JPH04503713A - センサ信号の処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 センサ信号の処理装置 本発明は、容量式センサから供給されるセンサ信号を処理するための装置を対象 とし、この場合該センサは、検出されるべき物理的な測定量により影響される測 定容量を有する測定コンデンサおよび、別の形式で影響される基準容量を有する 少なくとも１つの基準コンデンサを含み、さらに前記センサはこれらの両方に依 存する測定結果を供給するようにし、さらに前記の処理装置は、スイッチ・コン デンサ・構成体と電荷バランスとを用いての、量子化された電荷転送の方式で少 なくとも時間平均において動作する信号地理回路を備えており、該信号処理回路 は測定結果を表わすセンサ信号を受信して、該測定結果に相応する出力信号を供 給するようにし、該コンデンサの第１の電極が固定の電位へ置かれるようにし、 さらに第２の電極は電荷転送を実施する目的で入力演算増幅器の第１の入力側と 接続可能であり、該第２の入力側は基準電位へ置かれており、該基準電位は、転 送される電荷パケットの形成のために必要とされる、コンデンサの電荷入れ替え の目的のために切り換えられるように構成されている。

刊行物”ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　。

ｎ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ”、１ ２．１９８７の第８７３頁〜第８７８頁に記載されている容量式センサから供給 されるセンサ信号を処理するための装置においては、該センサは、検出されるべ き物理的な測定量により影響される測定容量を有する測定コンデンサおよび、別 の形式で影響される基準容量を有する少なくとも１つの基準コンデンサを含み、 さらに前記センサはこれらの両方のコンデンサに依存する測定結果を供給するよ うにし、さらに前記の処理装置は、スイッチ・ｂンデンサ・構成体および電荷バ ランスを用いての量子化された電荷転送の方式により少なくとも時間平均におい て動作する信号処理回路を備えており、該信号処理回路は測定結果を表わすセン サ信号を受信して、該測定結果に相応する出力信号を供給する。

スイッチ・コンデンサ・構成体と電荷バランスを用いての、量子化された電荷伝 送方式による信号処理は次の利点を有する。即ち使用される演算増幅器のオフセ ット電圧が出力信号へ影響を与えないこと、回路をＣＭＤＳ技術で完全に集積化 可能であること、および正確でかつ長時間安定する基準電圧を必要としない利点 を有する。さらに電荷伝送を実施するスイッチ・コンデンサ・構成体を制御する クロックパルスから、周波数比またはパルスオンオフ比が測定結果に比例する２ つのクロックパルス信号が導出され、そのため測定結果がディジタル形式で設け られる。この公知の回路の場合、センサのコンデンサの電極がないしこれらのコ ンデンサに共通の電極が、信号処理回路へ導びかれる信号線路により演算増幅器 の一方の入力側と接続されている。さらにその他方の入力側は固定の電位へ例え ばアース電位へ置かれる。センサコンデンサの別の電極には、周期的に操作され るスイッチにより、伝送されるべき電荷パケットの形成のための電荷入れ替えに 必要とされる電圧が加えられる。

前述の装置の欠点は、センサコンデンサの全部の電極が作動されることである。

そのため信号線路と接続されている電極へ外部の電界から電荷が入力結合される 時に、この装置の機能が損なわれることがある。その抑圧のために必要とされる 遮へいが構造および使用を制限し、そのため必ずしも常に使用できるとは限らな い。

本発明の課題は、スイッチ・コンデンサ・構成体と電荷バランスを用いての量子 化された電荷伝送方式の利点の維持の下に、センサコンデンサの片側を任意の電 位へ固定可能にすることである。

本発明による装置の場合、演算増幅器の両方の入力側は、オフセット電圧を除い て、仮想的に同じ電位に置かれる。そのため入力演算増幅器の基準電位の切り換 えにより、その都度に他方の入力側と接続されているコンデンサ電極の電位が同 様に変化される。このようにしてセンサコンデンサの電荷入れ替えに必要とされ る電圧変化が、信号線路と接続されているコンデンサ電極から取り出せるように なる。他方、常に作動されない他方の電極は任意の電位へ置かれる。この電位は 例えば相応のセンサのケーシング電位とすることができる。この電位のために、 この電位が短絡領域において、信号処理に用いられる給電信号に対して安定でな ければならないという条件だけが生ずる。

本発明の有利な構成が請求項２以下に示されている。

本発明の別の特徴および利点は、図面に表示されている実施例の説明に示されて いる。

第１図は本発明の基礎とする課題を説明する基本図である。第２図は容量式セン サの横断面図である。第３図はスイッチ・コンデンサ・構成体を用いての量子化 された電荷転送と電荷バランスとにより動作する信号処理回路−その出力信号は 周波数である−の第１実施例の回路図である。第４図は第３図の信号処理回路の 作動の際に生ずる信号の時間ダイヤグラム図である。

第５図はスイッチ・コンデンサ・構成体を用いての量子化された電荷転送と電荷 バランスとにより動作する信号処理回路−その出力信号は周波数である−の第２ 実施例の回路図である。第６図は第５図の信号処理回路の作動の際に生ずる信号 の時間ダイヤグラム図である。

一層よく理解できるように第１図に本発明の基礎とする、センサ信号の処理の基 本が示されている。第１図は物理量Ｇを測定すべき容量式センサｌと、このセン サ１に接続されている信号処理回路２を含む、センサｌは測定コンデンサを有し それの容量は、測定径れるべき物理量に依存して変化される。給電信号源３はセ ンサｌへ給電信号Ｖを供給し、この信号は、測定容量の変化を電気的センサ信号 へ変換する。このセンサ信号は信号処理回路２へ導びかれ、測定結果Ｍを表わす 、この測定結果は、測定されるべき物理量Ｇと測定容量との間の関係を示す、信 号処理回路２はセンサ信号を所望の形式の、例えば基準信号Ｓ　ｒ＊ｌに関する 出力信号Ｓへ変換する。信号処理回路２の形成に応じて出力信号Ｓは例えばアナ ログ信号、ディジタル信号または周波数とすることができる。

例えば測定されるべき量Ｇが圧力であることを前提−とされている時は、センサ ｌとして、第２図に切欠図で示されている容量式圧力センサ１０を用いることが できる。圧力センサ１０は基体１１とダイヤフラム１２を有しており１、これら は周縁においてスペーサリング１３により互いに結合されている。ダイヤフラム １２の、基体１１と同じ側の面に金属化部１４が設けられている。この金属化部 は、スペーサリング１３と基体１１を貫通する接続線１５と接続されている。基 体１１のダイヤフラム１２と同じ側の面は、中央の円形の金属化部１６を支持し ており、この金属化部は基体１１を貫通する接続線１７と接続されている。さら に前記の面は、金属化部１６を囲むリング状の金属化部１８を有しており、これ は、基体１１を貫通する接続線１９と接続されている。

ダイヤフラム１２の外面へ圧力Ｐが作用するとダイヤフラムは変形し、その結果 、金属化部１４の中央領域とこれに対向する中央の金属化部１６との間の間隔が 、この圧力に依存して変化する。そのため両方の金属化部１４と１６は測定コン デンサの電極を形成し、その容量Ｃ８は圧力に依存して接続線１５と１７の間で 測定できる。他方、金属化部１４の周縁領域とこれに対するリング状の電極１８ との間の間隔は、ダイヤフラム１２の圧力に依存する変形の場合に実質的に変化 されない、何故ならばこの間隔はスペーサリング１３により固定されているから である。そのため両方の金属化部１４と１８は基準コンデンサの電極を形成し、 その容量ＣＩｌｌは圧力Ｐには依存せずに接続線】５と１９との間で測定するこ とができる。

圧力に依存する測定結果Ｍは信号処理回路２において、出力信号Ｓ／Ｓ、、＋の 発生の目的で用いられる。

そのためこの測定結果はこの種の容量式圧力センサの場合、基準容量Ｃｒ　＊　 ｌに対する測定容量Ｃ，の相対的変化である。測定結果は、適用例に応じて異な る形式で形成できる９例えば測定結果Ｍ−よ、測定容量と基準容量との間の容量 比Ｃつ／Ｃ＝−ｔに相応させることができる。さらに容量比（Ｃ，−Ｃ，，１） ／、Ｃ，，１も用いられる。何故ならば差の形成により一層大きい相対変化を得 ることができるからである。別の構成として容量比（ｃ、−ｃ、、＋）、、ＩＣ ，、も可能である。もちろん、圧力に依存する容量Ｃ８だけを測定結果として用 いることもできる。しかし商形成は、両方のコンデンサＣ８およびＣ７１，へ同 様に作用する障害となる影響から実質的に影響されない利点を有する。

第３図は容量式センサ２０から供給されるセンサ信号の信号準備処理用の、第１ 図の信号処理回路２の実施例を示す、センサ２０は容量Ｃ，の測定コンデンサ２ １および容量Ｃ２０，の基準コンデンサ２２を含む。

電極２４は測定コンデンサ２１および基準コンデンサ２２に共通である。測定コ ンデンサ２１は、共通の電極２４と共同する電極２６により、構成されている。

さらに基準コンデンサ２２は、共通の電極２４と共働する電極２８により、構成 されている。容量式センサ２０は例えば第２図に示されている構造を有しており 、この場合、第３図の電極２４，２６．２８は第２図の金属化部１４．１６ない し１８に相応する。所期の測定結果Ｍは容量比（Ｃ，−Ｃ，，１）ＩＣ，，１で ある。

共通の電極２４はその、第２図の接続線１５に相応する接続線２５を介して、固 定の電位へ置かれる。この電位は例えばセンサ２０のケーシング電位とすること ができる。そのためセンサ２０は片側が電位に接続されている、第３図において 接続線２５における電位は、固定の電圧Ｕ１だけ、基準線３０の電位とは異なる ；電位Ｕ、＄１図の給電電圧Ｖとは異なる。

電極２６．２８は、第２図の接続線１７ないし１９に相応する遮へいされた信号 線２７．２９を介して、信号処理回路の機能ブロック３１と接続されている。

機能ブロック３１は２つのスイッチ群３２と３３を含む、この機能ブロックにさ らに、３つの直列に接続された抵抗３５，３６．３７を有する分圧器３４が所属 する。この分圧器へ、接続線２５と基準線３０との間に形成される電圧Ｕ１が加 えられている１分圧器３４は、抵抗３５と３６との間の第１のタップ３８および 、抵抗３６と３７との間の第２のタップ３９を有する。

分圧器３４に電圧Ｕ１が加えられると、タップ３８と基準線３０との間に電圧Ｕ 、が形成され、さらにタップ３９と基準線３０との間に電圧Ｕ３が形成される。

　。

機能ブロック３１に一時メモリ４０が後置接続されている。このメモリは、演算 増幅器Ａ＋、容量Ｃ１のメモリコンデンサ４１および２つのスイッチ＄１とＳ、 を含む、スイッチＳ１が閉じられている時は、このスイッチは演算増幅器Ａ１の 出力側をその反転入力側と接続する。スイッチＳ、が閉じられている時は、この スイッチは演算増幅器Ａ、の出力側をメモリコンデンサ４１の一方の電極と接続 する。このメモリコンデンサの他方の電極は演算増幅器Ａ、の反転入力側と接続 されている。そのためメモリコンデンサ４１は演算増幅器Ａ１の帰還回路の中に 存在する。非反転入力側に加えられる演算増幅器Ａ１の基準電位は、電圧Ｕ４に よる基準線路３０の電位とは異なる０反転入力における電位は、演算増幅器Ａ、 のオフセット電圧Ｕ、ｌだけ、非反転入力側の基準電位とは異なる。

演算増幅器Ａ、の反転入力側と基準線路３０との間に、第３図においてコンデン サ記号で示されている寄生容量Ｃ，が形成される。

スイッチ群３２は４つのスイッチＳ、、Ｓ、、Ｓ、。

Ｓ、を含む、スイッチＳ、が閉じられている時は、このスイッチは測定コンデン サ２１の電極を演算増幅器Ａ１の反転入力側と接続する。スイッチＳ４が閉じら れている時は、このスイッチは測定コンデンサ２１の電極２６を演算増幅器Ａ、 の非反転入力側における基準電−位へ接続する。スイッチＳ、が閉しられている 時は、このスイッチは基準コンデンサ２２の電極２８を演算増幅器Ａ１の反転入 力側と接続する。スイッチＳ、が閉じられている時は、このスイッチは基準コン デンサ２２の電極２８を演算増幅器Ａ、の非反転入力側における基準電位へ置く 。

スイッチ群３３は２つのスイッチＳ、とＳ、を含む。

スイッチＳ、が閉しられている時は、このスイッチは演算増幅器Ａ、の非反転入 力側を分圧器３４のタップ３８と接続する。そのため演算増幅器Ａ、の非反転入 力側に加わる電圧Ｕ４は電圧Ｕ、により形成される。スイッチＳ、が閉じられて いる時は、このスイッチは演算増幅器Ａ１の非反転入力側を分圧器３４のタップ ３９と接続する。そのため演算増幅器Ａ１の非反転入力側に加わる電圧Ｕ４が電 圧Ｕ、により形成される。

一時メモリ４０に積分器４２が後置接続されている。

積分器４２は演算増幅器Ａ　ｚ　１　この演算増幅器Ａ、の帰還回路中に設けら れている、容量Ｃ２の積分コンデンサ４３．およびスイッチＳ、を含む、スイッ チＳ、が閉じられている時は、このスイッチは演算増幅器Ａ、の反転入力側を、 一時メモリ４０におけるメモリコンデンサ４１と接続する。演算増幅器Ａ１の非 反転入力側はアースへ置かれている０反転入力側における電位は、演算増幅器Ａ 、のオフセット電圧Ｕ０．たけ、非反転入力側のアース電位とは異なる。演算増 幅器Ａ、の出力側と基準線路３０との間に出力電圧ＵＡ！が現われる。

積分器４２に後置接続されている比較器４５は演算増幅器Ａ３を含む、この演算 増幅器は公知の様に、その帰還路が開かれている閾値比較器として接続されてい る。演算増幅器Ａ、の反転入力側は積分器４２における演算増幅器人、の出力側 と接続されている。さらに演算増幅器Ａコの非反転入力側へ、基準線路３０に対 して閾値電圧Ｕ、が加えられる。演算増幅器Ａ、の両方の入力側の間にオフセッ ト電圧Ｕｏｓが形成される。

この種の閾値比較器の公知の作用に応じて、演算増幅器Ａ３の出力電圧ＵＡＩは 、電圧Ｕ。が閾値電圧Ｕ、を上回わる時に低い値を取り、電圧ＵＡ１が閾値電圧 Ｕ、を下回る時に高い値を取る。

スイッチＳ、〜Ｓ、は、制御回路４６により供給される制御信号により、操作さ れる。制御回路は、クロックパルス発生器４７により供給されるクロックパルス 信号により、同期化される。簡単化のために制御信号にはこれらにより制御され るスイッチと同じ記号Ｓ１゜Ｓｔ、、、Ｓｓが付されている。制御信号の時間経 過が第４図のダイヤグラムに示されている。各々のスイッチＳ＋　、　Ｓｔ、、 、　Ｓｓは、これを制御する信号が低い値を有する時は開かれており、他方、こ れを制御する信号が高い信号値を有する時は閉じられている。

スイッチ３１１３ｔ、、、Ｓ、は記号では機械的スイッチとして示されているが 、もちろんこれらは実際は、例えば電界効果トランジスタにより構成される迅速 な電子スイッチにより構成されている。

ｆｐＪ＃回路４６は制御入力側を有しており、これは比較器４５における演算増 幅器Ａ、の出力側と接続されている。さらに制御回路４６は、測定サイクル計数 器４８へ接続されている出力側と、補償サイクル計数器４９へ接続されている別 の出力側とを有する。

Ｍ３図に示されている回路は電荷バランス方式で動作する。スイッチＳ、〜Ｓ、 により制御されて相続くサイクルにおいて、センサ２０のコンデンサ２１と２２ へ電荷パケットが形成される。この電荷パケットは電圧Ｕｚ、　Ｕｊおよび、こ れらのコンデンサの容量Ｃ！。

Ｃ７，、に依存する。この回路内での電荷パケットの最大員は、センサ２０の所 定の容量値の場合、分圧器３４により定められる。電荷パケットはメモリコンデ ンサ４１において一時記憶され、さらにスイッチＳ、の閉成により積分コンデン サ４３へ伝送されてここで加算される。電圧ＵＡＩは積分コンデンサ４３におけ る電圧に相応する。後者の電圧は、積分コンデンサにおいて積分される電荷に依 存する。この回路の経過は、Ｃ−＞　Ｃ、−ｒの場合に電圧ＵＡ！が連続的によ り小さくなるように、制御される。電圧ＵＡ！が比較器４５の所定の閾値電圧Ｕ 、を下回わると、比較器の出力電圧Ｕ　ａ　ｓはその最大値へ跳躍し、これによ り制御回路４６が補償サイクルの実施のために始動される。この補償サイクルに おいてスイッチＳ、　＝　Ｓ、が次のように制御される。

即ちスイッチＳ、の次の閉成の際に積分コンデンサ４３へ、基準コンデンサ２２ の容ｊｌＣ−ｒに実質的に比例する補償電荷パケットが、電圧ＵＡ！が再び閾値 電圧Ｕ、よりも高められるような極性で伝送されるように、制御される。これに より積分コンデンサ４３において電荷バランスが行なわれる、何故ならば、時間 平均において、全部の積分された電荷パケットの和はゼロに等しいからである。

このバランスは、電圧ＵＡ、が比較器４５の閾値電圧Ｕ、を下回わる時点に、常 に存在する。

前述の経過を次に第４図のダイヤグラムを用いて詳細に説明する。第４図のダイ ヤグラムは、スイッチ制御信号８１〜Ｓ、の前述の時間経過のほかに、さらに複 数個のサイクル−そのうちの１つは補償サイクルにである−における電圧Ｕ、、 ＵゎおよびＵＡ！の、ならびにメモリコンデンサ４１における電圧Ｕｃ、の時間 経過も示す、補償サイクルではない別のサイクルは測定サイクルＭと称される。

各々のサイクルは６つの時相から成り、１〜６が付されている。

スイッチＳ１とＳ！は周期的な方形波信号によりプッシュプル形式で制御される 。その結果、スイッチＳＩが閉じられている時はスイッチＳｌが開かれており、 スイッチＳ、が開かれている時はスイッチＳ１が閉じられている。各々のサイク ルにおいてスイッチＳ１は、時相１−２および４−５の間中は閉じられており、 時相３および６の間中は開かれている。スイッチＳ、が閉じられかつスイッチＳ 、が開かれている時は、演算増幅器Ａ１の入力回路中に設けられている、センサ ２０のコンデンサ２１および２２はスイッチＳ、ないしＳ、により、演算増幅器 Ａ１の反転入力側に形成される電圧へ置かれて相応に充電される。この場合この 充電によりメモリコンデンサ４１における電荷が影響されない。この状態は“条 件化時相”と称される。

スイッチＳ、とＳ、も周期的な方形波信号によりブツシュプル形式で制御される 。その結果、スイッチＳｌが閉じられている時はスイッチＳ、が開かれており、 スイッチＳ、が開かれている時はスイッチＳ、は閉じられている。スイッチＳ７ が閉じられかつスイッチＳ、が開かれている時は、電圧Ｕ４は電圧Ｕ、に等しい ：スイッチＳｌが閉じられかつスイッチＳ、が開かれている時は５電圧Ｕ、は電 圧Ｕ、に等しい、この場合、Ｕ　！　＞　Ｕ　−である。測定−および補償電荷 パケットは実質的に電圧Ｕ４の跳躍的変化により形成される。

スイッチＳ、はその都度にスイッチＳ、と同期して操作される。スイッチ＄４は 補償サイクルを除いてその都度にスイッチＳ、と同期して操作される。スイッチ Ｓ、とＳｌのタスクは、センサ２０のその都度に作動されない信号線路２７ない し２９を、作動中の信号線路の電位から演算増幅器Ａ１のオフセット電圧だけ下 回わる電位へ置くことである。これにより誤電荷が、その都度に作動されないセ ンサコンデンサ２１ないし２２およびその信号線路２７ないし２９を介して作動 中の線路へ入力結合されることが、回避される。この作用は以下の説明において 前提とされる；そのためスイッチＳ、と８６のその都度の位置は特別に述べない 。

次に信号処理回路の作動の時間経過を、最初に測定サイクルＭの場合に、次に補 償サイクルにの場合に説明する。

１．７Ｊｉ定サイクル 時相１・ 各々の測定サイクルＭの時相１の始めにメモリコンデンサには、先行のサイクル において形成された電荷がまだ存在している。スイッチＳＩとＳ・は閉じられ、 他方、同時にスイッチＳ、が開かれる。これによりメモリコンデンサが演算増幅 器Ａ、の出力側から切り離されて、積分器４２の入力側と接続される。その結果 、メモリコンデンサ４１から積分コンデンサ４３への電荷伝送が行なわれる。さ らに時相ｌにおいてスイッチＳ７が開かれてスイッチＳ、が閉しられる。その結 果、演算増幅器Ａ、の非反転入力側における電圧Ｕ、が、電圧Ｕ、により形成さ れる。メモリコン、デンサ４１の放電後にメモリコンデンサ４１に式（１）で示 される定量化された電圧が加えられる。

Ｕｃ、　＝　ＩＪ６！　−Ｕｓ　−Ｕｏ＋　（１）そのためメモリコンデンサ４ １に式（２）で示される残留電荷が存在する。

Ｑｃ、＋＋ｕ　＝　（Ｕｏｘ　−ｌ３３−　Ｕ＝＋）　・Ｃ，（２）入れ替え電 荷員は積分コンデンサ４３へ流れるつ各々のサイクルの全部の時相２〜５におい てスイッチＳ、が開かれている。その結果この時相においてメモリコンデンサ４ １から積分コンデンサ４３への電荷入れ替えは行なうことができない。

さらに時相１においてスイッチＳ８が閉じられている、その結果、測定コンデン サ２１は演算増幅器Ａ１の反転入力側と接続されている。同時にスイッチＳ１が 閉じられスイッチＳ２が開かれているため、この回路は測定コンデンサ２１のた めの条件化時相にある。

測定コンデンサ２１はＵ、−Ｕ、により、式（３）で示される電荷へ充電（条件 化）される。

Ｑｃｘｎ＋　＝　（Ｕｏ＋　＋　Ｕｓ　−Ｕｌ）　（３）この場合この充電によ りメモリコンデンサ４１の電荷は影響を受けない。

時相２： 時相２においてスイッチＳ、が開かれ、他方、スイッチＳ、は開かれたままであ る。その結果、センサ２０の両方のコンデンサ２１と２２は演算増幅器Ａ、の入 力側から切り離されている。同時にスイッチＳ、が閉じられスイッチＳ、が開か れ、その結果、電圧Ｕ、が値Ｕ３から埴Ｕ、へ跳躍する。寄生容量Ｃ−よ相応に 電荷が入れ替えられる。さらにスイッチＳｌが閉じられスイッチＳ、が開かれて いるため、寄生容ＩＣ２の電荷入れ替えのために必要とされている全を荷が演算 増幅器Ａ１の出力側から供給される。メモリコンデンサ４１と積分コンデンサ４ ３の電荷は、この電荷入れ替えにより影響を受けない。

時相３゜ 時相３においてはスイッチＳ１が開かれておりスイッチＳ、が閉じられている。

その結果、一時メモリ４０は、電荷をメモリコンデンサ４１へ引き受ける準備状 態にある。同時にスイッチＳ、が再び閉じられている。その結果、測定コンデン サ２１は演算増幅器Ａ１の反転入力側と接続されていて、式（４）で示される電 荷へ入れ替えられる。

Ｃ６ｘ（１＋　”　（Ｕ６１　＋　ＵＫ　−ロ＋　）　（４）式（５）で示され る入れ替え電荷量はメモリコンデンサ４１へ流れる。

ｄＱｃ−＋ｓ＋　＝　Ｑｃ−＋ｘ＋　−Ｑｃ−＋＋＋　＝　（ＩＩ：　−ＩＪ＋ ）　・Ｃ−（５）時相４： 時相４は基準コンデンサ２２に対する条件化時相である、何故ならばスイッチ＄ １が閉じられスイッチＳ。

が開かれており、同時にスイッチＳ、が閉じられているからである。その結果、 基準コンデンサ２２が演算増幅器Ａ、の反転入力側と接続されている。さらにス るため、電圧Ｕ１は値Ｕ、を有する６そのため基準コンデンサ２２は式（６）で 示される電荷へ充電（条件化）される。

Ｑｃ＋＊＋＋＋＋　＝　（Ｕｏ＋　＋　Ｕｓ　−Ｕｌ）　・Ｃｒ＊ｔ　（６）こ の場合、この充電によりメモリコンデンサ４１の電荷が影響はされない。

時相５： スイッチＳ、が開かれ、その結果、基準コンデンサ２２が演算増幅器Ａ１の反転 入力側から切り離される。

スイッチＳ、が開かれスイッチＳ、が閉じられ、その結果、電圧Ｕ４が値Ｕ、か ら値Ｕ、へ跳躍して寄生容量Ｃ３が相応に電荷が入れ替えられる。さらにスイッ チＳ１が閉じられスイッチＳ、が開かれているため、寄生容量Ｃ２の電荷入れ替 えのために必要とされる全電荷が演算増幅器Ａ、の出力側から供給される。この 場合この動作によりメモリコンデンサ４１の電荷および積分コンデンサ４３の電 荷が影響されない。

時相６ 時相６においてスイッチＳ、が開かれスイッチＳ、が閉じられている。その結果 、一時メモリ４０は、電荷をメモリコンデンサ４１へ伝送する準備状態にある。

同時にスイッチＳ、が再び閉じられ、その結果、基準コンデンサ２２が演算増幅 器Ａ、の反転入力側と接続されて式（７）で示される電荷へ入れ替えられる。

Ｑｃ２．＋＋−＋　＝　（Ｕ０＋　＋　Ｕｓ　−Ｕｌ）　（７）式（８）で示さ れる入れ替え電荷量がメモリコンデンサ４１へ流れる。

ｄＱｃ−−ｔ　＋＊、”　Ｑｃ、−＋　ｔａ＋−Ｑｃ−ｒ　＋−＋＝　−＜Ｕｓ −Ｕｓ’ｌ’Ｃ１−＋　（８）そのため測定サイクルＭが終了される。測定サイ クルＭの終りにメモリコンデンサ４１が式く９）で示される合成電荷を有する。

Ｑｃｌ　＝　Ｑｃ＋＋＋＋＋＋　ｄＱｃｌ、＋＋＋　ｄＱｃｚｚｓ＋−Ｃ６，。

＋＋　（Ｕ２−０３）・（Ｃ，−Ｃ，、、）　（９）後続のサイクルの時相１に おいてメモリコンデンサ４１が再び式（２）で示される残留電荷Ｑｃｘ＊＋へ放 電される。この場合、式（１０）で示される入れ替え電荷が積分コンデンサ４３ へ伝送される。

ｄＱ、−Ｑｃ、ｆＲｌ−ＱＣ，＝−（Ｕ、−Ｕｌ）−（Ｃ，−Ｃ，，１）　＜１ （１）入れ替え電荷量ｄＱｙは測定電荷パケットと称される。

Ｃ工〉Ｃ２，ＩかっＵユ＞　Ｕ　ｓのためこの測定電荷パケットｄＱ、は負であ る。その結果このことが電圧ＵＡｆｆにおいて負の電圧跳躍的変化を生ぜさせる 。

各々の測定サイクルＭの時相１〜６が、電圧ＵＡ！がコンデンサ４５の閾値電圧 Ｕ、を上回わり、さらに電圧ＵＡ、のレベルが低い値から高い値へ移行するまで 、周期的に繰り返される。これにより補償サイクルにの実施のための制御回路４ ６が始動される。

２、補償サイクルに 補償サイクルにのための経過順序は測定サイクルＭの経過順序と同一であるが、 ただし異なる点は、スイッチＳ、が常に開かれておりスイッチＳ、が常に閉じら れていることである。これにより補償サイクルにの全体の間中は電荷が測定コン デンサ２２からメモリコンデンサ４１へ流れ）い。その結果、式（５）ではなく 次の式（１１）が当てはまる： ｄＱｃ−＋ｓ＋　＝　Ｏ（１１） 式（１１）と式（８）を式（９）の中へ代入すると、補償サイクルにの終りのメ モリコンデンサ４１における合成電荷として式（１２）が得られる：Ｑ（１”　 Ｑｃｌ、ｌ÷ｄＱｃｘ　＋ｓ＋＋　ｄＱｃ＋＊＋　＋ｓ＋＝　Ｑｃ−＋＋ｕ−（ Ｕｔ−Ｕｓ）　・　Ｃ１，、＋　（１２）後続のサイクルの時相ｌにおいてメモ リコンデンサ４工が再び式（２）で示された残留電荷Ｑ　ｃ　ｅ。、へ放電され る。この場合、式（１３）で示される入れ替え電荷が積分コンデンサ４３へ伝送 される。

ｄＱｇ　−ＱＣ＊Ｔｌ１ｌ−Ｑｃｓ　”÷（Ｕｓ−Ｕｓ）・ｃｙｓｔ　（１３） 入れ替え電荷量ｄＱえは補償電荷パケットと称される。

Ｕ　１　＞　Ｕ　、のため補償電荷パケットｄＱｘは正でありその結果このｄＱ ｘが電圧ＵＡ！における正の電圧の跳躍変化を作動させる。この正の電圧跳躍変 化の結果、電圧ＵＡ！が再び閾値電圧Ｕ、よりも高められる。その結果、電圧Ｕ 、のレベルが再び高い値から低い値へ移行する。これにより制＃回路４６が再び 測定サイクルＭの実施のために作動され、さらに補償サイクルＫが終了される。

電荷バランス 式（１０）および（１３）により測定電荷パケットｄＱＭおよび補償電荷パケッ トｄＱえが示されている。

ち積分コンデンサ４３における電荷バランスが用いられる。電荷バランスは時間 的平均において常に、閾値電圧Ｕ、を下回わる時点において存在する。積分コン デンサ４３の電荷状態を考察すると、所定数の測定電荷パケットｄＱＭが、閾値 電圧Ｕ、を下回わるまで、積分される；次に積分された測定電荷パケットは補償 電荷パケットｄＱににより補償され、さらにこの過程が最初から新たに始められ る。

制御回路４６は測定サイクルＭの各々の実施の場合に１つのパルスを測定サイク ル計数器４８の計数器入力側へ供給し、他方、補償サイクルの実施ごとに１つの パルスを補償サイクル計数器４９の計数入力側へ供給する。測定サイクル計数器 ４８が全部でｎ個の測定サイクルＭを計数し、かつ補償サイクル計数器４９が全 部でに個の補償サイクルＫを計数した時間間隔を考察すると、電荷バランスの結 果、式（１４）と式（１５）が当てはまる： ｎ−ｄＱＭ＋　ｋ−ｄＱｔ　−０（＋４）−ｎ・（Ｕｚ−Ｕｓ）・（Ｃ−Ｃｒａ ｚ）÷ｋ・、（Ｕ、−Ｕｓ）・Ｃ，、、＝　０　（１５）そのため所期の容量比 が、前述の時間間隔において計数器４８と４９において計数されたパルスから、 式、（１６）により示されるように直接求められる：ｋ　Ｃ，−Ｃ，，１ 一＝　（１６） ｎ　Ｃｒ　ａ　１ 両方の計数器４８および４９へ導びかれるパルス列の繰り返し周波数の比が形成 される吟も、同じ結果が得られる。

コンデンサ４１と４３の容量値、演算増幅器のオフセット電圧、センサ２０の基 準電位Ｕ１．この回路の作動電圧１周波数−この周波数で制御回路４６がクロッ ク制御される−は、式（１６）に示されている様に、測定結果へは参入しない。

電圧Ｕ１の値はこの回路の動作領域だけにより制限される。

第３図に信号線路２７および２９が、スイッチ群３３から演算増幅器Ａ、へ導び かれる線路と接続されている。そのためこのシールドの電位は入力演算増幅器の 変化する基準電位へ追従され、そのため実質的にシールド導体の電位に常に相応 する。この構成も作動中の信号線路へのエラー電荷の入力結合を回避するのに寄 与する。

第５図は、容量式センサ２０から供給されるセンサ信号の信号準備処理用の、第 １図の信号準備処理回路２のＭ２実施例を示す、第５図の信号準備処理回路は第 ３図のそれとは次の点で異なる。即ちその比較器４５ならびに両方の計数器４８ ．４９が設けられていない、しかしその他の部分回路および部品は含まれており 、これらは第３図におけるのと同じ参照記号が付されている。別の相違点は、ス イッチＳ　ｌ　ａ　＋　Ｓ　Ｉ　＋から成る第３のスイッチ群５０の存在である 。

分圧器３４の、基準線路３０とは反対の側は、スイッチＳ１゜を介して積分器４ ２の出力側と、またはスイッチＳ　Ｉ＋を介して接続線２５と接続されている９ 両方のスイッチＳ１゜＋ＳＩ＋−これらのｆ＃ＩＪ＃信号も制御回路が発生する ーは同時には閉じられていない、さらにこれらのスイッチは一スイッチＳ、、、 、　Ｓ、のように−、制御信号が低い信号値を有する時は開かれており、高い信 号値を有する時は閉じられている。それらの制御信号にも同じ参照記号Ｓ、。＋ Ｓ１１が付されており、これらは迅速な電子スイッチを用いて実現されている。

第５図の回路も第３図の回路と同様に電荷バランスの形式で動作する。さらにス イッチＳ、１．．　Ｓ、＋こより制御されて相続くサイクルでセンサ２０のコン デンサ２１．２２へ電荷パケットが形成される。これらの電荷パケットは、これ らのコンデンサＣう、Ｃ，、、の電圧Ｕ　１　、　Ｕ　ｓおよび容量に依存する 。この回路内の電荷パケットの最大量はセンサ２０の所定の容量値の場合、分圧 器３４により設定される。電荷パケットはメモリコンデンサ４１において一時記 憶され、スイッチＳ。

の閉成により積分コンデンサ４３へ伝送されここで加算される。電圧ＵＡ１は、 このコンデンサで積分される電荷に依存する、積分コンデンサ４３における電圧 に相応する。

第５図の同じく通常の機能の経過を、次に第６図の４図のダイヤグラムと異なる 点を詳細に説明する。第６図は、スイッチ制御信号Ｓ＋、、、　Ｓ目の時間経過 のほかに、さらに電圧Ｕａ、ＵＡｌの時間経過およびメモリコンデンサ４１にお ける電圧の時間経過を複数個のサイクルにおいて示す、このサイクルのうち各々 の第２のサイクルは補償サイクルにである。補償サイクルではないその他のサイ クルは測定サイクルＭと称する。

ｊＩ６図における両方の種舐のサイクルの交番する順序は一例にすぎない；さら に任意の個数の補償サイクルを任意の個数の測定サイクルへ続けることができる 。

各々のサイクルは同様に６つの時相から成り、これらに番号１〜６が付されてい る。

スイッチＳ＋、、、Ｓａの制御およびこれにより形成される機能は第３図のスイ ッチＳ、、、、　Ｓ、のそれらと同一である。第３図とは反対にスイッチＳ、は 各々の補償サイクルにの間中は開かれたままであり、その結果、積分コンデンサ ４３へは測定サイクルＭのそれぞれ位相１の間中に電荷が伝送される。

さらにＳ目は測定サイクルＭの間中および補償サイクルにの時相１−この時間に おいてスイッチＳ１゜は開かれている−の間中は閉じられている。そのためこれ 　。

らの時点において、分圧器３４の基準線路３０とは反対側の端部が接続、［２５ にしたがって固定の電圧υ１に接続される。

この時相に式（１７）が当てはまる： Ｕ２−　Ｕｓ　＝　Ｕ＋　４３ｇ／（Ｒ３ａ”Ｒｓｓ＋Ｒ＋ｙ）　＝ＩＩＪ＋・ Ｖ＊　、（１７）他方、補償サイクルにの時相２〜６においてスイッチ３１１は 開かれスイッチＳ、。は閉じられている。そのため分圧器３４は積分器４２の出 力便と接続されておりしたがって分圧器３４に演算増幅器Ａ！のアナログの出力 電圧ＵＡ＊が加わる。

この時相において式（１８）が当てはまる：Ｕ２−　Ｕｓ　”　ＵＡｔ４ｓａ／ （Ｒｓｓ＋Ｒｓｇ＋Ｒｓｙ）　＝　ＵＡｔ’Ｖｔ　（１８）式（１７）、（１８ ）においてＲ，、、Ｒ３，、Ｒ，、で、分圧器３４の抵抗３５．．３６．３７の それぞれの抵抗値が示されている。

そのためサイクルの任意の個数ｎ、ｋに対して当てはまる式（１，５）、（１６ ）は次の形式を有するニーｎ−ＩＪ＋・Ｖ＊（Ｃ＋＋−（：ｔａｒ）　＋　ｋ− ＵＡ＊−ｖ＊−Ｃ，、ｔ　＝　Ｏ（１９）（ｋ／ｎ）・（ＵＡ！／ＩＩＩ）＝（ Ｃ，−Ｃ，，１）／Ｃ，、Ｔ　、　（２０）ＦＩＧ、４ ＦＩＧ、５ 要　約　す センサ信号の処理装置 この処理装置は、容態式センサ（１，１０，２０）から供給されるセンサ信号を 処理するために用いられる。このセンサは、検出されるべき物理的な測定量によ り影響される測定容量（Ｃｘ）を有する測定コンデンサ（２１）および、別の形 式で影響される基準容量（Ｃｒｅｆ）を有する少なくとも１つの基準コンデンサ （２２）を含み、さらに前記センナはこれらの両方に依存する測定結果（Ｍ）を 供給する。さらにこの処理装置は、スイッチ・コンデンサ・構成体と電荷バラン スとを用いての、量子化された電荷転送の方式で少なくとも時間平均４二おいて 動作する信号処理回路（２）を備えており、この信号処理回路は測定結果を表わ すセンサ信号を受信して、該測定結果に相応する例えばアナログの出力信号（Ｓ 　／　５ｒｅｆ）を供給する。コンデンサ（２１，２２）の第１の電極（１４； ２４）が固定の電位（Ｕｌ）へ置かれるようにし、さらに第２の電極（１６，１ ８，２６，２８）は電荷転送を実施する目的で入力演算増幅器（Ａｌ）の第１の 入力側と接続可能であり、その第２の入力側は基準電位（Ｕ４）へ置かれており 、この基準電位は、転送される電荷パケットの形成のために必要とされる、コン デンサ（２１，２２）の電荷入れ替えの目的のために切り換えられる。

国際調査報告 国際調査報告　ＰＣＴ／ＥＰ　９０１０２１２４

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．容量式センサ（１，１０，２０）から供給されるセンサ信号を処理するため の装置であって、該センサは、検出されるべき物理的な測定量により影響される 測定容量（Ｃｘ）を有する測定コンデンサ（２１）および、別の形式で影響され る基準容量（Ｃｒｅｆ）を有する少なくとも１つの基準コンデンサ（２２）を含 み、さらに前記センサはこれらの両方に依存する測定結果（Ｍ）を供給するよう にし、さらに前記の処理装置は、スイッチ、コンデンサ、構成体と電荷バランス とを用いての、量子化された電荷転送の方式で少なくとも時間平均において動作 する信号処理回路（２）を構えており、該信号処理回路は測定結果を表わすセン サ信号を受信して、該測定結果に相応ずる出力信号（Ｓ／Ｓｒｅｆ）を供給する ようにし、該コンデンサ（２１，２２）の第１の電極（１４；２４）が固定の電 位（Ｕ１）へ置かれるようにし、さらに第２の電極（１６，１８；２６，２８） は電荷転送を実施する目的で入力演算増幅器（Ａｌ）の第１の入力側と接続可能 であり、該第２の入力側は基準電位（Ｕ４）へ置かれており、該基準電位は、転 送される電荷バケットの形成のために必要とされる、コンデンサ（２１，２２） の電荷入れ替えの目的のために切り換えられるようにしたことを特徴とするセン サ信号の処理装置。
2. ２．電荷転送の実施の目的でその都度に入力演算増幅器（Ａ１）とは接続されな い方の、コンデンサの第２の電極（２６，２８）が、その基準電位（Ａ４）へ接 続されている請求項１記載の装置。
3. ３．入力演算増幅器（Ａ１）の第１の入力側へ導びかれる接続線の中に存在する 寄生容量（Ｐ）を除去する目的で、コンデンサ（２１，２２）が、基準電位（ｕ ４）の切り換え中は入力演算増幅器から分離されているようにした請求項１又は ２記載の装置。
4. ４．センサ（１，１０，２０）と入力演算増幅器（Ａ１）との間に、周期的に操 作される第１群のスイッチ（Ｓ３．．．Ｓ６）を含む機能ブロック（３１）が挿 入接続されており、該スイッチはコンデンサ（２１，２２）の第２の電極（２６ ，２８）を選択的に入力演算増幅器（Ａ１）の第１入力側と接続線するか、ない しその基準電位（Ｕ４）へ置くようにし、さらに前記の機能ブロック（３１）が 第２群の周期的に操作されるスイッチ（Ｓ７．．．Ｓ■）を含むようにし、該ス イッチは基準電位を切り換える目的で交番的に２つの電圧（Ｕ２，Ｕ３）の一方 または他方を演算増幅器（Ａ１）の第２入力側へ置くようにした請求項１から３ までのいずれか１項記載の装置。
5. ５．電極（２６，２８）から入力演算増幅器（Ａ１）へ導びかれる信号線路が遮 へいされており、該信号線路の電位が入力演算増幅器（Ａ１）の基準電位（Ｕ４ ）へ追従されるようにした請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. ６．機能ブロック（３１）が分圧器（３４）を含み、該分圧器から測定電荷パケ ットを形成するために用いられる電圧（Ｕ２，ｕ３）が取り出されるようにし、 さらに該分圧器は、測定電荷パケットを信号処理回路（２）の作動領域へ適合調 整する目的で、設定調整されている請求項１から５までのいずれか１項記載の装 置。
7. ７．アナログ出力信号（ＵＡ２）を有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の 装置において、分圧器（３４）の、基準導体（３０）とは接続されていない方の 終端が、第３スイッチ群（５０）の一方のスイッチ（Ｓ１０）を介して、補償電 荷バケット形成の目的で積分器（４２）の出力側と接続可能であるか、または第 ３スイッチ群（５０）の他方のスイッチ（Ｓ１１）を介して測定電荷パケット形 成の目的で固定の電位（Ｕ１）と接続可能であるようにした請求項１から６まで のいずれか１項記載の装置。