用於確定測量電容的裝置及方法

2023-05-27 03:34:31 3

用於確定測量電容的裝置及方法
【專利摘要】用於確定測量電容（CM）的測量裝置，具有以掃描頻率（fA）振蕩的時鐘振蕩器（7）、以依賴測量電容（CM）的測量頻率振蕩的測量振蕩器（3），以及計數在給定數量的測量振蕩中時鐘振蕩數量的邊沿計數器（9），其中設置有用於測量精化的電路，其中用於測量精化的電路從最後掃描到的測量振蕩的測量邊沿開始工作，到緊隨的後續時鐘振蕩的同相邊沿停止工作。
【專利說明】用於確定測量電容的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於確定測量電容的測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]確定測量電容的方法已被用於，例如，壓力測量領域，其中測量電容依賴作用於測量薄膜的壓力而改變。
[0003]人們一般知道如何通過測量振蕩器的測量頻率的頻率測量確定測量電容，所述測量振蕩器依賴測量電容而振蕩。為此，設置時鐘振蕩器，其以掃描頻率振蕩，並利用邊沿計數器檢測在特定數量的測量振蕩期間的時鐘振蕩的數量。知道掃描頻率，就能夠根據計數到的邊沿數量確定測量振蕩的周期長度，由此，計算測量振蕩的頻率。基於測量振蕩的頻率，並知道測量振蕩器的設計，然後就能夠探測測量電容在特定時刻的大小，在壓力測量的情況下，能夠做出有關當前壓力的推斷，該壓力依賴於使用的壓力測量單元的配置。
[0004]通常，在利用傳感器通過頻率測量確定測量值中，可達到的解析度受到時鐘振蕩器的掃描頻率以及測量時間長度的限制。例如，假定掃描頻率是1MHz，要達到14比特(bits)的解析度，那麼需要的測量時間是lmsX214=16，384ms。
[0005]如果進一步提高解析度，更多的測量時間是必需的或者必需相應地提高掃描頻率。
[0006]然而，為了獲得可靠的測量，不超過在測量設備中給定的測量時間是理想的。不過如果要達到提高的解析度，根據現有技術，提高掃描頻率是必需的。然而，掃描頻率的這種提高使得開始出現能耗增加，這越來越被視為是缺點。
[0007]解決這些問題的第一種方法力圖通過將測量信號輸入串接的延時元件來提高解析度，延時元件的輸出信號相互延時，被輸入串接的比較器，這些比較器相互之間平行聯接，比較相互延時的測量信號與掃描信號。
[0008]當這種延時元件將輸入的信號延時掃描頻率周期的四分之一長度的情況下，以這種方法解析度增加了 2bits。
[0009]然而，在這種方法中，操作延時元件、比較器、以及存儲比較器產生的比較值的寄存器是有缺陷的，也意味著增加的電流消耗，同時由于振蕩器相互獨立振蕩，產生測量錯誤。

【發明內容】

[0010]本發明的目的是指出用於確定測量電容的測量裝置及方法，其中現有技術具有的問題都已被解決。
[0011]通過具有權利要求1特徵的測量裝置以及具有權利要求10特徵的方法解決了這個問題。
[0012]根據本發明用於確定測量電容的測量裝置具有以掃描頻率振蕩的時鐘振蕩器，以依賴於測量電容的測量頻率振蕩的測量振蕩器，以及計數在給定數量的測量振蕩中時鐘振蕩數量的邊沿計數器，其中設置有用於測量精化的電路，其從最後掃描到的測量振蕩的測量邊沿開始工作，到後續時鐘振蕩緊隨其後的同相邊沿停止工作。
[0013]由於用於測量精化的電路只是部分激活的，也就是說，具體地，在測量周期的結尾激活，用於測量精化的電路的能量消耗極大地減小。如果總體上測量周期是，例如，大約5ms，激活的用於測量精化的電路的時間長度降低了大約80%，也就是說，降低至1ms。用於測量精化的電路的能量消耗也同樣降低。
[0014]當測量振蕩器與時鐘振蕩器同步開始工作時，已獲得的測量值可以達到進一步改善。當振蕩器相互獨立振蕩時，不知道測量信號處於何種狀態，是第一次掃描測量信號的時刻還是邊沿計數器計數到的時鐘信號第一個邊沿的時刻。因此第一個探測到的邊沿會在掃描頻率周期的半個長度內變化。其依賴於時鐘振蕩器相對於測量振蕩器當前的振蕩狀態。
[0015]通過使測量振蕩器與時鐘振蕩器同步開始工作，獲得了清晰的開始情況，因此獲得的測量值的精度被進一步提高。
[0016]優選的，測量脈衝邊沿的數量由預定的測量時間確定，其中時鐘振蕩的數量由邊沿計數器指示。測量時間可以是，例如，至少5ms。測量脈衝邊沿的數量由具有遲滯特性的電路設定，使得當測量時間少於5ms時，數量增加I ;當測量時間長度超過6ms時，數量減少
1
[0017]在優選的實施例中，特別的，由邊沿計數器探測下降測量邊沿。當測量振蕩器與時鐘振蕩器同步具有下降沿開始工作時，這種實施例尤其可取。然後下降沿的數量給出有關時鐘振蕩器的振蕩數量以及相關的測量時間的明確信息。
[0018]為了確保測量電容對測量振蕩器的頻率產生直接影響，優選的將測量電容設置在振蕩電路中，該振蕩電路構成了測量振蕩器。以這種方法，能夠保證測量電容的變化對測量振蕩器的頻率具有直接影響，而沒有介入任何的電壓變換。
[0019]可以配備用於測量精化的電路，例如，具有多個串聯的延時元件，測量信號輸入其中，在其輸出端可以截出相互延時的測量信號，成為比較信號。
[0020]此外，用於測量精化的電路可以具有多個比較器，在其一個輸入端提供時鐘信號，在另一輸入端提供比較信號中的一個。假定有η個延時元件，每個延時元件對測量信號延時I/η個時鐘周期，最後的下降沿的位置可以精確地確定至時鐘信號周期的I/η長度。優選的，將這些比較器的輸出值寫入寄存器，在測量精化結束後從寄存器讀出該值。
[0021]優選的，本發明的延時元件配置成具有相同的延時。
[0022]最終可達到的測量信號可以延時1g2Nbits (比特)，這取決於使用的延時級和比較器的數量。例如，通過設置四個延時級和比較器，可以使解析度增加log24=2bit。為了實現解析度增加3bit，需要n=23=8個延時元件和比較器。
[0023]延時元件配置成，例如，具有串聯放大器的RC元件。
[0024]根據本發明用於測量測量電容的方法，時鐘振蕩器以掃描頻率振蕩，測量振蕩器以依賴於測量電容的測量頻率振蕩，其中邊沿計數器計數在給定數量的測量振蕩中時鐘振蕩的數量，用於測量精化的電路從最後掃描到的測量振蕩的測量脈衝邊沿開始工作，到緊隨其後的時鐘振蕩的同相邊沿停止工作。
[0025]通過從最後掃描到的測量振蕩的測量脈衝邊沿開始使測量精化開始工作，到緊隨隨後的時鐘振蕩的同相邊沿停止工作，測量精化步驟的持續時間大量地減少，這也減少了測量精化的資源消耗。
[0026]為了達到本發明方法測量精度的進一步提高，優選的，測量振蕩器與時鐘振蕩器同步開始工作。以這種方法，可以避免測量開始階段的浮動，這種浮動長達半個時鐘周期。
[0027]優選的，測量振蕩數量的設定依賴於預定的測量時間。例如，假定指定測量時間是至少5ms，測量振蕩的數量可以被設定為，例如，使得當測量時間超過5ms時，測量振蕩的數量增加1，當測量時間超過6ms時，測量振蕩的數量減少I。
[0028]優選的，一達到測量脈衝邊沿的給定數量時，測量就在隨後的同相測量邊沿停止。不採用用於測量精化的電路，由於最後計數到的時鐘振蕩的邊沿一定在測量振蕩的最後邊沿之後到來，因此確定的測量信號以及得到的測量電容通常會偏離測量電容的真實值。
[0029]在本發明方法的一個實施例中，為了測量精化，測量信號被反覆延時。延時的測量信號與時鐘信號比較，這個比較的結果構成了時鐘信號的一部分，從時鐘振蕩的數量中被減去。
[0030]優選的，用於測量精化的電路從測量信號的下降沿開始工作，到時鐘信號緊隨其後的邊沿停止工作。
[0031]這樣確定的邊沿數量可以減少至由測量精化確定的時鐘信號的一部分，因此在確定測量值時可以達到提高的精度。
[0032]以下通過示範的實施例並參考附圖，更清楚地解釋本發明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是壓力測量裝置的簡化框圖，其中採用了本發明的測量裝置；
[0034]圖2是時鐘信號和測量信號的示範的信號曲線；
[0035]圖3是用於測量精化的示範的電路；以及
[0036]圖4是時鐘信號、測量信號、延時的測量信號以及圖3中比較器的輸出信號的示範的信號曲線。
【具體實施方式】
[0037]圖1示出物位測量裝置的簡化框圖，其中設置有用於確定測量電容Cm的測量裝置。物位測量裝置具有至少一個測量單元1，其中電容器的測量電容Cm依賴作用於測量單元I的壓力而變化，電容器設計成例如平行板電容器。為了使測量電容標準化，也可以設置有參考電容Ck，通過這種方式輸出的值基本上是無量綱的。測量電容是測量振蕩器3的一部分，測量振蕩器由具有測量電容Cm的振蕩電路構成。然後測量振蕩器3根據圖2頂部示出的電壓曲線，以測量頻率fM依賴於測量電容Cm的大小而振蕩。在比較器5 (其可配置成施密特觸發器)的幫助下測量振蕩器3的鋸齒形電壓曲線可以轉換成矩形信號曲線，如圖2中下部所示。更進一步，時鐘振蕩器7的時鐘信號示於圖2中的底部，以掃描頻率fA振蕩。由圖2可以看出，測量信號與時鐘信號開始同步振蕩，因此在這個區域沒有產生時間延遲。
[0038]在圖2示出的示範實施例中，測量振蕩的數量被設定為7，其間由邊沿計數器9確定時鐘振蕩的數量。依賴於預定的測量時間選擇該數量，所述測量時間例如基於測量頻率或測量速率或期望解析度的需求選擇。
[0039]一方面，邊沿計數器9計數測量振蕩的數量，在本例中是測量信號下降沿的數量，以及時鐘信號下降沿的數量。一旦探測到測量信號的第7個下降沿，就在緊隨測量信號第7個下降沿之後的掃描信號的邊沿停止計數時鐘信號的下降沿。現在，如果基於知道的時鐘振蕩器的掃描頻率，並有測得的測量振蕩數量的幫助，就得到關於測量頻率fM的推斷，由於最後的測量邊沿和最後的時鐘邊沿之間有時間差別，因此會產生高達一個完整的時鐘周期。
[0040]為了獲得改進的測量值，並因此提高測量的解析度，設置了如圖3所示的用於測量精化的電路。用於測量精化的電路接收經由反相放大器反相併放大後的測量信號20作為其輸入信號s0。在本示範實施例中，用於測量精化的電路具有4個串聯的延時元件31至34。延時元件31至34在構造上相同，每個都具有RC元件以及串聯的非反相放大器。為了使得可控制的延時重置成為可能，電容器是與開關S旁路設置的。
[0041]在輸出側，每次相對於輸入信號延時的測量信號可以從延時兀件31至34中截出作為比較信號。每個比較信號Si至s4被輸入比較器Kl至K4，時鐘信號作為第二個信號也被輸入其中。在輸出側，比較值Vl至v4也因此可以從比較器Kl至K4中截出，在本示範實施例中，它被寫入寄存器R。根據本示範實施例，放置在寄存器R中的每個值因此代表了1/4個時鐘周期。
[0042]如圖4所不,測量信號M、時鐘信號反相延時後的時鐘信號P或比較信號si至s4的信號曲線，以及比較值Vl至v4，再一次清楚說明了本電路的原理。被最後的測量振蕩的下降沿激活，測量信號進入測量精化電路，並被反相放大器反相。反相後的測量信號被延時元件31至34延時，延時元件具有適當的規格，每次延時1/4個時鐘周期，因此可以從延時元件31至34的輸出側截出比較信號si至s4。比較值vl至v4由接收比較信號si至s4以及時鐘信號T的比較器Kl至K4產生。只要在比較器Kl至K4的兩個輸入端都出現高信號，那麼比較器也會以vl至v4作為比較值輸出高信號。如果在比較器Kl至K4中的一個比較器的幾個輸入端出現不同的信號，該比較器將會輸出低信號。在本示範實施例中，由於對測量信號M反相併反覆延時在比較器Kl至K3的輸入信號是相同的，並且在最後的比較器K4輸入信號是不同的。因此，比較值vl至v3是高信號，比較值v4是低信號。根據本示範實施例實現的電路，將由比較值vl至v4代表的時鐘信號的一部分從由時鐘邊沿計數確定的測量值中減去。
[0043]測量精化以這種方法探測時間直至下一個時鐘邊沿，然後將其從所述確定的值中減去。
[0044]有益的是，實施例示出的測量精化電路的電流需求總是僅發生在測量信號M脈衝邊沿變化時。通過將測量振蕩器3和時鐘振蕩器7同步激活，避免了在測量開始時測量錯誤的產生。
[0045]附圖標記列表
[0046]I 測量單元
[0047]3 測量振蕩器
[0048]5 施密特觸發器
[0049]7 時鐘振蕩器
[0050]9 邊沿計數器
[0051]31 延時元件[0052]32延時元件
[0053]33延時元件
[0054]34延時元件
[0055]Cm測量電容
[0056]Ce參考電容
[0057]R寄存器
[0058]S開關
[0059]M測量信號
[0060]T時鐘信號
[0061]fM測量頻率
[0062]fA掃描頻率
[0063]V放大器
[0064]Rl電阻
[0065]R2電阻
[0066]R3電阻
[0067]R4電阻
[0068]Cl電容
[0069]C2電容
[0070]C3電容
[0071]C4電容
[0072]Kl比較器
[0073]K2比較器
[0074]K3比較器
[0075]K4比較器
[0076]Si比較信號
[0077]s2比較信號
[0078]s3比較信號
[0079]s4比較信號
[0080]vl比較值
[0081]v2比較值
[0082]v3比較值
[0083]v4比較值
[0084]S0反向測量信號
【權利要求】
1.一種用於確定測量電容(Cm)的測量裝置，具有， -時鐘振蕩器(7)，其以掃描頻率(fA)振蕩， -測量振蕩器(3)，其以測量頻率振蕩，該測量頻率依賴於所述測量電容(CM)，以及-邊沿計數器(9)，其計數在給定數量的測量振蕩中的時鐘振蕩數量，其中設置有用於測量精化的電路， 其特徵在於: 用於測量精化的電路從最後掃描到的測量振蕩的測量邊沿開始工作，到後續時鐘振蕩的同相且緊隨的邊沿停止工作。
2.根據權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於:所述測量振蕩器與所述時鐘振蕩器(7)同步開始工作。
3.根據前述任一權利要求所述的測量裝置，其特證在於:所述測量脈衝邊沿的數量取決於預定的測量時間。
4.根據權利要求3所述的測量裝置，其特徵在於:所述測量時間是5ms。
5.根據前述任一權利要求所述的測量裝置，其特徵在於:所述測量邊沿是下降沿。
6.根據前述任一權利要求所述的測量裝置，其特徵在於:所述測量電容(Cm)設置在振蕩電路中，該振蕩電路構成了所述測量振蕩器(3 )。
7.根據前述任一權利要求所述的測量裝置，其特徵在於:所述用於測量精化的電路具有多個串聯的延時元件(31，32，33，34)，測量信號(M)輸入其中，且在其輸出端可以截出相互延的測量信號(M)作為比較信號(SI)。
8.根據權利要求7所述的測量裝置，其特徵在於:所述用於測量精化的電路具有多個比較器(Kl, K2, K3, K4),在所述比較器的一輸入端輸入所述時鐘信號(T),在另一輸入端輸入所述比較信號(SI，S2，S3，S4)中的一個。
9.根據前述任一權利要求所述的測量裝置，其特徵在於:所述延時元件(31，32，33，34)配置成具有相同的延時。
10.一種用於測量測量電容的方法，其中 -時鐘振蕩器(7)以掃描頻率(fA)振蕩； -測量振蕩器(3)以依賴於測量電容(Cm)的測量頻率振蕩； 其特徵在於: 邊沿計數器(9 )計數在給定數量的測量振蕩中時鐘振蕩的數量，並且 測量振蕩器(3)與時鐘振蕩器(7)同步開始工作，且 用於測量精化的電路從最後掃描到的測量振蕩的測量脈衝邊沿開始工作，到緊隨的時鐘振蕩的同相邊沿停止工作。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於:所述測量振蕩器(3)與所述時鐘振蕩器(7)同步開始工作。
12.根據權利要求10或11所述的方法，其特徵在於:所述測量振蕩數量根據預定的測量時間來設定。
13.根據權利要求10至12任一所述的方法，其特徵在於: 為了測量精化，測量信號(M)被反覆延時， 延時的測量信號(M)每次與時鐘信號(T)比較，並且這個比較的結果構成了所述時鐘信號的一部分，其從時鐘振蕩的數量中被減去。
14.根據權利要求10至13任一所述的方法，其特徵在於: 所述用於測量精化的電路從測量信號(M)的下降沿開始工作，到所述時鐘信號(T)的緊隨邊沿停止工作。`
【文檔編號】H03K3/012GK103501169SQ201310145391
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年4月24日 優先權日:2012年4月24日
【發明者】馬丁·馬拉特 申請人:Vega格裡沙貝兩合公司