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JPH076806B2 - Capacity difference-frequency converter - Google Patents
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JPH076806B2 - Capacity difference-frequency converter - Google Patents

Capacity difference-frequency converter

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Publication number
JPH076806B2
JPH076806B2 JP11571586A JP11571586A JPH076806B2 JP H076806 B2 JPH076806 B2 JP H076806B2 JP 11571586 A JP11571586 A JP 11571586A JP 11571586 A JP11571586 A JP 11571586A JP H076806 B2 JPH076806 B2 JP H076806B2
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JP
Japan
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clock
capacitor
integrator
capacitance
output
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健蔵 渡辺
寛樹 松本
一之 近藤
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Kurabe Industrial Co Ltd
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Kurabe Industrial Co Ltd
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  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 圧力,流量,湿度等の物理量を検出するのに最近は容量
型センサーが多く用いられている。本発明は、これら容
量型センサの信号処理に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial field of application) Recently, capacitive sensors have been widely used to detect physical quantities such as pressure, flow rate, and humidity. The present invention relates to signal processing of these capacitive sensors.

(従来の技術) 未知容量を測定する最も一般的な方法は交流ブリッジ法
である。この方法は測定精度は高いが、結果をディジタ
ル量で取り出すには増幅器,検波器,アナログ・ディジ
タル変換器を必要とするため測定装置が複雑で高価にな
る。未知容量でディジタル量として検出するより簡単な
方法として、容量変化を周波数変化として検出する発振
器方式があり、この方式は遠隔測定にも適しているの
で、各種容量型センサの信号処理方法として注目されて
いる。発振器としては従来、マルチバイブレータやコレ
クタ同調発振器が用いられている。
(Prior Art) The most common method for measuring unknown capacitance is the AC bridge method. Although this method has high measurement accuracy, it requires an amplifier, a detector, and an analog-to-digital converter in order to extract the result as a digital quantity, which makes the measurement apparatus complicated and expensive. There is an oscillator method that detects capacitance change as frequency change as a simpler method to detect digital quantity with unknown capacitance.Since this method is also suitable for remote measurement, it has attracted attention as a signal processing method for various capacitance type sensors. ing. Conventionally, a multivibrator or a collector tuned oscillator is used as the oscillator.

(発明が解決しようとする問題点) 一般に容量型センサの容量変化はそのオフセット(固
定)容量に比較して極めて小さい。従って、上記発振器
方式では高い感度を期待できない。本発明はこの問題点
を解決すべく創案されたものであり、二つの容量の差を
周波数に変換する発振器を提供することを目的としてい
る。
(Problems to be Solved by the Invention) Generally, the capacitance change of a capacitive sensor is extremely small as compared with its offset (fixed) capacitance. Therefore, high sensitivity cannot be expected in the oscillator system. The present invention was devised to solve this problem, and an object thereof is to provide an oscillator that converts the difference between two capacitors into a frequency.

(問題点を解決するための手段) 前記目的を解決するべく本発明による容量差−周波数変
換器は、少なくとも一方が物理量に応じて変化する二つ
の容量(Cx,Cy)がクロック毎に一定電圧(Vc)によっ
て充電され、前記各容量の充電電荷の差分(CxVc−CyV
c)が累積されて得られるスイッチドキャパシタ積分器
の出力が、コンパレータに入力されて基準電圧と一致し
たときに、リセットパルスが発生されるよう構成された
容量差−周波数変換器であって、前記クロックは、Cxの
放電とCyの充電を行なう正相クロックと、容量Cxの充電
と容量Cyの放電を行なう逆相クロックとの2相クロック
からなり、前記リセットパルスは前記逆相クロックと同
期した容量差−周波数変換出力であり、前記リセットパ
ルスによって前記スイッチドキャパシタ積分器の容量が
すべてリセットされるようにしたことを特徴とするもの
である。
(Means for Solving the Problem) In order to solve the above-mentioned object, the capacitance difference-frequency converter according to the present invention is such that at least one of the two capacitances (Cx, Cy) that changes according to the physical quantity has a constant voltage for each clock. (CxVc−CyV), which is charged by
A capacitance difference-frequency converter configured to generate a reset pulse when the output of the switched capacitor integrator obtained by accumulating c) is input to the comparator and coincides with the reference voltage. The clock is a two-phase clock including a positive-phase clock that discharges Cx and charges Cy, and a negative-phase clock that charges the capacitor Cx and discharges the capacitor Cy, and the reset pulse is synchronized with the negative-phase clock. The output is the capacitance difference-frequency conversion output, and all the capacitances of the switched capacitor integrator are reset by the reset pulse.

第1図は本発明の容量差−周波数変換器のブロック図で
あり、図において1は二つの容量に充電される電荷の差
を累積してこれに比例する電圧を出力するスイッチドキ
ャパシタ差動積分器、2は該積分器を構成するスイッチ
の開閉を制御するクロックパルス発生器、3は積分器1
の出力電圧を基準電圧6と比較するコンパレータ、4は
コンパレータ3がその状態を反転する度毎に積分器1を
リセットするためのリセットパルス発生器、5は積分器
1の入力電圧である。容量差に比例する周波数は端子41
から出力される。
FIG. 1 is a block diagram of a capacitance difference-frequency converter according to the present invention. In the figure, reference numeral 1 is a switched capacitor differential which accumulates a difference between charges charged in two capacitors and outputs a voltage proportional to the accumulated difference. An integrator, 2 is a clock pulse generator for controlling the opening and closing of switches constituting the integrator, and 3 is an integrator 1
Is a reset pulse generator for resetting the integrator 1 every time the comparator 3 inverts its state, and 5 is an input voltage of the integrator 1. Frequency proportional to capacitance difference is terminal 41
Is output from.

(作用) 二つの容量をCxとCy,積分器1の入力電圧5をVcとする
と、二つの容量に充電される電荷はそれぞれCxVc,CyVc
となる。スイッチドキャパシタ差動積分器1はクロック
パルス発生器2からのクロックパルスに同期して両電荷
の差に比例する電圧を発生するので、クロック周波数fc
の1サイクルで Vo=K(Cx−Cy)Vc (1) の電圧を出力する。ここで、Kは比例定数である。この
電圧をn回累積して出力電圧が基準電圧源6の電圧Vrに
等しくなつたとすれば、累積回数nは次式で与えられ
る。
(Operation) If the two capacitors are Cx and Cy and the input voltage 5 of the integrator 1 is Vc, the charges charged in the two capacitors are CxVc and CyVc, respectively.
Becomes Since the switched capacitor differential integrator 1 generates a voltage proportional to the difference between both charges in synchronization with the clock pulse from the clock pulse generator 2, the clock frequency fc
The voltage of Vo = K (Cx-Cy) Vc (1) is output in one cycle of. Here, K is a proportional constant. Assuming that this voltage is accumulated n times and the output voltage becomes equal to the voltage Vr of the reference voltage source 6, the cumulative number n is given by the following equation.

この時、コンパレータ3が状態を反転するのでリセット
パルス発生器4はリセット信号を発生し、積分器1をリ
セットする。リセット信号はクロックパルス発生器2か
らのクロック周期のnサイクル毎に発生するので、リセ
ット信号周波数fは となり、容量差ΔC=Cx−Cyに比例する。
At this time, since the comparator 3 inverts the state, the reset pulse generator 4 generates a reset signal and resets the integrator 1. Since the reset signal is generated every n cycles of the clock period from the clock pulse generator 2, the reset signal frequency f is And is proportional to the capacitance difference ΔC = Cx−Cy.

(実施例) 第2図は本発明の実施例であって、スイッチドキャパシ
タ積分器1は演算増幅器101と4つのキャパシタCx,Cy,C
f,Ch,およびスイッチ121〜129で構成されている。各ス
イッチの横に記されているφとは、当該スイッチをオ
ンにする2相クロックパルスであってクロックパルス発
生器2から出力されている。前記φとはそれぞれ正相
クロックパルスと逆相クロックパルスである。この積分
器は以下の様に作動する。クロック時にキャパシタCx
はスイツチ121と129およびキャパシタChを会して図示の
極性で入力電圧Vcに充電される。一方、キャパシタCyは
φクロック時にスイッチ124とスイッチ129及びキャパシ
タChを介して放電する。従って、φクロック終了時にキ
ャパシタCxに充電されている電荷はCxVcであり、キャパ
シタCyの電荷はゼロとなっている。次のφクロック時に
キャパシタCxはスイッチ122とスイッチ126及びキャパシ
タCfを介して放電し、半クロックサイクル前にCxに充電
されていた電荷CxVcはキャパシタCfに移る。一方、これ
と同時刻に、キャパシタCyにはスイッチ123とスイッチ1
26及びキャパシタCfを介して図示の極性でCyVcの電荷が
充電される。この充電に伴い、これと同量の電荷がキャ
パシタCfに図示とは逆の極性で充電される。従ってφク
ロック時にCfには、図示と同じ極性のCxVcの電荷と、図
示とは逆の極性のCyVcの電荷が充電されるので、図示の
極性でCfに充電される正味の電荷は(Cx−Cy)Vcとな
る。この正味の電荷によって、キャパシタCfの端子間電
圧は(Cx−Cy)Vc/Cfだけ増加する。この端子間電圧は
φクロック時の積分器出力となるので、(1)式の比例
定数Kは1/Cfとなる。
(Embodiment) FIG. 2 shows an embodiment of the present invention in which a switched capacitor integrator 1 includes an operational amplifier 101 and four capacitors Cx, Cy, C.
It is composed of f, Ch, and switches 121 to 129. Φ indicated next to each switch is a two-phase clock pulse that turns on the switch and is output from the clock pulse generator 2. The φ is a positive phase clock pulse and a negative phase clock pulse, respectively. This integrator works as follows. Capacitor Cx at clock
Is connected to the switches 121 and 129 and the capacitor Ch and is charged to the input voltage Vc with the polarity shown. On the other hand, the capacitor Cy is discharged through the switches 124 and 129 and the capacitor Ch at the time of φ clock. Therefore, the electric charge charged in the capacitor Cx at the end of the φ clock is CxVc, and the electric charge in the capacitor Cy is zero. At the next φ clock, the capacitor Cx is discharged through the switch 122, the switch 126 and the capacitor Cf, and the charge CxVc charged in Cx a half clock cycle before is transferred to the capacitor Cf. On the other hand, at the same time as this, the switch 123 and the switch 1 are connected to the capacitor Cy.
The electric charge of CyVc is charged with the polarity shown through 26 and the capacitor Cf. Along with this charging, the same amount of charge is charged in the capacitor Cf with a polarity opposite to that shown in the figure. Therefore, at the time of φ clock, Cf is charged with the electric charge of CxVc having the same polarity as that shown in the figure and the electric charge of CyVc having the opposite polarity to that shown in the figure. Cy) Vc. This net charge increases the voltage across the capacitor Cf by (Cx-Cy) Vc / Cf. Since the voltage between the terminals becomes the integrator output at the time of φ clock, the proportional constant K of the equation (1) becomes 1 / Cf.

リセットパルス発生器4はこの積分器出力が基準電圧Vr
に達する度毎にスイツチ125と127をオンにし、キャパシ
タCf上に蓄積された電荷を放電して積分器1をリセット
とする。なお、キャパシタChはφクロック時の積分器出
力をサンプルし、クロック時にこの電圧をホールドす
る作用を行っている。
The reset pulse generator 4 outputs the reference voltage Vr
Switch 125 and 127 are turned on each time, and the charge accumulated on the capacitor Cf is discharged to reset the integrator 1. The capacitor Ch samples the output of the integrator at the time of φ clock and holds the voltage at the time of clock.

第3図は上記作動原理をより一層理解するための動作波
形図である。本図では、第2図のコンパレータ3は積分
器1の出力電圧と基準電圧Vrとを比較し、この結果をφ
クロック期間中ホールドするDフリップフロップを含ん
でいるものとしている。上述の作動原理から明らかなよ
うに、積分器1の出力はφクロック毎に(Cx−Cy)Vc/C
fだけ増加し、この出力が基準電圧Vrに達するとリセッ
トパルス発生器4からリセットパルスが出力され、積分
器1はリセットされる。リセットパルスから次のリセッ
トパルスまでに要するクロック信号φのサイクル数nは
n(Cx−Cy)Vc/Cf=Vrから(2)式のように求まり、
これによりリセットパルス(出力)周波数fに対する
(3)式が得られる。
FIG. 3 is an operation waveform diagram for further understanding the above-mentioned operation principle. In this figure, the comparator 3 in FIG. 2 compares the output voltage of the integrator 1 with the reference voltage Vr, and
It is assumed to include a D flip-flop that holds for the clock period. As is clear from the above-mentioned operating principle, the output of the integrator 1 is (Cx−Cy) Vc / C every φ clock.
When it increases by f and this output reaches the reference voltage Vr, a reset pulse is output from the reset pulse generator 4 and the integrator 1 is reset. The number of cycles n of the clock signal φ required from a reset pulse to the next reset pulse is obtained from n (Cx−Cy) Vc / Cf = Vr as shown in equation (2),
As a result, the equation (3) for the reset pulse (output) frequency f is obtained.

第4図は、第2図の実施例において、Vc=0.4V,Vr=1.6
V,Cf=3.7nF,Ch=3.3nF,2相クロック周波数fc=100kHz
とした時に得られた容量差ΔC=Cx−Cyと発振周波数の
関係を示す。この結果は(3)式から求められる理論値
と極めてよく一致している。
FIG. 4 shows Vc = 0.4V, Vr = 1.6 in the embodiment of FIG.
V, Cf = 3.7nF, Ch = 3.3nF, 2-phase clock frequency fc = 100kHz
The relationship between the capacitance difference ΔC = Cx−Cy and the oscillation frequency obtained when This result agrees very well with the theoretical value obtained from the equation (3).

(発明の効果) 以上述べてきたように、本発明よれば簡単な回路構成で
容量差を周波数変化として検出できるので、容量型セン
サーのオフセット容量を相殺し、その微小容量変化を高
感度で検出できる。更に、本回路構成はモノリシック集
積できるので、固体容量センサの信号処理には最適であ
ろう。
(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, since the capacitance difference can be detected as a frequency change with a simple circuit configuration, the offset capacitance of the capacitive sensor is canceled and the minute capacitance change is detected with high sensitivity. it can. Furthermore, since the circuit configuration can be monolithically integrated, it may be optimal for signal processing of a solid-state capacitance sensor.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の容量差−周波数変換器のブロック図、
第2図は本発明の実施例を示す回路図、第3図は本発明
の動作原理を示す波形図、第4図は第2図の回路で得ら
れた容量差対周波数の関係を示すグラフである。 第1図,第2図において、1はスイッチドキャパシタ差
動積分器、2はクロックパルス発生器、3はコンパレー
タ、4はリセットパルス発生器、5は入力電圧源、6は
基準電圧である。
FIG. 1 is a block diagram of a capacitance difference-frequency converter of the present invention,
2 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a waveform diagram showing the operating principle of the present invention, and FIG. 4 is a graph showing the relationship between the capacitance difference and the frequency obtained by the circuit of FIG. Is. In FIGS. 1 and 2, 1 is a switched capacitor differential integrator, 2 is a clock pulse generator, 3 is a comparator, 4 is a reset pulse generator, 5 is an input voltage source, and 6 is a reference voltage.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】少なくとも一方が物理量に応じて変化する
二つの容量(Cx,Cy)がクロック毎に一定電圧(Vc)に
よって充電され、前記各容量の充電電荷の差分(CxVc−
CyVc)が累積されて得られるスイッチドキャパシタ積分
器の出力が、コンパレータに入力されて基準電圧と一致
したときに、リセットパルスが発生されるよう構成され
た容量差−周波数変換器であって、 前記クロックは、Cxの放電とCyの充電を行なう正相クロ
ックと、容量Cxの充電と容量Cyの放電を行なう逆相クロ
ックとの2相クロックからなり、 前記リセットパルスは前記逆相クロックと同期した容量
差−周波数変換出力であり、 前記リセットパルスによって前記スイッチドキャパシタ
積分器の容量がすべてリセットされるようにしたことを
特徴とする容量差−周波数変換器。
1. Two capacitances (Cx, Cy), at least one of which changes according to a physical quantity, are charged by a constant voltage (Vc) for each clock, and a difference (CxVc-
CyVc) is accumulated, the output of the switched-capacitor integrator is a capacitance difference-frequency converter configured to generate a reset pulse when the output of the switched capacitor integrator is input to the comparator and coincides with the reference voltage. The clock is a two-phase clock including a positive-phase clock that discharges Cx and charges Cy, and a negative-phase clock that charges the capacitor Cx and discharges the capacitor Cy, and the reset pulse is synchronized with the negative-phase clock. The capacitance difference-frequency conversion output, wherein the capacitance of the switched capacitor integrator is all reset by the reset pulse.
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