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应用于电容式湿度 传感器的读出电路及其控制方法

阅读：731发布：2020-05-15

专利汇可以提供应用于电容式湿度传感器的读出电路及其控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种应用于电容式湿度传感器的读出电路及其控制方法。所述读出电路包括多路选择器、电容数字转换器，所述电容数字转换器包括Sigma-Delta 调制器和数字抽取滤波器；所述多路选择器的输入端与电容式湿度传感器的输出端连接，多路选择器的输出端经Sigma-Delta调制器与数字抽取滤波器的输入端连接，数字抽取滤波器的输出端作为整个读出电路的数字信号输出端。本发明可以应用在多种电容式湿度传感器的测量，将电容式湿度传感器的感应电容信号直接转换为数字信号输出，以便于与现代数字信号处理器直接连接。，下面是应用于电容式湿度传感器的读出电路及其控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种应用于电容式湿度传感器的读出电路，其特征在于，包括多路选择器、电容数字转换器，所述电容数字转换器包括Sigma-Delta调制器和数字抽取滤波器；所述多路选择器的输入端与电容式湿度传感器的输出端连接，多路选择器的输出端经Sigma-Delta调制器与数字抽取滤波器的输入端连接，数字抽取滤波器的输出端作为整个读出电路的数字信号输出端。
2.根据权利要求1所述的应用于电容式湿度传感器的读出电路，其特征在于，所述多路选择器包括第一至第十与门、第一至第五或门，第一至第五与门的第一输入端作为整个多路选择器的第一输入端，第六至第十与门的第一输入端作为整个多路选择器的第二输入端，第一与门的第二输入端作为时钟信号输入端，与时钟信号产生器的第一时钟信号输出端连接，第二与门的第二输入端、第三与门的第二输入端、第六与门的第二输入端、第八与门的第二输入端、第九与门的第二输入端作为数字电源输入端，第四与门的第二输入端、第五与门的第二输入端、第七与门的第二输入端、第十与门的第二输入端作为数字地端，第一与门的输出端、第六与门的输出端分别与第一或门的两输入端连接，第二与门的输出端、第七与门的输出端分别与第二或门的两输入端连接，第三与门的输出端、第八与门的输出端分别与第三或门的两输入端连接，第四与门的输出端、第九与门的输出端分别与第四或门的两输入端连接，第五与门的输出端、第十与门的输出端分别与第五或门的两输入端连接，第一至第五或门的输出端分别作为整个多路选择器的第一至第五输出端。
3.根据权利要求2所述的应用于电容式湿度传感器的读出电路，其特征在于，所述Sigma-Delta调制器包括反馈通路、由多路选择器控制的开关电路、第一级积分器、第二级积分器、第三级积分器、前馈通路、量化器；所述Sigma-Delta调制器还包括与第一级积分器连接的第一补偿电容、第二补偿电容；所述开关电路包括第一至第五多路选择开关，第一至第五多路选择开关的控制端分别与多路选择器的第一至第五输出端连接。
4.根据权利要求3所述的应用于电容式湿度传感器的读出电路，其特征在于，所述第一级积分器包括包括第一至第九开关、第一复位开关、第二复位开关、第一电容、第二电容、第一采样电容、第二采样电容、第一积分电容、第二积分电容、第一运算放大器；第一开关的一端连接至VDD，第一开关的另一端与第一采样电容的一端、第二开关的一端、第二补偿电容的一端连接，第二开关的另一端连接至GND，第一采样电容的另一端与第一补偿电容的一端、第五多路选择开关的一端、第三多路选择开关的一端连接，第五多路选择开关的另一端与第四多路选择开关的一端连接至GND，第三多路选择开关的另一端与第一电容的一端、第三开关的一端、第四开关的一端连接，第三开关的另一端与第一多路选择开关的一端相连接至共模电平，第四开关的另一端与第一复位开关的一端、第一积分电容的一端连接，第一电容的另一端与第一运算放大器的反相输入端、第五开关的一端连接，第一复位开关的另一端与第一积分电容的另一端、第五开关的另一端、第一运算放大器的第一输出端连接，并作为第一级积分器的第一输出端，第六开关的一端连接至GND，第六开关的另一端与与第二采样电容的一端、第七开关的一端、第一补偿电容的另一端连接，第七开关的另一端连接至VDD，第二采样电容的另一端与第二补偿电容的另一端、第四多路选择开关的另一端、第二多路选择开关的一端连接，第二多路选择开关的另一端与第一多路选择开关电路另一端、第二电容的一端、第八开关的一端连接，第八开关的另一端与第二复位开关的一端、第二积分电容的一端连接，第二电容的另一端与第九开关的一端、第一运算放大器的同相输入端连接，第九开关的另一端与第二复位开关的另一端、第二积分电容的另一端、第一运算放大器的第二输出端连接，并作为第一级积分器的第二输出端。
5.根据权利要求4所述的应用于电容式湿度传感器的读出电路，其特征在于，所述反馈通路包括第一参考电容、第二参考电容、第十一至第二十开关，第十一开关的一端与VDD连接，第十一开关的另一端与第十二开关的一端、第一参考电容的一端连接，第十二开关的另一端连接至GND，第一参考电容的另一端经第十三开关连接至共模电平，第一参考电容的另一端还与第十四开关的一端、第十五开关的一端连接，第十四开关的另一端与第十九开关的一端、第二采样电容的另一端连接，第十五开关的另一端与第三多路选择开关的一端、第二十开关的一端连接，第十六开关的一端连接至GND，第十六开关的另一端与第十七开关的一端、第二参考电容的一端连接，第十七开关的另一端连接至VDD，第二参考电容的另一端经第十八开关连接至共模电平，第二参考电容的另一端还与第十九开关的另一端、第二十开关的另一端连接。
6.根据权利要求5所述的应用于电容式湿度传感器的读出电路，其特征在于，所述第二级积分器包括第二十一至第三十开关、第三复位开关、第四复位开关、第三电容、第四电容、第三采样电容、第四采样电容、第三积分电容、第四积分电容、第二运算放大器；第二十一开关的一端连接至第一积分器的第一输出端，第二十一开关的另一端与第三采样电容的一端、第二十二开关的一端连接，第二十二开关的另一端与第二十七开关的一端相连接至共模电平，第三采样电容的另一端与第二十三开关的一端、第二十四开关的一端、第三电容的一端连接，第二十三开关的另一端与第二十八开关的一端连接至共模电平，第二十四开关的另一端与第三复位开关的一端、第三积分电容的一端连接，第三电容的另一端与第二运算放大器的反相输入端、第二十五开关的一端连接，第三复位开关的另一端、第三积分电容的另一端、第二十五开关的另一端、第二运算放大器的第一输出端连接，并作为第二级积分器的第一输出端，第二十六开关的一端与第一级积分器的第二输出端连接，第二十六开关的另一端与第二十七开关的另一端、第四采样电容的一端连接，第四采样电容的另一端与第二十八开关的另一端、第二十九开关的一端、第四电容的一端连接，第二十九开关的另一端与第四复位开关的一端、第四积分电容的一端连接，第四电容的另一端与第二运算放大器的同相输入端、第三十开关的一端连接，第四复位开关的另一端与第四积分电容的另一端、第三十开关的另一端、第二运算放大器的第二输出端连接，并作为第二级积分器的第二输出端。
7.根据权利要求6所述的应用于电容式湿度传感器的读出电路，其特征在于，所述第三级积分器包括第三十一至第四十开关、第五复位开关、第六复位开关、第五电容、第六电容、第五采样电容、第六采样电容、第五积分电容、第六积分电容、第三运算放大器；第三十一开关的一端连接至第二积分器的第一输出端，第三十一开关的另一端与第五采样电容的一端、第三十二开关的一端连接，第三十二开关的另一端与第三十七开关的一端相连接至共模电平，第五采样电容的另一端与第三十三开关的一端、第三十四开关的一端、第五电容的一端连接，第三十三开关的另一端与第三十八开关的一端连接至共模电平，第三十四开关的另一端与第五复位开关的一端、第五积分电容的一端连接，第五电容的另一端与第三运算放大器的反相输入端、第三十五开关的一端连接，第五复位开关的另一端、第五积分电容的另一端、第三十五开关的另一端、第三运算放大器的第一输出端连接，并作为第三级积分器的第一输出端，第三十六开关的一端与第二级积分器的第二输出端连接，第三十六开关的另一端与第三十七开关的另一端、第六采样电容的一端连接，第六采样电容的另一端与第三十八开关的另一端、第三十九开关的一端、第六电容的一端连接，第三十九开关的另一端与第六复位开关的一端、第六积分电容的一端连接，第六电容的另一端与第三运算放大器的同相输入端、第四十开关的一端连接，第六复位开关的另一端与第六积分电容的另一端、第四十开关的另一端、第三运算放大器的第二输出端连接，并作为第三级积分器的第二输出端。
8.根据权利要求7所述的应用于电容式湿度传感器的读出电路，其特征在于，所述前馈通路包括第七至第十二电容、第四十一至第四十六开关，第七电容的一端与第二十一开关的另一端连接，第七电容的另一端与第九电容的一端、第十二电容的一端、第四十一开关的一端连接，第八电容的一端与第三十一开关的另一端连接，第八电容的另一端与第十电容的一端、第十一电容的一端、第四十二开关的一端连接，第九电容的另一端与第四十三开关的一端、第四十四开关的一端连接，第十电容的另一端与第四十五开关的一端、第四十六开关的一端连接，第十一电容的另一端与第三十六开关的另一端连接，第十二电容的另一端与第二十六开关的另一端连接，第四十一开关的另一端与第四十二开关的另一端相连接至共模电平，第四十三开关的另一端与第三级积分器的第一输出端连接，第四十四开关的另一端与第四十六开关的另一端相连接至共模电平，第四十五开关的另一端与第三级积分器的第二输出端连接，第四十一开关的一端、第四十二开关的一端分别作为所述前馈通路的第一输出端、第二输出端。
9.根据权利要求8所述的应用于电容式湿度传感器的读出电路，其特征在于，所述第三开关、第十三开关、第十八开关、第二十四开关、第二十九开关、第三十三开关、第三十八开关的控制端与时钟信号产生器的第一时钟信号输出端连接，第四开关、第八开关、第二十三开关、第二十八开关、第三十四开关、第三十九开关的控制端与时钟信号产生器的第二时钟信号输出端连接，第一开关、第五开关、第六开关、第九开关、第十一开关、第十六开关、第二十二开关、第二十七开关、第三十一开关、第三十五开关、第三十六开关、第四十开关的控制端与时钟信号产生器的第三时钟信号输出端连接，第二开关、第七开关、第十二开关、第十七开关、第二十一开关、第二十五开关、第二十六开关、第三十开关、第三十二开关、第三十七开关的控制端与时钟信号产生器的第四时钟信号输出端连接，第十四开关的控制端、第二十开关的控制端与时钟信号产生器的第五时钟信号输出端连接，第十五开关的控制端、第十九开关的控制端与时钟信号产生器的第六时钟信号输出端连接；所述时钟信号产生器产生的时钟信号之间的关系为：第一时钟信号与第二时钟信号互为反相的非交叠时钟；第三时钟信号为第一时钟信号的上升沿同步，下降沿延时时钟；第四时钟信号为第二时钟信号的上升沿同步，下降沿延时时钟；第五时钟信号为第四时钟信号与所述Sigma-Delta调制器输出信号的与运算结果，第六时钟信号为第四时钟信号与所述Sigma-Delta调制器输出信号的反相信号的与运算结果。
10.一种基于权利要求1-9任一所述的应用于电容式湿度传感器的读出电路的控制方法，其特征在于，首先根据测量需求利用多路选择器对测量模式进行选择，然后通过Sigma-Delta调制器将电容式湿度传感器的感应电容转换为电荷信号，再对电荷信号进行调制得到数字码流，最后经过数字抽取滤波器对数字码流进行处理得到一个与感应电容相对应的数字量。

说明书全文

应用于电容式湿度传感器的读出电路及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种应用于电容式湿度传感器的读出电路及其控制方法。

背景技术

[0002] 近年来，人们对环境湿度监测的需求越来越多，环境湿度与温度对人们的生活与制造有着同样重要的意义。在气象监测、医疗安全、物流监控、食品保护、航空航天、汽车电子等方面，都离不开湿度的检测和控制。随着科学的不断发展，市场上出现了各种类型的湿度传感器，比如电阻式湿度传感器、电容式湿度传感器、压阻式湿度传感器、悬臂梁式湿度传感器等。其中，电容式湿度传感器具有结构简单、灵敏度高、功耗低、温度特性良好等性能，得到了广泛应用。

[0003] 电容式湿度传感器主要的工作原理是将环境中的待测湿度转换为电容变化。电容式湿度传感器的感应电容非常小，通常为pF量级。因此电容式湿度传感器需要一个读出电路将微小的信号读出。一般是通过振荡器式、交流电桥式或开关电容式电路对电容式湿度传感器进行信号读取，这些读出电路将传感器的湿敏电容转换为频率或电压输出。这类读出电路的输出信号只具有一种测量模式，只能进行差分电容或单个电容的测量，并且不能与现代数字信号处理器的端口直接连接，还需要经过进一步的转换处理。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种应用于电容式湿度传感器的读出电路及其控制方法，可以应用在多种电容式湿度传感器的测量，将电容式湿度传感器的感应电容信号直接转换为数字信号输出，以便于与现代数字信号处理器直接连接。

[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种应用于电容式湿度传感器的读出电路，包括多路选择器、电容数字转换器，所述电容数字转换器包括Sigma-Delta调制器和数字抽取滤波器；所述多路选择器的输入端与电容式湿度传感器的输出端连接，多路选择器的输出端经Sigma-Delta调制器与数字抽取滤波器的输入端连接，数字抽取滤波器的输出端作为整个读出电路的数字信号输出端。

[0006] 在本发明一实施例中，所述多路选择器包括第一至第十与门、第一至第五或门，第一至第五与门的第一输入端作为整个多路选择器的第一输入端，第六至第十与门的第一输入端作为整个多路选择器的第二输入端，第一与门的第二输入端作为时钟信号输入端，与时钟信号产生器的第一时钟信号输出端连接，第二与门的第二输入端、第三与门的第二输入端、第六与门的第二输入端、第八与门的第二输入端、第九与门的第二输入端作为数字电源输入端，第四与门的第二输入端、第五与门的第二输入端、第七与门的第二输入端、第十与门的第二输入端作为数字地端，第一与门的输出端、第六与门的输出端分别与第一或门的两输入端连接，第二与门的输出端、第七与门的输出端分别与第二或门的两输入端连接，第三与门的输出端、第八与门的输出端分别与第三或门的两输入端连接，第四与门的输出端、第九与门的输出端分别与第四或门的两输入端连接，第五与门的输出端、第十与门的输出端分别与第五或门的两输入端连接，第一至第五或门的输出端分别作为整个多路选择器的第一至第五输出端。

[0007] 在本发明一实施例中，所述Sigma-Delta调制器包括反馈通路、由多路选择器控制的开关电路、第一级积分器、第二级积分器、第三级积分器、前馈通路、量化器；所述Sigma-Delta调制器还包括与第一级积分器连接的第一补偿电容、第二补偿电容；所述开关电路包括第一至第五多路选择开关，第一至第五多路选择开关的控制端分别与多路选择器的第一至第五输出端连接。

[0008] 在本发明一实施例中，所述第一级积分器包括包括第一至第九开关、第一复位开关、第二复位开关、第一电容、第二电容、第一采样电容、第二采样电容、第一积分电容、第二积分电容、第一运算放大器；第一开关的一端连接至VDD，第一开关的另一端与第一采样电容的一端、第二开关的一端、第二补偿电容的一端连接，第二开关的另一端连接至GND，第一采样电容的另一端与第一补偿电容的一端、第五多路选择开关的一端、第三多路选择开关的一端连接，第五多路选择开关的另一端与第四多路选择开关的一端连接至GND，第三多路选择开关的另一端与第一电容的一端、第三开关的一端、第四开关的一端连接，第三开关的另一端与第一多路选择开关的一端相连接至共模电平，第四开关的另一端与第一复位开关的一端、第一积分电容的一端连接，第一电容的另一端与第一运算放大器的反相输入端、第五开关的一端连接，第一复位开关的另一端与第一积分电容的另一端、第五开关的另一端、第一运算放大器的第一输出端连接，并作为第一级积分器的第一输出端，第六开关的一端连接至GND，第六开关的另一端与与第二采样电容的一端、第七开关的一端、第一补偿电容的另一端连接，第七开关的另一端连接至VDD，第二采样电容的另一端与第二补偿电容的另一端、第四多路选择开关的另一端、第二多路选择开关的一端连接，第二多路选择开关的另一端与第一多路选择开关电路另一端、第二电容的一端、第八开关的一端连接，第八开关的另一端与第二复位开关的一端、第二积分电容的一端连接，第二电容的另一端与第九开关的一端、第一运算放大器的同相输入端连接，第九开关的另一端与第二复位开关的另一端、第二积分电容的另一端、第一运算放大器的第二输出端连接，并作为第一级积分器的第二输出端。

[0009] 在本发明一实施例中，所述反馈通路包括第一参考电容、第二参考电容、第十一至第二十开关，第十一开关的一端与VDD连接，第十一开关的另一端与第十二开关的一端、第一参考电容的一端连接，第十二开关的另一端连接至GND，第一参考电容的另一端经第十三开关连接至共模电平，第一参考电容的另一端还与第十四开关的一端、第十五开关的一端连接，第十四开关的另一端与第十九开关的一端、第二采样电容的另一端连接，第十五开关的另一端与第三多路选择开关的一端、第二十开关的一端连接，第十六开关的一端连接至GND，第十六开关的另一端与第十七开关的一端、第二参考电容的一端连接，第十七开关的另一端连接至VDD，第二参考电容的另一端经第十八开关连接至共模电平，第二参考电容的另一端还与第十九开关的另一端、第二十开关的另一端连接。

[0010] 在本发明一实施例中，所述第二级积分器包括第二十一至第三十开关、第三复位开关、第四复位开关、第三电容、第四电容、第三采样电容、第四采样电容、第三积分电容、第四积分电容、第二运算放大器；第二十一开关的一端连接至第一积分器的第一输出端，第二十一开关的另一端与第三采样电容的一端、第二十二开关的一端连接，第二十二开关的另一端与第二十七开关的一端相连接至共模电平，第三采样电容的另一端与第二十三开关的一端、第二十四开关的一端、第三电容的一端连接，第二十三开关的另一端与第二十八开关的一端连接至共模电平，第二十四开关的另一端与第三复位开关的一端、第三积分电容的一端连接，第三电容的另一端与第二运算放大器的反相输入端、第二十五开关的一端连接，第三复位开关的另一端、第三积分电容的另一端、第二十五开关的另一端、第二运算放大器的第一输出端连接，并作为第二级积分器的第一输出端，第二十六开关的一端与第一级积分器的第二输出端连接，第二十六开关的另一端与第二十七开关的另一端、第四采样电容的一端连接，第四采样电容的另一端与第二十八开关的另一端、第二十九开关的一端、第四电容的一端连接，第二十九开关的另一端与第四复位开关的一端、第四积分电容的一端连接，第四电容的另一端与第二运算放大器的同相输入端、第三十开关的一端连接，第四复位开关的另一端与第四积分电容的另一端、第三十开关的另一端、第二运算放大器的第二输出端连接，并作为第二级积分器的第二输出端。

[0011] 在本发明一实施例中，所述第三级积分器包括第三十一至第四十开关、第五复位开关、第六复位开关、第五电容、第六电容、第五采样电容、第六采样电容、第五积分电容、第六积分电容、第三运算放大器；第三十一开关的一端连接至第二积分器的第一输出端，第三十一开关的另一端与第五采样电容的一端、第三十二开关的一端连接，第三十二开关的另一端与第三十七开关的一端相连接至共模电平，第五采样电容的另一端与第三十三开关的一端、第三十四开关的一端、第五电容的一端连接，第三十三开关的另一端与第三十八开关的一端连接至共模电平，第三十四开关的另一端与第五复位开关的一端、第五积分电容的一端连接，第五电容的另一端与第三运算放大器的反相输入端、第三十五开关的一端连接，第五复位开关的另一端、第五积分电容的另一端、第三十五开关的另一端、第三运算放大器的第一输出端连接，并作为第三级积分器的第一输出端，第三十六开关的一端与第二级积分器的第二输出端连接，第三十六开关的另一端与第三十七开关的另一端、第六采样电容的一端连接，第六采样电容的另一端与第三十八开关的另一端、第三十九开关的一端、第六电容的一端连接，第三十九开关的另一端与第六复位开关的一端、第六积分电容的一端连接，第六电容的另一端与第三运算放大器的同相输入端、第四十开关的一端连接，第六复位开关的另一端与第六积分电容的另一端、第四十开关的另一端、第三运算放大器的第二输出端连接，并作为第三级积分器的第二输出端。

[0012] 在本发明一实施例中，所述前馈通路包括第七至第十二电容、第四十一至第四十六开关，第七电容的一端与第二十一开关的另一端连接，第七电容的另一端与第九电容的一端、第十二电容的一端、第四十一开关的一端连接，第八电容的一端与第三十一开关的另一端连接，第八电容的另一端与第十电容的一端、第十一电容的一端、第四十二开关的一端连接，第九电容的另一端与第四十三开关的一端、第四十四开关的一端连接，第十电容的另一端与第四十五开关的一端、第四十六开关的一端连接，第十一电容的另一端与第三十六开关的另一端连接，第十二电容的另一端与第二十六开关的另一端连接，第四十一开关的另一端与第四十二开关的另一端相连接至共模电平，第四十三开关的另一端与第三级积分器的第一输出端连接，第四十四开关的另一端与第四十六开关的另一端相连接至共模电平，第四十五开关的另一端与第三级积分器的第二输出端连接，第四十一开关的一端、第四十二开关的一端分别作为所述前馈通路的第一输出端、第二输出端。

[0013] 在本发明一实施例中，所述第三开关、第十三开关、第十八开关、第二十四开关、第二十九开关、第三十三开关、第三十八开关的控制端与时钟信号产生器的第一时钟信号输出端连接，第四开关、第八开关、第二十三开关、第二十八开关、第三十四开关、第三十九开关的控制端与时钟信号产生器的第二时钟信号输出端连接，第一开关、第五开关、第六开关、第九开关、第十一开关、第十六开关、第二十二开关、第二十七开关、第三十一开关、第三十五开关、第三十六开关、第四十开关的控制端与时钟信号产生器的第三时钟信号输出端连接，第二开关、第七开关、第十二开关、第十七开关、第二十一开关、第二十五开关、第二十六开关、第三十开关、第三十二开关、第三十七开关的控制端与时钟信号产生器的第四时钟信号输出端连接，第十四开关的控制端、第二十开关的控制端与时钟信号产生器的第五时钟信号输出端连接，第十五开关的控制端、第十九开关的控制端与时钟信号产生器的第六时钟信号输出端连接；所述时钟信号产生器产生的时钟信号之间的关系为：第一时钟信号与第二时钟信号互为反相的非交叠时钟；第三时钟信号为第一时钟信号的上升沿同步，下降沿延时时钟；第四时钟信号为第二时钟信号的上升沿同步，下降沿延时时钟；第五时钟信号为第四时钟信号与所述Sigma-Delta调制器输出信号的与运算结果，第六时钟信号为第四时钟信号与所述Sigma-Delta调制器输出信号的反相信号的与运算结果。

[0014] 本发明还提供了一种基于上述所述的应用于电容式湿度传感器的读出电路的控制方法，首先根据测量需求利用多路选择器对测量模式进行选择，然后通过Sigma-Delta调制器将电容式湿度传感器的感应电容转换为电荷信号，再对电荷信号进行调制得到数字码流，最后经过数字抽取滤波器对数字码流进行处理得到一个与感应电容相对应的数字量。

[0015] 相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明通过多路选择器，实现两种测量模式，采用Sigma-Delta调制技术获得数字输出；整体电路具有高精度和宽输入范围；本发明可以应用在多种电容式湿度传感器的测量，并且可以直接与现代数字处理系统进行连接。附图说明

[0016] 图1为电容式湿度传感器整体系统框图。

[0017] 图2为CDC系统模型。

[0018] 图3为Sigma-Delta调制器具体电路结构图。

[0019] 图4为Sigma-Delta调制器电路的时序图。

[0020] 图5为多路选择器原理图。

[0021] 图6为多路选择器具体电路结构图。

[0022] 图7为开关电容积分器工作原理。

[0023] 图8为运放OTA1电路结构图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

[0025] 本发明提供了一种应用于电容式湿度传感器的读出电路，包括多路选择器、电容数字转换器，所述电容数字转换器包括Sigma-Delta调制器和数字抽取滤波器；所述多路选择器的输入端与电容式湿度传感器的输出端连接，多路选择器的输出端经Sigma-Delta调制器与数字抽取滤波器的输入端连接，数字抽取滤波器的输出端作为整个读出电路的数字信号输出端。

[0026] 本发明还提供了一种基于上述所述的应用于电容式湿度传感器的读出电路的控制方法，首先根据测量需求利用多路选择器对测量模式进行选择，然后通过Sigma-Delta调制器将电容式湿度传感器的感应电容转换为电荷信号，再对电荷信号进行调制得到数字码流，最后经过数字抽取滤波器对数字码流进行处理得到一个与感应电容相对应的数字量。

[0027] 以下为本发明的具体实现过程。

[0028] 本发明提出了一种具有多种测量模式和数字输出的电容式湿度传感器读出电路，可以进行差分电容或单个电容的测量，采用Sigma-Delta调制技术，将电容式湿度传感器的感应电容信号直接转换为数字信号输出，可直接与现代数字处理器进行连接。本发明设计采用SMIC 0.18μm CMOS工艺实现，电源电压为1.8V，采样时钟频率为250kHz，通过Spectre仿真，在两种测量模式下，整体电路的输入电容共模范围为0pF 8pF，动态范围为-0.26pF +~ ~0.26pF，调制器精度达到13bit。

[0029] 整体系统结构如图1所示，读出电路主要由多路选择器、Sigma-Delta调制器和数字抽取滤波器组成，其中，调制器和滤波器组成电容数字转换器CDC。首先根据测量需求利用多路选择器对测量模式进行选择，然后通过Sigma-Delta调制器将电容式湿度传感器的感应电容转换为电荷信号，再对电荷信号进行调制得到数字码流，最后经过数字抽取滤波器对数字码流进行处理得到一个与感应电容相对应的数字量。

[0030] CDC系统模型如图2所示，Sigma-Delta调制器采用三阶CIFF（Cascade Integrators with Feedforward)结构，数字抽取滤波器为sincK滤波器，其中K=4。图中，CX为输入电容，是传感器的感应电容，Coff为补偿电容，Cref为参考电容，RESET为复位信号，bs为调制器输出码流，Dout为实际输出数字量。本发明的CDC利用等效输入电容（CX-Coff）与参考电容Cref之间的电荷平衡来检测未知输入电容的变化，其工作模式为离散模式，即电路上电，在每次转换前对积分器进行复位，完成一次转换将产生一个数字码，连续转换若干个周期，最后通过数字抽取滤波器对数字码流进行滤波和降采样得到数字输出。

[0031] Sigma-Delta调制器具体电路结构如图3所示，为方便表示，图中字符相同的元器件即表示该些元器件参数相同，其中OTA1、OTA2、OTA3为运算放大器，2nd Int. 为第二级积分器，3rd Int. 为第三级积分器。积分器采用开关电容形式，如图3所示，积分器由开关S1、S1d、S2、S2d和跨导运放OTA以及采样电容Cs、积分电容Cint组成。当电路为双端输入模式的时候，SW1和S1接相同时序，SW2和SW3导通，SW4和SW5断开，CDC采用全差分结构，这种结构可以降低对噪声耦合的敏感性，感应电容CX1和CX2直接耦合到第一级积分器，作为第一级积分器的采样电容，补偿电容Coff1和Coff2交叉耦合于感应电容，使得第一级的有效输入电容为（CX - Coff）。当电路为单端输入模式的时候，SW1、SW3、SW4和SW5导通，SW2断开，感应电容CX1接到第一级积分器运放的负输入端，第一级积分器运放的正输入端固定接到共模电平，补偿电容Coff1的激励与CX1的激励反相。

[0032] 电路时序如图4所示，S1和S2为两个互为反相的非交叠时钟，S1d为S1的上升沿同步，下降沿延时时钟；S2d为S2的上升沿同步，下降沿延时时钟。第一级积分器在S1 相位进行采样，在S2相位进行积分。第二级积分器在S2相位时进行采样，S1相位时积分。第三级积分器在S1相位时进行采样，S2相位时积分。EVAL为比较器时钟，下降沿有效。RESET为复位信号，在每次完成转换之后，都对系统进行复位。

[0033] 多路选择器原理如图5所示，MODEL1和MODEL2为多路选择器的输入端，高电平有效，SW1-SW5为多路选择器的输出信号。通过控制MODEL1和MODEL2的电平来选择电路的输入模式。其具体电路如图6所示，它由数字与门和或门组成。MODEL1为高电平，MODEL2为低电平时，电路为双端输入模式，SW1和S1接相同时序，SW2和SW3导通，SW4和SW5断开；MODEL1为低电平，MODEL2为高电平时，电路为单端输入模式，SW1、SW3、SW4和SW5导通，SW2断开。

[0034] 开关电容积分器采用自动归零技术来消除运放的输入失调电压，图3中以OTA1的负输入端来看，开关S1、S1d闭合时为采样相，电容CX1被充电至VDD；开关S2、S2d闭合时为积分相，电容CX1上的电荷转移到积分器Cint上。以单端结构为例，图7（a）和（b）描述了开关电容积分器工作的两种状态。在S1相位，如图7（a）所示，运放切换到单位增益模式，运放的输入失调电压（即VX）存储到电容CC上，输入电容Cs被充电至VDD；在S2相位，如图7（b）所示，电容CC与运放串联，积分电容Cint接到反馈环路中。由于负反馈，VX大致保持在输入失调电压，所以节点VG保持在虚拟地电位。因此，电容Cs上的电荷将全部转移到Cint上，运放输入失调电压对积分器的输出电压Vout基本不产生影响。为了满足电路在两种输入模式下均能正常工作，同时达到所需的精度要求，第一级运放至少需要达到72dB。因此第一级运放OTA1采用密勒补偿形式的两级结构运放，增益达到120dB，其电路结构如图8所示，输入级采用折叠式共源共栅运放，PM2和PM3、NM4和NM5为输入对管，采用了NMOS和PMOS并联结构，可以获得较大的输入摆幅，PM25和NM26、PM27和NM28为输出级，采用Class-AB推挽式结构，可以实现在静态时输出管具有较小的直流电流，在动态时提供所需要的大电流，从而提高电源功耗的利用率。利用电阻分压检测两个输出端的平均电压，然后与外部设置的共模电平VCM进行比较，产生反馈电流，该电流经过节点A1和A2注入到NM17和NM18中，完成共模信号的反馈。

[0035] 以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

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