一种单极板电容直接转换传感器寄生电容平衡电路及方法与流程

1.本发明属于测量电变量技术领域，尤其涉及一种单极板电容直接转换传感器寄生电容平衡电路及方法。


背景技术：

2.响应于物理刺激的变化而表现出电容变化的电容传感器是很常见的。电容式传感器广泛应用于生物医学、触摸开关技术、接近感应、指纹识别、汽车应用、机器人和各种运动传感器。
3.现有技术中基于σ-δ模数转换器的电容直接转换型单极板电容传感器具有较高的精度和稳健性、较简单的结构和较低的功耗。然而，随着电容传感器应用领域的发展变化，电容传感器待测电容值可能较小，一般为pf量级甚至是ff量级，在很多情况下信号电容比测量电路中的寄生电容要小得多，要实现如此小电容的测量它们需要更复杂的前端电路，现有技术中的连接传感器与电子线路的引电缆电容、电子线路的杂散电容，传感器内极板与周围导体构成的电容以及io接口等所形成的寄生电容相对于传感器电容来说一般较大，这会降低传感器的灵敏度和精度。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种单极板电容直接转换传感器寄生电容平衡电路及方法，能够很好的抵消电容传感器的寄生电容，从而提高电容传感器的精度。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种单极板电容直接转换传感器寄生电容平衡电路，其特征在于，包括传感器电容、p端寄生电容、n端寄生电容、p端四相工作开关电路、n端四相工作开关电路、积分器x1、积分器x2、比较器x3和反馈数模转换器x4；
7.所述传感器电容的上极板连接p端或n端；
8.p端寄生电容连接p端四相工作开关电路的四个开关，所述n端寄生电容上极板分别连接n端四相工作开关电路的四个开关；所述p端四相工作开关电路和n端四相工作开关电路的四个开关分别对应工作在一个时钟周期的四个相位，每个相位占空比为四分之一周期，且其中均有两个开关分别连接电源和地线，剩余的p端四相工作开关电路开关和n端四相工作开关电路的开关两两连接形成第一支路和第二支路，用于对传感器电容和p端寄生电容进行充电和积分，对n端寄生电容进行充电和积分，平衡p端和n端寄生电容的共模部分；
9.所述第一支路接入积分器x1正输入端，第二支路接入积分器x1负输入端；所述积分器x1、积分器x2级联和比较器x3级联；所述比较器x3输出端接入反馈数模转换器x4的输入端，所述反馈数模转换器x4的输出端分别接入第一支路和第二支路。
10.进一步，所述p端四相工作开关电路包括开关scp1、开关scp2、开关scp3和开关scp4；所述传感器电容下极板接地，上极板分别连接p端寄生电容正极、开关scp1、开关
scp2、开关scp3和开关scp4的一端，所述p端寄生电容负极接地，开关scp1另一端接地并工作在φ1相，开关scp2另一端连接积分器x1正输入端并工作在φ2相，开关sp3另一端连接有第一电源vdd并工作在φ3相，开关sp4另一端连接积分器x1负输入端并工作在φ4相，用于对传感器电容和p端寄生电容进行充电和积分；
11.所述n端四相工作开关电路包括开关sn1、开关sn2、开关sn3和开关sn4；所述n端寄生电容下极板接地，上极板分别连接开关sn1、开关sn2、开关sn3和开关sn4，开关sn1另一端连接接地并工作在φ1相，开关sn2另一端连接积分器x1负输入端并工作在φ2相，开关sn3另一端连接有第二电源并工作在φ3相，开关sn4另一端连接积分器x1正输入端并工作在φ4相；用于对n端寄生电容进行充电和积分，平衡p端端寄生电容和n端寄生电容的共模部分。
12.进一步，所述第一支路为开关scp2另一端与开关sn2另一端连接互联；
13.所述第二支路为开关sp4另一端与开关sn4另一端互联。
14.进一步，所述φ1相、φ2相、φ3相和φ4相为不交叠工作时钟，每个相位时钟和采样时钟周期相同，且每个相位时钟依次延迟四分之一周期。
15.进一步，所述积分器x1正输入端和负输出端之间连接有并联的积分电容cf1和复位清零开关rst1；
16.所述积分器x1负输入端和正输出端之间连接有并联的积分电容cf2和复位清零开关rst2。
17.进一步，所述p端端寄生电容包括p端电容阵列，所述电容包括电容阵列一侧并联设置有开关scp1和开关scp2，另一侧并联设置有开关scp3和开关scp4；
18.所述开关scp1连接电源，所述开关scp2接地；
19.所述开关scp3连接积分器x1正输入端，所述开关scp4连接积分器x1负输入端。
20.进一步，所述p端电容阵列包括均互相并联的电容c0、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4和电容c5；
21.所述电容c0、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4和电容c5均分别串联有开关；且所述电容c0、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4和电容c5的容值按二进制大小依次排列。
22.进一步，所述n端寄生电容包括n端电容阵列，所述电容包括电容阵列一侧并联设置有开关scn1和开关scn2，另一侧并联设置有开关scn3和开关scn4；
23.所述开关scn1连接电源，所述开关scn2接地；
24.所述开关scn3连接积分器x1正输入端，所述开关scn4连接积分器x1负输入端。
25.进一步，所述n端电容阵列包括均互相并联的电容c6、电容c7、电容c8、电容c3、电容c10和电容c11；
26.所述电容c6、电容c7、电容c8、电容c3、电容c10和电容c11均分别串联有开关；且所述电容c6、电容c7、电容c8、电容c3、电容c10和电容c11的容值按二进制大小依次排列。
27.一种单极板电容直接转换传感器寄生电容平衡电路的方法，包括以下步骤：
28.s1：在一个时钟周期内，p端四相工作开关电路和n端四相工作开关电路的接地开关的正负端电容同时用一个参考源充电采样；
29.s2：第一支路和第二支路的两个分别位于p端四相工作开关电路和n端四相工作开关电路的开关，其正负端电容在步骤s1充电的电荷同时分别在积分器x1的正负端积分；
30.s3：p端四相工作开关电路和n端四相工作开关电路连接电源的开关的正负端电容
同时用另一个参考源充电采样；
31.s4：第一支路和第二支路的另外两个分别位于p端四相工作开关电路和n端四相工作开关电路的开关，其正负端电容在步骤s3充电的电荷同时分别在积分器x1的正负端积分。
32.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
33.本发明提供一种单极板电容直接转换传感器寄生电容平衡电路，传感器电容上极板分别连接p端寄生电容和p端四相工作开关电路的四个开关，n端寄生电容上极板分别连接n端四相工作开关电路的四个开关；p端四相工作开关电路和n端四相工作开关电路的四个开关分别对应工作在四个相位时钟周期，且其中均有两个开关分别连接电源和地线，剩余的p端四相工作开关电路开关和n端四相工作开关电路的开关两两连接形成第一支路和第二支路，所述第一支路接入积分器x1正输入端，第二支路接入积分器x1负输入端，能够实现积分器x1正负端同时积分，本技术电路表现为差分的工作方式，正负端能够同时对电容充电和积分，利用寄生电容自身的充电和积分的电荷来抵消寄生电容的影响，从而消除正负端的共模寄生电容，提高电容传感器的精度。
34.进一步的，所述的n端电容阵列和p端电容阵列可以根据传感器电容端的具体应用情况灵活配置二进制电容阵列，在φ1和φ3相，采用和差模寄生电容相反的激励源对电容阵列充电，φ2和φ4相就会在积分器输出两端积分得到与差模寄生电容积分电荷相反的电荷，实现电荷抵消，来消除差分寄生电容；利用寄生电容增加四个开关即实现全差分工作方式，即利用前端现有寄生电容在很大程度上抵消传感器寄生电容，在未引入大量器件的情况下很大程度上提高了传感器性能。
35.本发明提供一种单极板电容直接转换传感器寄生电容平衡电路的方法，在一个时钟周期内，接地开关的正负端电容同时用一个参考源充电采样；第一支路和第二支路的两个分别位于p端四相工作开关电路和n端四相工作开关电路的开关，其正负端电容在步骤s1充电的电荷同时分别在积分器x1的正负端积分；p端四相工作开关电路和n端四相工作开关电路连接电源的开关的正负端电容同时用另一个参考源充电采样；第一支路和第二支路的另外两个分别位于p端四相工作开关电路和n端四相工作开关电路的开关，其正负端电容在步骤s3充电的电荷同时分别在积分器x1的正负端积分，经过一个时钟周期寄生电容在积分器输出的两端积分了相同的电荷，差分电荷为零，通过差分的工作方式，消除了寄生电容的影响。
附图说明
36.图1为本发明具体实施例中一种单极板电容直接转换传感器寄生电容平衡电路的示意图；
37.图2为本发明具体实施例中n端电容阵列示意图；
38.图3为本发明具体实施例中p端电容阵列示意图；
39.图4为本发明具体实施例中相位时钟、采样时钟和复位时钟周期示意图。
具体实施方式
40.下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而
不是限定。
41.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
42.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
43.本发明提供一种单极板电容直接转换传感器寄生电容平衡电路，包括传感器电容、p端寄生电容、n端寄生电容、p端四相工作开关电路、n端四相工作开关电路、积分器x1、积分器x2、比较器x3和反馈数模转换器x4；
44.如图1所示，csensor为传感器电容，cp_para为p端寄生电容，cn_para为n端寄生电容，vdd为电源，gnd为地线，x1为积分器x1，x2为积分器x2，x3为比较器x3，dac反馈数模转换器x4；
45.所述传感器电容连接输入p端或n端，其中连接p端时电容传感器输出随传感器电容增大而增大，连接n端时电容传感器输出随传感器电容增大而减小，本技术对于传感器电容在p端或n端的原理和效果相同，若传感器电容连接n端，则，所述传感器电容上极板分别连接p端寄生电容和p端四相工作开关电路的四个开关，所述n端寄生电容上极板分别连接n端四相工作开关电路的四个开关；所述p端四相工作开关电路和n端四相工作开关电路的四个开关分别对应工作在一个时钟周期的四个相位，每个相位占空比为四分之一周期，且其中均有两个开关分别连接电源和地线，剩余的p端四相工作开关电路开关和n端四相工作开关电路的开关两两连接形成第一支路和第二支路，用于对传感器电容和p端寄生电容进行充电和积分，以及对n端寄生电容进行充电和积分，平衡p端和n端寄生电容的共模部分；
46.所述第一支路接入积分器x1正输入端，第二支路接入积分器x1负输入端；所述积分器x1、积分器x2级联和比较器x3级联；所述比较器x3输出端接入反馈数模转换器x4的输入端，所述反馈数模转换器x4的输出端分别接入第一支路和第二支路。
47.具体的，所述p端四相工作开关电路包括开关scp1、开关scp2、开关scp3和开关scp4；所述传感器电容下极板接地，上极板分别连接p端寄生电容正极、开关scp1、开关scp2、开关scp3和开关scp4的一端，所述p端寄生电容负极接地，开关scp1另一端接地并工作在φ1相，开关scp2另一端连接积分器x1正输入端并工作在φ2相，开关sp3另一端连接有第一电源vdd并工作在φ3相，开关sp4另一端连接积分器x1负输入端并工作在φ4相，用于对传感器电容和p端寄生电容进行充电和积分；
48.所述n端四相工作开关电路包括开关sn1、开关sn2、开关sn3和开关sn4；所述n端寄生电容下极板接地，上极板分别连接开关sn1、开关sn2、开关sn3和开关sn4，开关sn1另一端
连接接地并工作在φ1相，开关sn2另一端连接积分器x1负输入端并工作在φ2相，开关sn3另一端连接有第二电源并工作在φ3相，开关sn4另一端连接积分器x1正输入端并工作在φ4相；用于对n端寄生电容进行充电和积分，平衡p端端寄生电容和n端寄生电容的共模部分。
49.进一步的，所述第一支路为开关scp2另一端与开关sn2另一端连接互联；所述第二支路为开关sp4另一端与开关sn4另一端互联。
50.具体的，如图1所示，电容传感器的p端，代表φ1和φ2相在积分器x1的正输入端积分正电荷，φ3和φ4相在积分器x1负输入端积分负电荷，即差分电荷为正。电容传感器的n端，代表φ1，φ2相在积分器x1负输出端积分正电荷，φ3和φ4相在积分器x1正输出端积分负电荷，即差分电荷为负，通过传感器的全差分工作方式消除差分两端共同的大寄生电容。
51.进一步的，所述φ1相、φ2相、φ3相和φ4相为不交叠工作时钟，每个相位时钟和采样时钟周期相同，每个相位时钟和采样时钟周期的占空比均为四分之一，且每个相位时钟依次延迟四分之一周期；具体的，如图3所示，还包括复位时钟rst1和复位时钟rst2。
52.本发明提供的一种优选实施例为，如图2所示，所述积分器x1正输入端和负输出端之间连接有并联的积分电容cf1和复位清零开关rst1；
53.所述积分器x1负输入端和正输出端之间连接有并联的积分电容cf2和复位清零开关rst2。
54.进一步的，所述p端端寄生电容包括p端电容阵列，所述电容包括电容阵列一侧并联设置有开关scp1和开关scp2，另一侧并联设置有开关scp3和开关scp4；所述开关scp1连接电源，所述开关scp2接地；所述开关scp3连接积分器x1正输入端，所述开关scp4连接积分器x1负输入端。
55.具体的，所述p端电容阵列包括均互相并联的电容c0、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4和电容c5；
56.所述电容c0、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4和电容c5均分别串联有开关；且所述电容c0、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4和电容c5的容值按二进制大小依次排列。
57.本发明提供的一种优选实施例为，如图3所示，所述n端寄生电容包括n端电容阵列，所述电容包括电容阵列一侧并联设置有开关scn1和开关scn2，另一侧并联设置有开关scn3和开关scn4；所述开关scn1连接电源，所述开关scn2接地；所述开关scn3连接积分器x1正输入端，所述开关scn4连接积分器x1负输入端。
58.进一步的，所述n端电容阵列包括均互相并联的电容c6、电容c7、电容c8、电容c3、电容c10和电容c11；
59.所述电容c6、电容c7、电容c8、电容c3、电容c10和电容c11均分别串联有开关；且所述电容c6、电容c7、电容c8、电容c3、电容c10和电容c11的容值按二进制大小依次排列。
60.所述的n端电容阵列和p端电容阵列可以根据传感器电容端的具体应用情况灵活配置二进制电容阵列，在φ1和φ3相，采用和差模寄生电容相反的激励源对电容阵列充电，φ2和φ4相就会在积分器输出两端积分得到与差模寄生电容积分电荷相反的电荷，实现电荷抵消，来消除差分寄生电容；利用寄生电容增加四个开关即实现全差分工作方式，即利用前端现有寄生电容在很大程度上抵消传感器寄生电容，在未引入大量器件的情况下很大程度上提高了传感器性能。
61.本发明提供一种单极板电容直接转换传感器寄生电容平衡电路的方法，包括以下
步骤：
62.s1：在一个时钟周期内，p端四相工作开关电路和n端四相工作开关电路的接地开关的正负端电容同时用一个参考源充电采样；
63.s2：第一支路和第二支路的两个分别位于p端四相工作开关电路和n端四相工作开关电路的开关，其正负端电容在步骤s1充电的电荷同时分别在积分器x1的正负端积分；
64.s3：p端四相工作开关电路和n端四相工作开关电路连接电源的开关的正负端电容同时用另一个参考源充电采样；
65.s4：第一支路和第二支路的另外两个分别位于p端四相工作开关电路和n端四相工作开关电路的开关，其正负端电容在步骤s3充电的电荷同时分别在积分器x1的正负端积分。
66.具体的，如图1所示，在p端，φ1相开关sp1导通，传感器电容和p端寄生电容接地；φ2相开关sp2导通，传感器电容和p端寄生电容连接到积分器x1正输入vx1端，积分建立完成后积分器x1的负输出vx2端对应输出积分电荷为qp1，如式(1)所示；φ3相开关sp3导通，传感器电容和n端寄生电容连接电源vdd；φ4相开关sp4导通，传感器电容和n端寄生电容连接到积分器x1负输入vy1端，积分建立完成后正输入vy2端对应输出积分电荷为qp2，如式(2)所示；
[0067][0068][0069]
其中，v
cm
为共模电压，v
dd
为电源电压，csensor为传感器电容容值，cp_para为p端寄生电容的容值，cf为积分电容。
[0070]
在n端，φ1相开关sn1导通，n端寄生电容接地；φ2相开关sn2导通，n端寄生电容连接到积分器x1的负输入vy1端，积分建立完成后积分器x1的郑输入vy2端对应输出积分电荷为qn2，如式(3)所示；φ3相开关sn3导通，n端寄生电容连接电源vdd；φ4相开关sn4导通，n端寄生电容连接到积分器x1正输入vx1端，积分建立完成后，积分器x1负输入vx2端对应输出积分电荷为qn1，如式(4)所示。
[0071][0072][0073]
其中，cn_para为n端寄生电容的容值。
[0074]
经过一个时钟周期即φ4相结束后，积分器x1积分电荷的差分输出为q
diff1
，如式(5)所示。显而易见，差分的工作方式使得等效的寄生电容值为(cp_para-cn_para)，很大程度上消除了寄生电容的影响，此值通常已经很小，取决于传感器电容端的寄生电容大小。
[0075][0076]
进一步的，为了更好的消除寄生电容的影响，本技术所述的p端电容阵列，用于抵消传感器电容的p端寄生电容；n端电容阵列(cdacn)用于抵消传感器电容的n端寄生电容。
[0077]
具体的，如图1所示的，传感器电容位于p端情况为例说明，p端电容阵列的总容值计为cdacp，cdacp大小取决于p端电容阵列开关选通个数，电容c0、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4和电容c5的容值为二进制递增。p端电容阵列中，φ1相电容阵列一端接地，另一端连接积分器x1正输入端vx1，φ2相电容阵列一端连接电源vdd，另一端连接积分器x1正输入端vx1，积分建立完成后积分器x1负输出vx2端对应输出积分电荷为qcp1，qcp1的值如式(6)所示。φ3相电容阵列一端连接电源vdd，另一端连接积分器x1负输入端vy1，φ4相电容阵列一端接地，另一端连接积分器x1负输入端vy1，积分建立完成后积分器x1负输出vy2端对应输出积分电荷为q
cp2
，如式(7)所示，差分电荷为q
diff2
，如式8所示。
[0078][0079][0080][0081]
综合以上各式，经过一个时钟周期后，第一级积分器积分的差分电荷量如式9所示。
[0082][0083]
本技术中电容传感器的总寄生电容等效为(cp_para-cn_para-2cdacp)，通过合理配置p端电容阵列的开关，可以很好的消除寄生电容对电容传感器的影响。同样，如果同时开启n端电容阵列，如图4所示，则传感器的总寄生电容等效为(cp_para-cn_para-2(cdacp-cdacn))，可以灵活地平衡电容传感器地寄生电容，从而实现更好的传感器性能。
[0084]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。