變阻抗元件的振蕩器，所述元件的阻抗隨阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓變化，用以產(chǎn)生振蕩信號(hào)。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中振蕩器的頻率取決于可變阻抗元件的阻抗。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置，還包括一個(gè)電壓附加單元，用以給阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓附加一個(gè)預(yù)定的直流電壓。
10.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中振蕩器的可變阻抗元件是一個(gè)電阻元件。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中由第一MOSFET的漏極-源極電阻形成振蕩器的可變阻抗元件，此電阻可因加給柵極的電壓而變化，而且電壓加法單元包括第二MOSFET，其柵極被連接成接收與傳感器阻抗對(duì)應(yīng)的輸出電壓，其漏極被連接到可變負(fù)載電阻，并對(duì)第一MOSFET的柵極提供一附加電壓。
12.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述傳感器阻抗是電容。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述傳感器阻抗是電容，而且阻抗-電壓轉(zhuǎn)換單元包括第一運(yùn)算放大器，它有被連接成通過一個(gè)電阻接收輸入電壓并通過一個(gè)電阻連到它的輸出端的反相輸入端，還有被連接成通過傳感器阻抗接收輸入電壓并通過第一開關(guān)連到一參考電壓線端的同相輸入端，其中在所述開關(guān)被斷開時(shí)輸入電壓是可變的。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述阻抗-電壓轉(zhuǎn)換單元還包括第二運(yùn)算放大器，它有被連接成通過一個(gè)電阻接收輸入電壓并通過一個(gè)電阻連到它的輸出端的反相輸入端，還有被連到參考電壓線端的同相輸入端；第三運(yùn)算放大器，它有被連接成接收第一運(yùn)算放大器輸出電壓的同相輸入端，和被連接成接收第二運(yùn)算放大器輸出電壓并通過一可變電阻連到它的輸出端的反相輸入端，所述輸出端被連到第二MOSFET的柵極。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，還包括第一至第三開關(guān)，它們分別使第一到第三運(yùn)算放大器的輸出端與各自的反相輸入端相連。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中在復(fù)位周期第一至第三開關(guān)被接通。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中在開始測(cè)試周期之前，第一至第三開關(guān)被斷開。
18.一種檢測(cè)電容的方法，所述電容響應(yīng)傳感器被檢測(cè)之物理量而變化，包括以下步驟將傳感器電容轉(zhuǎn)換成與之相應(yīng)的電壓；響應(yīng)所轉(zhuǎn)換的電壓改變?cè)碾娮?；從振蕩器產(chǎn)生頻率信號(hào)，此信號(hào)響應(yīng)元件的阻抗而變化；計(jì)數(shù)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)來自振蕩器的頻率信號(hào)的波數(shù)，從而將傳感器電容轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的振蕩頻率信號(hào)。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)換步驟包括以下步驟通過一個(gè)電阻和所述傳感器給第一運(yùn)算放大器的反相與同相輸入端，以及通過一個(gè)電阻給第二運(yùn)算放大器的反相輸入端提供一輸入電壓，第二運(yùn)算放大器的同相輸入端被連到參考電壓線端；將第一和第二運(yùn)算放大器的輸出電壓提供給第三運(yùn)算放大器的反相和同相輸入端，以差分方式放大它們的輸出電壓，從而從第三運(yùn)算放大器輸出與傳感器電容成正比的電壓。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中第一至第三運(yùn)算放大器包括第一至第三負(fù)反饋電路，這些電路分別包括彼此并聯(lián)連接的第一至第三電阻和第一至第三開關(guān)，而且第一運(yùn)算放大器的同相輸入端通過第四開關(guān)連到參考電壓線端，所述方法還包括以下步驟在復(fù)位周期接通第一至第四開關(guān)；在開始測(cè)試周期之前，斷開第一至第四開關(guān)。
全文摘要
一種檢測(cè)可以響應(yīng)被傳感器檢測(cè)之物理量而變化的阻抗的裝置,包括阻抗－頻率轉(zhuǎn)換單元和計(jì)數(shù)器。阻抗－頻率轉(zhuǎn)換單元將傳感器阻抗轉(zhuǎn)換成其頻率與傳感器阻抗對(duì)應(yīng)的振蕩信號(hào)。阻抗－頻率轉(zhuǎn)換單元包括阻抗－電壓轉(zhuǎn)換器,用以提供與傳感器阻抗對(duì)應(yīng)的電壓,維恩橋式振蕩器包括一個(gè)元件,元件的阻抗響應(yīng)阻抗－電壓轉(zhuǎn)換器的電壓而變,用以產(chǎn)生振蕩信號(hào)。維恩橋式振蕩器能夠產(chǎn)生方波信號(hào),作為振蕩信號(hào)。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)預(yù)定時(shí)間內(nèi)的振蕩信號(hào)波的數(shù)目(或波數(shù)),以輸出能夠被作為數(shù)字信號(hào)處理的計(jì)數(shù)值。
文檔編號(hào)H04R5/04GK1256756SQ99800159
公開日2000年6月14日 申請(qǐng)日期1999年2月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月19日
發(fā)明者松本俊行, 廣田良浩, 原田宗生, 宮野尚哉 申請(qǐng)人:住友金屬工業(yè)株式會(huì)社