JPH076939B2 - Capacitive sensor signal processing circuit - Google Patents
Capacitive sensor signal processing circuitInfo
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- JPH076939B2 JPH076939B2 JP30950586A JP30950586A JPH076939B2 JP H076939 B2 JPH076939 B2 JP H076939B2 JP 30950586 A JP30950586 A JP 30950586A JP 30950586 A JP30950586 A JP 30950586A JP H076939 B2 JPH076939 B2 JP H076939B2
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、圧力,流量,湿度等の物理量を検出する容量
型センサからの信号を処理する回路に関するものであ
り、更に詳しくは、種々の容量型センサの容量変化を感
度よく検出し、これをディジタル信号として出力する信
号処理回路に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a circuit for processing a signal from a capacitive sensor that detects a physical quantity such as pressure, flow rate, and humidity, and more specifically, it relates to various circuits. The present invention relates to a signal processing circuit which detects a capacitance change of a capacitance type sensor with high sensitivity and outputs it as a digital signal.
(従来の技術のその問題点) 容量型センサのキャパシタンスを検出する回路としては
一般に無安定マルチバイブレータがよく知られている。
この回路は簡便ではあるが、検出しようとする物理量に
よる容量型センサの容量変化は一般にそのオフセット容
量に比較して小さいので、高感度の検出は望めない。オ
フセット容量を打ち消し、容量変化のみを検出する方法
にはよく知られている交流ブリッヂがある。この交流ブ
リッヂによれば微少容量変化を検出できるが、この方法
は交流電圧源,高利得差動増幅器,検破器,さらに検出
結果をディジタル信号として取り出す場合はアナログ・
ディジタル変換器を必要とするので信号処理回路が複雑
となり、容量型センサと一体化することは難かしい。(Problems of Prior Art) As a circuit for detecting the capacitance of a capacitive sensor, an astable multivibrator is generally well known.
Although this circuit is simple, the capacitance change of the capacitance type sensor due to the physical quantity to be detected is generally small compared to the offset capacitance, so that highly sensitive detection cannot be expected. There is an AC bridge that is well known as a method of canceling the offset capacitance and detecting only the capacitance change. This AC bridge can detect minute changes in capacitance, but this method uses an AC voltage source, a high-gain differential amplifier, a detector, and an analog signal if the detection result is to be taken out as a digital signal.
Since a digital converter is required, the signal processing circuit becomes complicated and it is difficult to integrate it with the capacitive sensor.
本発明はかゝる問題点を解決し、容量型センサと一体化
できる安価な信号処理回路を提供するためになされたも
のである。The present invention has been made to solve these problems and provide an inexpensive signal processing circuit that can be integrated with a capacitive sensor.
(問題点を解決するための手段) 第1図は本発明の容量型センサの信号処理回路のブロッ
ク図であって、1は容量型センサ、2は第1の基準コン
デンサ、3は第2の基準コンデンサ、4は当該信号処理
回路の動作タイミングを制御するクロック発生器、5は
各クロック毎に容量型センサ1に充電される電荷と第1
の基準コンデンサに充電される電荷との差を積分する積
分器、6は当該積分器の出力電圧の極性を判別する比較
器、7は当該比較器の出力極性が反転する度に積分器5
に積分された電荷から第2の基準コンデンサ3に充電さ
れる電荷を引き出すようにスイッチ32と33の開閉を制御
するスイッチ制御回路、8は比較器6の出力極性が反転
する回数をあらかじめ定められた時期に亘って係数し、
これによって容量型センサの容量変化に比例するディジ
タル信号を出力する計数器である。本ブロック図及び以
下の実施例において、各スイッチの横に記したクロック
信号φi(i=1,2,3,4,5)は当該スイッチの開閉を制
御するディジタル信号で、この信号が正論理1のレベル
の期間、当該スイッチは閉じているものとする。(Means for Solving Problems) FIG. 1 is a block diagram of a signal processing circuit of a capacitive sensor according to the present invention, in which 1 is a capacitive sensor, 2 is a first reference capacitor, and 3 is a second reference capacitor. The reference capacitor, 4 is a clock generator that controls the operation timing of the signal processing circuit, and 5 is the charge charged in the capacitive sensor 1 for each clock and the first
, An integrator that integrates the difference between the electric charge charged in the reference capacitor, 6 is a comparator that determines the polarity of the output voltage of the integrator, and 7 is an integrator 5 each time the output polarity of the comparator is inverted.
The switch control circuit that controls the opening and closing of the switches 32 and 33 so as to extract the electric charge charged in the second reference capacitor 3 from the electric charge integrated in the. Coefficient over time,
This is a counter that outputs a digital signal proportional to the capacitance change of the capacitive sensor. In this block diagram and the following embodiments, the clock signal φi (i = 1,2,3,4,5) shown next to each switch is a digital signal for controlling the opening / closing of the switch, and this signal is a positive logic signal. It is assumed that the switch is closed during the level 1 level.
(作用) 本発明の容量型センサの信号処理回路の作用を第2図に
示す実施例で詳述する。第2図では、容量型センサ1の
容量、第1の基準コンデンサ2の容量、第2の基準コン
デンサ3の容量をそれぞれCx,Cc及びCrとし、第1,第2,
第3の電圧源の電圧をそれぞれVa,Vb,及びVcとしてい
る。クロック発生器4は抵抗43,コンデンサ44,インバー
タ41,42,43及びNORゲート46,47で構成されており、2相
クロック信号φ1,φ2を出力する。クロックφ1時に容
量型センサ1はスイッチ12を介して第1の電圧源11に接
続されるので、電荷CxVaが当該容量型センサのキャパシ
タンスに充電される。一方、第1の基準コンデンサ2の
1つの端子はスイッチ22を経て第2の電圧源21に接続さ
れ、他端は演算増幅器51の仮想接地端子58に接続されて
いるので、第1の基準コンデンサ2にはCcVbなる電荷が
充電される。積分器5は演算増幅器51、コンデンサ56と
57、及びスイッチ52〜55から成るスイッチドキャパシタ
積分器で、当該φ1クロック時は直前のφ2クロック時
にコンデンサ57に充電された積分器出力を保持してい
る。この電圧極性が正と仮定すると、コンパレータ61と
Dフリップフロップ62から成る比較器6のQ出力は論理
レベル0,出力は論理レベル1となっている。(Operation) The operation of the signal processing circuit of the capacitive sensor of the present invention will be described in detail with reference to the embodiment shown in FIG. In FIG. 2, the capacitance of the capacitive sensor 1, the capacitance of the first reference capacitor 2, and the capacitance of the second reference capacitor 3 are Cx, Cc, and Cr, respectively.
The voltages of the third voltage source are Va, Vb, and Vc, respectively. The clock generator 4 is composed of a resistor 43, a capacitor 44, inverters 41, 42, 43 and NOR gates 46, 47, and outputs two-phase clock signals φ 1 and φ 2 . Since the capacitive sensor 1 is connected to the first voltage source 11 via the switch 12 at the clock φ 1 , the electric charge CxVa is charged in the capacitance of the capacitive sensor. On the other hand, since one terminal of the first reference capacitor 2 is connected to the second voltage source 21 via the switch 22 and the other end is connected to the virtual ground terminal 58 of the operational amplifier 51, the first reference capacitor 2 is connected. 2 is charged with an electric charge of CcVb. The integrator 5 includes an operational amplifier 51 and a capacitor 56.
57, and a switched capacitor integrator composed of switches 52 to 55, which holds the integrator output charged in the capacitor 57 at the last φ 2 clock at the φ 1 clock. Assuming that the voltage polarity is positive, the Q output of the comparator 6 including the comparator 61 and the D flip-flop 62 has a logic level 0 and the output has a logic level 1.
従って、ANDゲート71とORゲート72で構成されているス
イッチ制御回路7のφ4出力は論理0,φ5出力は論理1
の状態にあり、第2の基準コンデンサ3はスイッチ33を
介して接地されている。又、計数器8はその計数動作可
能(CE)入力端子82の論理レベルが0となっているの
で、φ1クロック信号がクロック端子81に入力されてい
るにも拘わらず計数動作は行わない。Therefore, the φ 4 output of the switch control circuit 7 composed of the AND gate 71 and the OR gate 72 is a logical 0, and the φ 5 output is a logical 1
In this state, the second reference capacitor 3 is grounded via the switch 33. Further, the counter 8 does not perform the counting operation even though the φ 1 clock signal is input to the clock terminal 81 because the logic level of the counting enable (CE) input terminal 82 is 0.
次のφ2クロック時に容量型センサ1と第1の基準コン
デンサ2は、スイッチ52,23及び53が閉じるので電荷CxV
aとCcVbをコンデンサ56に転送する。この時、転送され
る電荷の極性は互いに逆極性となるのでコンデンサ56に
充電される正味の電荷はCxVa−CcVbであり、これによっ
て積分器5の出力電圧は(CxVa−CcVb)/C1だけ減少す
る。この時の積分器出力電圧極性を比較器6で判別し、
極性が正であれば、上記1サイクルの動作を当該積分器
出力電圧が負になる迄繰り返す。一方、積分器5の出力
電圧極性が負の場合は、比較器6のQ出力が論理1、
出力が論理0の状態となるので、次のφ1クロックで計
数器8がインクリメント動作すると同時に、スイッチ制
御回路7のφ4出力が論理1となってスイッチ32を閉
じ、第2の基準コンデンサに電荷CrVcを充電する。この
電荷は次のφ2クロック時に電荷CxVa及びCcVbと共にコ
ンデンサ56に転送される。転送される正味の電荷はCxVa
−CcVb−CrVcで、CrVc+CcVb>CxVaとなるようにCrVcを
選べば積分器5の出力電圧は正となり、その値はほヾ
(CrVc+CcVb+CxVa)/C1となる。At the next φ 2 clock, the capacitive sensor 1 and the first reference capacitor 2 are charged CxV because the switches 52, 23 and 53 are closed.
Transfer a and CcVb to capacitor 56. At this time, since the polarities of the transferred charges are opposite to each other, the net electric charge charged in the capacitor 56 is CxVa−CcVb, so that the output voltage of the integrator 5 is (CxVa−CcVb) / C 1 only. Decrease. The integrator output voltage polarity at this time is determined by the comparator 6,
If the polarity is positive, the one cycle operation is repeated until the integrator output voltage becomes negative. On the other hand, when the output voltage polarity of the integrator 5 is negative, the Q output of the comparator 6 is logic 1,
Since the output is in the logic 0 state, the counter 8 increments in the next φ 1 clock, and at the same time, the φ 4 output of the switch control circuit 7 becomes the logic 1 and the switch 32 is closed, and the second reference capacitor is connected. Charge CrVc. This charge is transferred to the capacitor 56 together with the charges CxVa and CcVb at the next φ 2 clock. The net charge transferred is CxVa
In -CcVb-CrVc, CrVc + CcVb> output voltage of the integrator 5 if you choose CrVC so that CxVa is positive, the value is Hoho (CrVc + CcVb + CxVa) / C 1.
今、第2図の回路が上記電荷積分動作を2相クロック信
号(φ1,φ2)の2nサイクルに亘って繰り返し、その
内、m回だけ比較器6のQ出力が論理1の状態になった
とすると、容量型センサ1から積分器5に送られた電荷
の総量は2nCxVa、第1の基準コンデンサ2から積分器5
に送られた電荷の総量は2nCcVb、第2の基準コンデンサ
3から積分器5に送られた電荷の総量はmCrVcである。
前述した電荷の極性を考慮すると、次の不等式が成立
つ。Now, the circuit of FIG. 2 repeats the above charge integration operation for 2n cycles of the two-phase clock signals (φ 1 , φ 2 ), of which the Q output of the comparator 6 becomes the logic 1 state only m times. If so, the total amount of electric charge sent from the capacitive sensor 1 to the integrator 5 is 2nCxVa, and the total amount of electric charge from the first reference capacitor 2 to the integrator 5 is
Is 2nCcVb, and the total amount of charges sent from the second reference capacitor 3 to the integrator 5 is mCrVc.
Considering the above-mentioned charge polarities, the following inequality holds.
2n(CxVa−CcVb)−mCrVc≦CrVe (1) 第(1)式を変形して次式を得る。2n (CxVa−CcVb) −mCrVc ≦ CrVe (1) The formula (1) is modified to obtain the following formula.
容量型センサ1のオフセット容量をC0、検出しようとす
る物理量による容量変化を△Cとすれば Cx=C0+△C となる。今、CoVa=CcVbとなるように第1の基準コンデ
ンサ2あるいは第1の基準コンデンサ2あるいは第1の
電圧源21を設定し、計数器8としてnビットの2進カウ
ンタを用い、m1をその最上位桁、mnをその最下位桁(LS
B)とすれば、第(2)式は1LSBの誤差範囲内で となる。第(3)式は本発明の信号処理回路によって容
量型センサの容量変化がディジタル信号として検出され
ることを示している。 If the offset capacitance of the capacitive sensor 1 is C 0 and the capacitance change due to the physical quantity to be detected is ΔC, then Cx = C 0 + ΔC. Now, the first reference capacitor 2 or the first reference capacitor 2 or the first voltage source 21 is set so that CoVa = CcVb, an n-bit binary counter is used as the counter 8, and m 1 is set to The most significant digit, mn, is the least significant digit (LS
Assuming B), equation (2) is within the error range of 1LSB. Becomes Expression (3) shows that the capacitance change of the capacitive sensor is detected as a digital signal by the signal processing circuit of the present invention.
(発明の効果) 以上説明したように本発明によれば簡単な回路構成で容
量型センサの容量変化を検出し、これをディジタル信号
として取り出すことができる。又、実施例に示した回路
は現状のCMOS技術で容易に集積化できるので、容量型セ
ンサと一体化可能である。従って、本発明は容量型セン
サの知能化を計る信号処理回路として極めて有用であ
る。(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, it is possible to detect a capacitance change of a capacitance type sensor with a simple circuit configuration and take it out as a digital signal. Further, the circuits shown in the embodiments can be easily integrated with the current CMOS technology, and thus can be integrated with the capacitive sensor. Therefore, the present invention is extremely useful as a signal processing circuit for making a capacitive sensor intelligent.
第1図は本発明の容量型センサの信号処理回路のブロッ
ク図、第2図は本発明の実施例を示す回路図である。 第1図と第2図において、1は容量型センサ、2は第1
の基準コンデンサ、3は第2の基準コンデンサ、4はク
ロック発生器、5は積分器、6は比較器、7はスイッチ
制御回路、8は計数器である。FIG. 1 is a block diagram of a signal processing circuit of a capacitive sensor of the present invention, and FIG. 2 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention. 1 and 2, 1 is a capacitive sensor, 2 is a first
Reference capacitor, 3 is a second reference capacitor, 4 is a clock generator, 5 is an integrator, 6 is a comparator, 7 is a switch control circuit, and 8 is a counter.
Claims (1)
ている容量型センサ(1)と、別のスイッチを介して第
2の電圧源に接続されている第1の基準コンデンサ
(2)と、更に別のスイッチを介して第3の電圧源に接
続されている第2の基準コンデンサ(3)と、当該スイ
ッチの開閉を制御するクロック信号を発生するクロック
発生器(4)と、当該クロック発生器からのクロック信
号の1周期毎に当該容量型センサに充電される電荷と当
該第1の基準コンデンサに充電される電荷との差を積分
する積分器(5)と、当該積分器の出力電圧極性を判別
する比較器(6)と、当該比較器の出力が反転する毎に
前期積分器に積分された電荷から第2の基準コンデンサ
に充電されている電荷をひき出すように第2の基準コン
デンサに接続されているスイッチの開閉を制御するスイ
ッチ制御回路(7)と、前期比較器の出力が反転する回
数をあらかじめ定められた期間に亘って計数して当該容
量型センサの容量に比例するディジタル信号を出力する
計数器(8)とから成る容量型センサの信号処理回路。1. A capacitive sensor (1) connected to a first voltage source via a switch and a first reference capacitor (2) connected to a second voltage source via another switch. ), A second reference capacitor (3) connected to a third voltage source via a further switch, and a clock generator (4) for generating a clock signal for controlling the opening and closing of the switch. An integrator (5) for integrating the difference between the charge charged in the capacitive sensor and the charge charged in the first reference capacitor for each cycle of the clock signal from the clock generator; And a comparator (6) for determining the output voltage polarity of the second comparator so that the charge accumulated in the second reference capacitor is extracted from the charge accumulated in the integrator each time the output of the comparator is inverted. Connected to the reference capacitor of 2 A switch control circuit (7) for controlling the opening and closing of the switch, and a count for counting the number of times the output of the comparator is inverted over a predetermined period and outputting a digital signal proportional to the capacitance of the capacitance type sensor. And a signal processing circuit of a capacitive sensor including a container (8).
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP30950586A JPH076939B2 (en) | 1986-12-24 | 1986-12-24 | Capacitive sensor signal processing circuit |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP30950586A JPH076939B2 (en) | 1986-12-24 | 1986-12-24 | Capacitive sensor signal processing circuit |
Publications (2)
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| JPS63159746A JPS63159746A (en) | 1988-07-02 |
| JPH076939B2 true JPH076939B2 (en) | 1995-01-30 |
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ID=17993804
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP30950586A Expired - Lifetime JPH076939B2 (en) | 1986-12-24 | 1986-12-24 | Capacitive sensor signal processing circuit |
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Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
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-
1986
- 1986-12-24 JP JP30950586A patent/JPH076939B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
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| JPS63159746A (en) | 1988-07-02 |
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