[发明专利]一种量程自适应的高精度电容检测方法及检测电路

说明书

本发明公开了一种量程自适应的高精度电容检测方法及检测电路，检测电路包括：电容检测电路，用于通过基准电流源在一定电压范围内的恒流特性产生与待测电容的电容值相关的电压信号；控制电路，用于产生时钟信号，通过时钟信号的分频结果控制待测电容周期性充放电，将电容检测电路输出的电压信号转变为电平信号，为量化电路提供开始量化和结束量化信号；量程检测电路，用于检测控制电路输出的信号和分频结果，调整分频器的分频比，增加电路的量程以完成待测电容的测量；量化电路，用于基于时间域进行电容量化并输出量化结果。本发明具有全集成、高精度、高线性度的特点，同时兼顾了电容量化电路测量量程与测量精度。

技术领域

本发明属于传感技术领域，涉及一种量程自适应的高精度电容检测方法及检测电路。

背景技术

近年来，随着互联网和半导体产业的不断发展，世界已经逐步迈向了万物互联的物联网时代，到2018年，物联网已经从工业界走出，被推广至家电、医疗、运输以及物流等各个领域。而飞法级电容型传感器作为最关键的支撑技术之一，得到了市场需求的大力驱动。电容传感器是将待测物理量转换成电容量变化的一种转换装置。由于其具有结构简单、灵敏度高等优点，已经被广泛应用于多种领域中，比如应用于压力检测的电容式压力传感器、应用于生物识别的电容型指纹传感器以及应用于医疗检测的电容型加速度计等。

传统的电容检测方式主要有频率式、开关电容式、电阻放电式等检测方法。对于频率式检测方法，其检测精度无法达到飞法级。对于开关电容式检测法，其在对电容进行量化时首先要完成电容向电压的转换，再利用ADC完成电压像数字信号转化；但是开关电容电路的精度以及噪声等问题限制了待测电容的分辨率。电阻放电式电路一般是先对电容进行充电，最后通过片外的精确电阻进行放电，再对放电时间进行量化。虽然该电路可以达到较高的精度，但是由于电容通过电阻进行放电是指数波形，在量化时需要先对该信号进行线性化处理，由此带来的算法较为复杂，相应的量化速率以及量化电路的集成度也较低，且该量化方式对时间测量电路的精度要求较高。上述电路本身的缺点限制了高精度电容式传感器的进一步发展。此外，上述电路大多存在量程与量化精度之间相互制约的关系，在同等量化精度下，其测量范围也基本是固定的。一旦待测电容超出本身预设的量程，上述几种测量电路就无法完成测量或者需要降低量化精度来完成测量。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种量程自适应的高精度电容检测电路，具有全集成、高精度、高线性度的特点，同时兼顾了电容量化电路测量量程与测量精度，解决了现有技术存在的问题。

本发明实施例的另一目的是，提供一种量程自适应的高精度电容检测方法。

本发明所采用的技术方案是，一种量程自适应的高精度电容检测电路，包括电容检测电路、控制电路、量程检测电路以及量化电路；

所述电容检测电路，用于通过基准电流源在一定电压范围内的恒流特性产生与待测电容的电容值相关的电压信号，即信号S2；

所述控制电路，用于产生时钟信号，即信号S5，通过时钟信号的分频结果S1控制待测电容周期性充放电，将电容检测电路输出的电压信号转变为电平信号，即信号S3；根据信号S3为量化电路提供开始量化和结束量化信号；

所述量程检测电路，用于检测控制电路输出的信号S3和分频结果S1，分频结果S1下降沿来临时判断信号S3是否为高电平，若为高电平，使用当前量程对待测电容进行量化；若信号S3为低电平，表明待测电容超出了预设量程，对量程检测电路当前的输出信号S6进行移位寄存后输出，输出的信号S6发送至分频器的IN1端，调整分频器的分频比，增加电路的量程以完成待测电容的测量；

所述量化电路，用于根据公式确定待测电容的电容值，其中，C表示待测电容的电容值，I表示基准电流源产生的放电电流，ΔV表示待测电容的放电电压，Δt表示电容放电所经历的时间；基于时间域进行电容量化并输出量化结果。

进一步的，所述电容检测电路包括电源VDD、二选一选择器、PMOS管以及基准电流源；