專(zhuān)利名稱(chēng)：多通道電容感測(cè)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多通道電容感測(cè)電路，更具體地涉及一種能夠降低功耗并提高感
測(cè)可靠性的多通道電容感測(cè)電路。
背景技術(shù)：
在電容式傳感器中，電容器的電容依外部環(huán)境的變化而變化，并且，將與電容變化 對(duì)應(yīng)的電容變化信號(hào)(cspacitance change signal)輸出，以感測(cè)外部環(huán)境的變化。電容 傳感電路是一種檢測(cè)由電容式傳感器產(chǎn)生的電容變化信號(hào)的電路。在處理作為模擬信號(hào)的 電容變化信號(hào)的情況下，由于電容變化信號(hào)是低頻信號(hào)而無(wú)法避免噪聲。因此，電容感測(cè)電 路的感測(cè)可靠性降低。 此外，在使用至少一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器以將在至少一個(gè)電容式傳感器中生成的 電容變化信號(hào)作為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的情況下，增大了電容感測(cè)電路的大小，由于必須為 至少一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器中的每一個(gè)提供功率，所以功耗相當(dāng)大。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題 因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種能夠降低功耗并提高感測(cè)可靠性的多通道電
容感測(cè)電路。 技術(shù)方案 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種多通道電容感測(cè)電路，其包括至少一個(gè)電容 式傳感器、振蕩器、至少一個(gè)電容_電壓轉(zhuǎn)換器、多路復(fù)用器和模擬_數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)。
至少一個(gè)電容式傳感器分別具有相應(yīng)于外部環(huán)境的變化而變化的電容并生成與 電容變化對(duì)應(yīng)的電容變化信號(hào)。振蕩器輸出對(duì)電容變化信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的載波。至少一個(gè)電 容-電壓轉(zhuǎn)換器中的每一個(gè)分別接收通過(guò)載波調(diào)制的電容變化信號(hào)，并輸出與經(jīng)調(diào)制的電 容變化信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。多路復(fù)用器接收電壓信號(hào)，并選擇電壓信號(hào)中的任意一個(gè)以 依次將其輸出。ADC接收從多路復(fù)用器輸出的電壓信號(hào)，并將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào) 并將其輸出。ADC執(zhí)行過(guò)采樣(oversampling)。 至少一個(gè)電容式傳感器中的每一個(gè)均包括第一電容器和第二電容器，其電容相應(yīng) 于外部環(huán)境的變化以不同的量變化。振蕩器電連接至第一電容器和第二電容器，并將載波 輸出至第一電容器和第二電容器。 而且，多通道電容感測(cè)電路還包括電連接至振蕩器和第二電容器的反相器 (inverter)。反相器接收載波并將反相載波輸出至第二電容器。 至少一個(gè)電容-電壓轉(zhuǎn)換器中的每一個(gè)均包括運(yùn)算放大器和電容器。這里，多通 道感測(cè)電路還包括電連接至運(yùn)算放大器的反相輸入端和運(yùn)算放大器的輸出端的開(kāi)關(guān)，并且 通過(guò)以預(yù)定間隔重復(fù)開(kāi)/關(guān)操作而周期性地形成DC路徑。 多通道電容感測(cè)電路還包括解調(diào)來(lái)自ADC的數(shù)字電壓信號(hào)并輸出經(jīng)解調(diào)的電壓
3信號(hào)的數(shù)字解調(diào)器。而且，多通道電容感測(cè)電路還包括接收經(jīng)解調(diào)的電壓信號(hào)并以1/k的 抽取率抽取經(jīng)解調(diào)的電壓信號(hào)以將其輸出的采樣抽取電路。
有益效果 根據(jù)本發(fā)明的多通道電容感測(cè)電路，可以使用多路復(fù)用器將生成于至少一個(gè)電容 式傳感器中的每個(gè)電容變化信號(hào)輸出至一個(gè)ADC。從而，可以容易地將生成于至少一個(gè)電容 式傳感器中的每個(gè)電容變化信號(hào)作為數(shù)字電壓信號(hào)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。因此，可以減小多通道電 容感測(cè)電路的大小并降低功耗。 另外，可以通過(guò)使用ADC、數(shù)字解調(diào)器和采樣抽取電路，將本身是模擬信號(hào)的電容 變化信號(hào)作為數(shù)字信號(hào)處理來(lái)去除噪聲。從而，可以提高多通道電容感測(cè)電路的感測(cè)可靠 性。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的多通道電容感測(cè)電路的框圖。
圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的多通道電容感測(cè)電路的示圖。
圖3是示出了從圖2所示的振蕩器和反相器輸出的信號(hào)波形的示圖。
圖4是示出了從圖2所示的ADC和數(shù)字解調(diào)器輸出的信號(hào)波形的示圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中，將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。本發(fā)明不限于本文所說(shuō) 明的實(shí)施方式，而可以以各種形式應(yīng)用和修改。提供以下實(shí)施方式，以使本發(fā)明中公開(kāi)的技 術(shù)思想更清楚，并使本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠充分理解本發(fā)明的技術(shù)思想。因此，本 發(fā)明的范圍不應(yīng)解釋為限制于以下描述的實(shí)施方式。另外，在與實(shí)施方式一起提供的附圖 中，為了提供更清楚的描述，可以將每個(gè)區(qū)域簡(jiǎn)化或稍微放大。圖中相同的參考標(biāo)號(hào)表示相 同的部件。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的多通道電容感測(cè)電路的框圖。
參照?qǐng)Dl，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的多通道電容感測(cè)電路100包括至少一個(gè) 電容式傳感器CS1 CSn、振蕩器10、至少一個(gè)電容-電壓轉(zhuǎn)換器CVC1 CVCn、多路復(fù)用器 (在下文中稱(chēng)作"MUX")50以及ADC 60。 至少一個(gè)電容式傳感器CS1 CSn中的每個(gè)都包括電容相應(yīng)于外部環(huán)境的變化而 變化的電容器(未示出，見(jiàn)圖2)，并生成與電容變化對(duì)應(yīng)的電容變化信號(hào)。至少一個(gè)電容式 傳感器CS1 CSn生成與外部環(huán)境的變化(例如，溫度和壓力的變化)對(duì)應(yīng)的電容器的電 容變化信號(hào)。因此，可以通過(guò)檢測(cè)電容變化信號(hào)而容易地感測(cè)外部環(huán)境的變化。
振蕩器10輸出將電容變化信號(hào)調(diào)制成高頻信號(hào)的載波CF1。通過(guò)載波CF1將由至 少一個(gè)電容式傳感器CS1 CSn生成的電容變化信號(hào)調(diào)制成高頻信號(hào)。從而，可防止低頻 噪聲的產(chǎn)生。例如，振蕩器10可以是斷續(xù)振蕩器(cho卯er oscillator)。在本發(fā)明的實(shí)施 方式中，振蕩器10輸出的載波CF1為方波。 多通道電容感測(cè)電路100包括至少一個(gè)電容_電壓轉(zhuǎn)換器CVC1 CVCn，從而將 在至少一個(gè)電容式傳感器CS1 CSn中生成的每個(gè)電容變化信號(hào)檢測(cè)為電壓信號(hào)VS1 VSn。至少一個(gè)電容-電壓轉(zhuǎn)換器CVC1 CVCn中的每一個(gè)分別接收經(jīng)調(diào)制的電容變化信號(hào)MCV1 MCVn，并將經(jīng)調(diào)制的電容變化信號(hào)MCVl MCVn分別轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)VSl VSn， 然后將其輸出。至少一個(gè)電容式傳感器CS1 CSn的數(shù)量等于至少一個(gè)電容-電壓轉(zhuǎn)換器 CVC1 CVCn的數(shù)量。 MUX 50接收電壓信號(hào)VS1 VSn并選擇電壓信號(hào)VS1 VSn中的任意一個(gè)，然后 依次將其輸出。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，MUX50以與至少一個(gè)電容式傳感器CS1 CSn — 致的順序選擇所接收的電壓信號(hào)VS1 VSn中的任意一個(gè)，并將其輸出。
ADC 60接收從MUX 50輸出的電壓信號(hào)VS1 VSn，并將輸入電壓信號(hào)VS1 VSn 轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)DV1 DVn，然后將其輸出。ADC 60對(duì)來(lái)自MUX 50的電壓信號(hào)VS1 VSn以幾十KHz或更大的速率執(zhí)行二次采樣，或?qū)ζ鋱?zhí)行過(guò)采樣。 多通道電容感測(cè)電路100還包括數(shù)字解調(diào)器70，其從ADC 60接收數(shù)字電壓信號(hào) DV1 DVn，并將經(jīng)解調(diào)的電壓信號(hào)DDV1 DDVn輸出。數(shù)字解調(diào)器70從數(shù)字電壓信號(hào) DV1 DVn去除載波CF1和反相載波CF2，并將數(shù)字電壓信號(hào)DV1 DVn轉(zhuǎn)換成包絡(luò)信號(hào)。
如上所述，通過(guò)使用MUX 50將至少一個(gè)電容式傳感器CS1 CSn連接至單個(gè)ADC 60，可以利用單個(gè)ADC 60將在至少一個(gè)電容式傳感器CS1 CSn中生成的每個(gè)電容變化信 號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)DV1 DVn。從而，可以減小多通道電容感測(cè)電路100的大小，并且， 與將至少一個(gè)電容式傳感器CS1 CSn連接至一個(gè)以上ADC的情況相比，可以降低功耗。
而且，通過(guò)使用數(shù)字解調(diào)器70解調(diào)數(shù)字電壓信號(hào)DV1 DVn，可以去除偏移量 (offset)和在模擬解調(diào)器中生成的噪聲的增加。作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例，數(shù)字解調(diào)器70在 與載波CFl相同的周期內(nèi)依次將數(shù)字電壓信號(hào)DVl DVn乘以+l和-l，并輸出經(jīng)解調(diào)的電 壓信號(hào)DDV1 DDVn。 多通道電容感測(cè)電路100還包括采樣抽取電路80，其接收經(jīng)解調(diào)的電壓信號(hào) DDV1 DDVn，并以1/k的抽取率對(duì)其進(jìn)行抽取。采樣抽取電路80周期性地聚集k個(gè)過(guò)采 樣的經(jīng)解調(diào)的電壓信號(hào)DDV1 DDVn，對(duì)其取平均值，并將得到的平均值作為一個(gè)輸出電壓 Vout輸出。通過(guò)采樣抽取電路80可以增加經(jīng)解調(diào)的電壓信號(hào)DDV1 DDVn的有效位數(shù)。 從而，可以降低輸出電壓Vout的白噪聲水平，并增加輸出電壓Vout的信噪比(SNR)。由于 電容變化信號(hào)通常是幾百Hz的低頻信號(hào)，所以通過(guò)這種抽取可以增加SNR。
圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的多通道電容感測(cè)電路的示圖。用相同 的參考數(shù)字表示與圖1所示的相同的部件，并且將省略其具體描述。 參照?qǐng)D2，多通道電容感測(cè)電路100包括至少一個(gè)電容式傳感器CS1 CSn、振蕩 器10、至少一個(gè)電容-電壓轉(zhuǎn)換器CVC1 CVCn、MUX 50、ADC 60、數(shù)字解調(diào)器70和采樣抽 取電路80。 在本實(shí)施方式中，至少一個(gè)電容式傳感器CS1 CSn中的每個(gè)都包括其電容相應(yīng) 于外部環(huán)境的變化以不同的量變化的第一電容器Cl和第二電容器C2。至少一個(gè)電容式傳 感器CS1 CSn是具有相應(yīng)于外部環(huán)境的變化其電容的變化彼此不同的第一電容器Cl和 第二電容器C2的不同類(lèi)型的電容式傳感器。因此，由于第一電容器Cl和第二電容器C2的 電容變化量不同，所以至少一個(gè)電容式傳感器CSl CSn中的每一個(gè)的電容變化總量相對(duì) 于外部環(huán)境的變化變得相對(duì)較大。因此，至少一個(gè)電容式傳感器CS1 CSn由于相應(yīng)的電 容變化信號(hào)甚至可以檢測(cè)外部環(huán)境的微小變化，從而，可提高多通道電容感測(cè)電路100的 精確度。
振蕩器10電連接至第一電容器CI和第二電容器C2，并將載波CF1輸出至第一電容器C1和第二電容器C2。另外，多通道電容感測(cè)電路IOO還包括電連接至振蕩器10和第二電容器C2的反相器20。反相器20接收從振蕩器10輸出的載波CF1，并將與載波CF1反相的反相載波CF2輸出至第二電容器C2。在該實(shí)施方式中，通過(guò)利用載波CF1和反相載波CF2調(diào)制不同類(lèi)型的電容式傳感器CS1 CSn的電容變化信號(hào)，可以去除共模噪聲和低頻噪聲，諸如1/f噪聲等。 通過(guò)載波CF1和反相載波CF2分別調(diào)制在第一電容器CI生成的第一電容變化信號(hào)和第二電容器C2生成的第二電容變化信號(hào)，然后，將第一電容變化信號(hào)和第二電容變化信號(hào)合成為經(jīng)調(diào)制的電容變化信號(hào)MCV1。從而，至少一個(gè)電容式傳感器CS1 CSn分別生成經(jīng)調(diào)制的電容變化信號(hào)MCV1 MCVn。 至少一個(gè)電容-電壓轉(zhuǎn)換器CVC1 CVCn中的每一個(gè)都包括運(yùn)算放大器AMP和第三電容器C3。運(yùn)算放大器AMP和第三電容器C3并行連接，并且運(yùn)算放大器AMP的反相輸入端連接至至少一個(gè)電容式傳感器CS1 CSn中的每一個(gè)的輸出端和第三電容器C3的一端，運(yùn)算放大器AMP的輸出端連接至第三電容器C3的另一端和MUX 50的輸入端，此外運(yùn)算放大器AMP的正相輸入端連接至參考電壓發(fā)生器30，參考電壓為運(yùn)算放大器施加偏壓。
多通道電容感測(cè)電路100包括開(kāi)關(guān)40，其分別跨接至少一個(gè)電容_電壓轉(zhuǎn)換器CVC1 CVCn而電連接，并且以預(yù)定間隔重復(fù)開(kāi)/關(guān)操作。開(kāi)關(guān)40的一端連接至運(yùn)算放大器AMP的反相輸入端和第三電容器C3的一端，開(kāi)關(guān)40的另一端連接至運(yùn)算放大器AMP的輸出端和第三電容器C3的另一端。 當(dāng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)40時(shí)，經(jīng)調(diào)制的電容變化信號(hào)MCV1 MCVn分別被至少一個(gè)電容_電壓轉(zhuǎn)換器CVC1 CVCn放大，并被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)VS 1 VSn。對(duì)比之下，當(dāng)閉合開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)執(zhí)行緩沖器的作用，其保持運(yùn)算放大器AMP的反相輸入端和輸出端的電壓相等，以在運(yùn)算放大器AMP的反相輸入端中形成DC路徑。從而，防止出現(xiàn)電源電壓或接地電壓使運(yùn)算放大器AMP的反相輸入端飽和的現(xiàn)象，進(jìn)而，可以提高多通道電容感測(cè)電路100的穩(wěn)定性。
由運(yùn)算放大器AMP輸出的電壓信號(hào)VS1 VSn經(jīng)由MUX 50、 ADC 60、數(shù)字解調(diào)器70和采樣抽取電路80作為輸出電壓Vout依次輸出。 圖3是示出了從圖2所示的振蕩器和反相器輸出的信號(hào)波形的示圖，圖4是示出了從圖2所示的ADC和數(shù)字解調(diào)器輸出的信號(hào)波形的示圖。 參照?qǐng)D3，第一波形Wl表示從振蕩器10輸出的載波CF 1的一種形式，以及第二波形W2表示從反相器20輸出的反相載波CF2的一種形式。在該實(shí)施方式中，第一波形W1和第二波形W2是方波，并且基于時(shí)間軸具有彼此相反的相位。垂直軸線表示電壓V。
參照?qǐng)D4，在使用圖3所示的第一波形W1和第二波形W2對(duì)電容變化信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的情況中，第三波形W3表示從ADC 60輸出的數(shù)字電壓信號(hào)DV1 DVn中任意一個(gè)的一種形式。 在使用數(shù)字解調(diào)器70對(duì)第三波形W3進(jìn)行調(diào)制的情況中，第四波形W4表示從數(shù)字解調(diào)器70輸出的經(jīng)解調(diào)的電壓信號(hào)DDV1 DDVn中的任意一個(gè)的一種形式。通過(guò)在與載波CF 1的周期(S卩，第一波形W1的周期)相同的周期內(nèi)將第三波形W3依次乘以+1和-1來(lái)獲得第四波形W4。在將第三波形W3乘以+1的情況中，第四波形W4的相位與第三波形W3的相位相同。另一方面，在將第三波形W3乘以-1的情況中，第四波形W4的相位變得與第三波形W3的相位關(guān)于時(shí)間軸S對(duì)稱(chēng)，并與第三波形W3的相位反相。
工業(yè)應(yīng)用 根據(jù)本發(fā)明提供的多通道電容感測(cè)電路，可以使用多路復(fù)用器將生成于至少一個(gè)電容式傳感器中的每個(gè)電容變化信號(hào)輸出至單個(gè)ADC。從而，可以容易地將生成于至少一個(gè)電容式傳感器中的每個(gè)電容變化信號(hào)檢測(cè)為數(shù)字電壓信號(hào)。因此，可以減小多通道電容感測(cè)電路的大小并降低功耗。 另外，通過(guò)使用ADC、數(shù)字解調(diào)器和采樣抽取電路，將本身是模擬信號(hào)的電容變化信號(hào)處理為數(shù)字信號(hào)來(lái)去除噪聲。因此，可以提高多通道電容感測(cè)電路的感測(cè)可靠性。
雖然已參照其具體實(shí)施方式
詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的是，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的前提下，可以對(duì)其進(jìn)行各種改變和修改。
權(quán)利要求
一種多通道電容感測(cè)電路，包括至少一個(gè)電容式傳感器，分別具有相應(yīng)于外部環(huán)境的變化而變化的電容，并生成與電容變化對(duì)應(yīng)的電容變化信號(hào)；振蕩器，輸出調(diào)制所述電容變化信號(hào)的載波；至少一個(gè)電容-電壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)所述轉(zhuǎn)換器分別接收通過(guò)所述載波調(diào)制的所述電容變化信號(hào)，并輸出與經(jīng)調(diào)制的電容變化信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；多路復(fù)用器，接收所述電壓信號(hào)，并選擇所述電壓信號(hào)中的任意一個(gè)以依次將其輸出；以及模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，接收從所述多路復(fù)用器輸出的電壓信號(hào)，并將所述電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)并將其輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道電容感測(cè)電路，其中，所述至少一個(gè)電容式傳感器中 的每一個(gè)均包括其電容相應(yīng)于外部環(huán)境的變化以不同的量變化的第一電容器和第二電容 器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多通道電容感測(cè)電路，其中，所述振蕩器電連接至所述第 一電容器和所述第二電容器，并將所述載波輸出至所述第一電容器和所述第二電容器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多通道電容感測(cè)電路，其中，所述振蕩器為斷續(xù)振蕩器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的多通道電容感測(cè)電路，其中，所述載波為方波。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的多通道電容感測(cè)電路，進(jìn)一步包括電連接至所述振蕩器和所 述第二電容器的反相器，所述反相器接收所述載波并輸出具有與所述載波的相位相反的相 位的反相載波。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道電容感測(cè)電路，其中，所述至少一個(gè)電容_電壓轉(zhuǎn)換器 中的每一個(gè)均包括運(yùn)算放大器和電容器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的多通道電容感測(cè)電路，進(jìn)一步包括電連接至所述運(yùn)算放大器 的反相輸入端和所述運(yùn)算放大器的輸出端的開(kāi)關(guān)，并且以預(yù)定間隔重復(fù)開(kāi)/關(guān)操作。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道電容感測(cè)電路，進(jìn)一步包括解調(diào)來(lái)自ADC的數(shù)字電壓信號(hào)、并輸出經(jīng)解調(diào)的電壓信號(hào)的數(shù)字解調(diào)器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的多通道電容感測(cè)電路，其中，所述數(shù)字解調(diào)器在與所述載波的周期相同的周期內(nèi)依次將所述經(jīng)解調(diào)的電壓信號(hào)乘以+1和-1。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的多通道電容感測(cè)電路，其中，所述ADC執(zhí)行過(guò)采樣。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的多通道電容感測(cè)電路，進(jìn)一步包括采樣抽取電路，其接收 所述經(jīng)解調(diào)的電壓信號(hào)，并以1/k的抽取率抽取所述經(jīng)解調(diào)的電壓信號(hào)并將其輸出。
全文摘要
提供了一種多通道電容感測(cè)電路，其中，至少一個(gè)電容式傳感器，分別具有相應(yīng)于外部環(huán)境的變化而變化的電容，并生成與電容變化對(duì)應(yīng)的電容變化信號(hào)。振蕩器輸出調(diào)制電容變化信號(hào)的載波。至少一個(gè)電容-電壓轉(zhuǎn)換器分別接收通過(guò)載波調(diào)制的電容變化信號(hào)，并輸出與經(jīng)調(diào)制的電容變化信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。多路復(fù)用器接收電壓信號(hào)，并選擇電壓信號(hào)中的任意一個(gè)并依次將其輸出。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)接收從多路復(fù)用器輸出的電壓信號(hào)，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)并將其輸出。因此，可以使用多路復(fù)用器將在至少一個(gè)電容式傳感器中生成的每個(gè)電容變化信號(hào)輸出至一個(gè)ADC。從而，可以減小多通道電容感測(cè)電路的大小并降低功耗。
文檔編號(hào)G01R27/26GK101755219SQ200780053821
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2007年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
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