全文摘要
本实用新型公开一种数字输出两级双精度生物医学电容传感器接口电路，由电容时间转换电路和时间数字转换电路组成。采用两级双精度振荡器产生低精度、高精度两路参考信号，对被测电容进行双精度测量，在提高电容测量精度的同时，减少测量时间；同时，可根据被测电容的大小，对外接的参考电容的电容值和外部控制的可编程分频器的分频倍数进行调整，实现非固定、宽范围、高精度的电容检测；逻辑控制单元结构，使双精度参考信号可在分频后的被测信号的一个周期内完成测量，减少测量时间；电容的变化直接转换为数字编码输出，可减少模数转换单元，方便与后续芯片级联，降低电容测量误差。
主设计要求
1.一种数字输出两级双精度生物医学电容传感器接口电路，包括接口电路本体，其特征是，所述接口电路本体由电容时间转换电路和时间数字转换电路组成；上述电容时间转换电路包括参考电容CR2、参考电容CR3、传感器振荡器OSC1、低精度振荡器OSC2和高精度振荡器OSC3；传感器振荡器OSC1的输入端形成该接口电路本体的输入端，并与外接的被测电容CM连接；参考电容CR2和参考电容CR3分别接低精度振荡器OSC2和高精度振荡器OSC3的输入端；传感器振荡器OSC1产生的输出信号TM送至可编程分频器A1的输入端；低精度振荡器OSC2产生的输出信号TL和高精度振荡器OSC3产生的输出信号TH分别送至逻辑控制模块A2的2个输入端；上述时间数字转换电路包括可编程分频器A1、逻辑控制模块A2、计数器CNT、寄存器Reg0和寄存器Reg1；外部输入的n位二进制的分频值N送至可编程分频器A1的控制端，可编程分频器A1对输出信号TM信号进行2N+1分频处理后送至逻辑控制模块A2的输入端；计数器CNT包括1个时钟端和2n个输出端，逻辑控制模块A2输出的计数时钟信号CLK送至计数器CNT的时钟端；寄存器Reg0和寄存器Reg1均由2n个D触发器组成，寄存器Reg0的1个D触发器与寄存器Reg1的1个D触发器相对应，且这2个D触发器的D端同时连接计数器CNT的其中一个输出端；逻辑控制模块A2输出的寄存时钟信号Reg0_CLK同时连接寄存器Reg0的2n个D触发器的时钟端，逻辑控制模块A2输出的寄存时钟信号Reg1_CLK同时连接寄存器Reg1的2n个D触发器的时钟端；寄存器Reg0的2n个D触发器的输出端和寄存器Reg1的2n个D触发器的输出端形成该接口电路本体的2n+1个输出端。
设计方案
1.一种数字输出两级双精度生物医学电容传感器接口电路，包括接口电路本体，其特征是，所述接口电路本体由电容时间转换电路和时间数字转换电路组成；
上述电容时间转换电路包括参考电容CR2<\/sub>、参考电容CR3<\/sub>、传感器振荡器OSC1<\/sub>、低精度振荡器OSC2<\/sub>和高精度振荡器OSC3<\/sub>；传感器振荡器OSC1<\/sub>的输入端形成该接口电路本体的输入端，并与外接的被测电容CM<\/sub>连接；参考电容CR2<\/sub>和参考电容CR3<\/sub>分别接低精度振荡器OSC2<\/sub>和高精度振荡器OSC3<\/sub>的输入端；传感器振荡器OSC1<\/sub>产生的输出信号TM<\/sub>送至可编程分频器A1<\/sub>的输入端；低精度振荡器OSC2<\/sub>产生的输出信号TL<\/sub>和高精度振荡器OSC3<\/sub>产生的输出信号TH<\/sub>分别送至逻辑控制模块A2<\/sub>的2个输入端；
上述时间数字转换电路包括可编程分频器A1<\/sub>、逻辑控制模块A2<\/sub>、计数器CNT、寄存器Reg0和寄存器Reg1；外部输入的n位二进制的分频值N送至可编程分频器A1<\/sub>的控制端，可编程分频器A1<\/sub>对输出信号TM<\/sub>信号进行2N+1<\/sup>分频处理后送至逻辑控制模块A2<\/sub>的输入端；计数器CNT包括1个时钟端和2n<\/sup>个输出端，逻辑控制模块A2<\/sub>输出的计数时钟信号CLK送至计数器CNT的时钟端；寄存器Reg0和寄存器Reg1均由2n<\/sup>个D触发器组成，寄存器Reg0的1个D触发器与寄存器Reg1的1个D触发器相对应，且这2个D触发器的D端同时连接计数器CNT的其中一个输出端；逻辑控制模块A2<\/sub>输出的寄存时钟信号Reg0_CLK同时连接寄存器Reg0的2n<\/sup>个D触发器的时钟端，逻辑控制模块A2<\/sub>输出的寄存时钟信号Reg1_CLK同时连接寄存器Reg1的2n<\/sup>个D触发器的时钟端；寄存器Reg0的2n<\/sup>个D触发器的输出端和寄存器Reg1的2n<\/sup>个D触发器的输出端形成该接口电路本体的2n+1<\/sup>个输出端。
2.根据权利要求1所述的一种数字输出两级双精度生物医学电容传感器接口电路，其特征是，n的取值范围为2～5之间。
3.根据权利要求2所述的一种数字输出两级双精度生物医学电容传感器接口电路，其特征是，n＝4。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及集成电路设计技术领域，具体涉及一种数字输出两级双精度生物医学电容传感器接口电路。
背景技术
随着可穿戴智能医疗设备的发展和物联网技术的兴起，生物医学电容传感器被大量用到各种可穿戴智能医疗设备中，作为跨接传感器和处理芯片的桥梁，传感器接口电路也在不断发展、创新。人们对可穿戴多生理信号监护系统需求的不断提升，要求生物医学电容传感器可检测的精度不断提高，检测范围不断扩大，对传感器接口电路的要求也不断提升，低误差、高精度、低功耗成为生物医学传感器接口电路的主要挑战。
传统生物医学电容传感器接口电路输出大多为连续的模拟电压信号，不能直接与信号处理芯片级联，需要经过模数转换器再次转换。而传统的数字输出型电容传感器接口电路为单精度检测方式，测量范围固定，测量精度和灵活性受限。
实用新型内容
本实用新型所要解决的是传统生物医学电容传感器接口电路所存在的问题，提供一种数字输出两级双精度生物医学电容传感器接口电路。
为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种数字输出两级双精度生物医学电容传感器接口电路，包括接口电路本体，所述接口电路本体由电容时间转换电路和时间数字转换电路组成。
上述电容时间转换电路包括参考电容CR2<\/sub>、参考电容CR3<\/sub>、传感器振荡器OSC1<\/sub>、低精度振荡器OSC2<\/sub>和高精度振荡器OSC3<\/sub>；传感器振荡器OSC1<\/sub>的输入端形成该接口电路本体的输入端，并与外接的被测电容CM<\/sub>连接；参考电容CR2<\/sub>和参考电容CR3<\/sub>分别接低精度振荡器OSC2<\/sub>和高精度振荡器OSC3<\/sub>的输入端；传感器振荡器OSC1<\/sub>产生的输出信号TM<\/sub>送至可编程分频器A1<\/sub>的输入端；低精度振荡器OSC2<\/sub>产生的输出信号TL<\/sub>和高精度振荡器OSC3<\/sub>产生的输出信号TH<\/sub>分别送至逻辑控制模块A2<\/sub>的2个输入端。
上述时间数字转换电路包括可编程分频器A1<\/sub>、逻辑控制模块A2<\/sub>、计数器CNT、寄存器Reg0和寄存器Reg1；外部输入的n位二进制的分频值N送至可编程分频器A1<\/sub>的控制端，可编程分频器A1<\/sub>对输出信号TM<\/sub>信号进行2N+1<\/sup>分频处理后送至逻辑控制模块A2<\/sub>的输入端；计数器CNT包括1个时钟端和2n<\/sup>个输出端，逻辑控制模块A2<\/sub>输出的计数时钟信号CLK送至计数器CNT的时钟端；寄存器Reg0和寄存器Reg1均由2n<\/sup>个D触发器组成，寄存器Reg0的1个D触发器与寄存器Reg1的1个D触发器相对应，且这2个D触发器的D端同时连接计数器CNT的其中一个输出端；逻辑控制模块A2<\/sub>输出的寄存时钟信号Reg0_CLK同时连接寄存器Reg0的2n<\/sup>个D触发器的时钟端，逻辑控制模块A2<\/sub>输出的寄存时钟信号Reg1_CLK同时连接寄存器Reg1的2n<\/sup>个D触发器的时钟端；寄存器Reg0的2n<\/sup>个D触发器的输出端和寄存器Reg1的2n<\/sup>个D触发器的输出端形成该接口电路本体的2n+1<\/sup>个输出端。
上述方案中，可编程分频器A1<\/sub>的控制端输入的分频值N(十进制数)，由n位二进制信号构成。其中n的大小与寄存器Reg0和寄存器Reg1中D触发器的数量有关，而N的大小则决定了可编程分频器A1<\/sub>对输出信号TM<\/sub>信号的分频比。如n＝4时，分频值N的取值范围在0～16之间。此时，若输入的4位二进制信号为0000，则分频值N＝0，可编程分频器A1<\/sub>对输出信号TM<\/sub>信号进行2分频；若输入的4位二进制信号为0011，则分频值N＝3，可编程分频器A1<\/sub>对输出信号TM<\/sub>信号进行16分频。
与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：
1、采用两级双精度振荡器产生低精度、高精度两路参考信号，对被测电容进行双精度测量，在提高测量精度的同时，减少测量时间；
2、采用外接参考电容与外部控制可编程分频器结构，可根据被测电容的大小，适当调整参考电容值，并由外部控制分频倍数，实现非固定、宽范围、高精度的电容检测；
3、采用逻辑控制单元结构，使双精度参考信号可在分频后的被测信号的一个周期内完成测量，减少测量时间；电容的变化直接转换为数字编码输出，可减少模数转换单元，方便与后续芯片级联，降低测量误差。
附图说明
图1为一种数字输出两级双精度生物医学电容传感器接口电路的结构图(n＝4)。
图2为逻辑控制模块时序图。
图3为不同电源电压下振荡器产生的方波周期仿真图。
图4为不同温度下振荡器产生的方波周期仿真图。
图5为DCM<\/sub>输出结果与相对误差仿真图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例(N＝4)，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
一种数字输出两级双精度生物医学电容传感器接口电路，如图1所示，由电容时间转换电路和时间数字转换电路组成。
上述电容时间转换电路包括参考电容CR2<\/sub>、参考电容CR3<\/sub>、传感器振荡器OSC1<\/sub>、低精度振荡器OSC2<\/sub>和高精度振荡器OSC3<\/sub>。传感器振荡器OSC1<\/sub>的输入端形成该接口电路本体的输入端与外接的被测电容CM<\/sub>连接，参考电容CR2<\/sub>和参考电容CR3<\/sub>分别接低精度振荡器OSC2<\/sub>和高精度振荡器OSC3<\/sub>的输入端。传感器振荡器OSC1<\/sub>产生的输出信号TM<\/sub>送至可编程分频器A1<\/sub>的输入端，低精度振荡器OSC2<\/sub>产生的输出信号TL<\/sub>和高精度振荡器OSC3<\/sub>产生的输出信号TH<\/sub>分别送至逻辑控制模块A2<\/sub>的2个输入端。
上述时间数字转换电路包括可编程分频器A1<\/sub>、逻辑控制模块A2<\/sub>、计数器CNT、寄存器Reg0和寄存器Reg1。寄存器Reg0由16个D触发器DFF0_0<\/sub>～DFF0_15<\/sub>组成，寄存器Reg1由16个D触发器DFF1_0<\/sub>～DFF1_15<\/sub>组成。计数器CNT包括1个时钟端和16个输出端Q0～Q15。外部输入的4位二进制的分频值N(10进制)送至可编程分频器A1<\/sub>的控制端。可编程分频器A1<\/sub>对输出信号TM<\/sub>信号进行2N+1<\/sup>分频处理后送至逻辑控制模块A2<\/sub>的输入端。逻辑控制模块A2<\/sub>输出的计数时钟信号CLK送至计数器CNT的时钟端。寄存器Reg0的1个D触发器与寄存器Reg1的1个D触发器相对应，且这2个D触发器的D端同时连接计数器CNT的其中一个输出端。逻辑控制模块A2<\/sub>输出的寄存时钟信号Reg0_CLK同时连接寄存器Reg0的16个D触发器的时钟端，逻辑控制模块A2<\/sub>输出的寄存时钟信号Reg1_CLK同时连接寄存器Reg1的16个D触发器的时钟端。如计数器CNT的输出端Q0同时接寄存器Reg0、寄存器Reg1内部的D触发器DFF0_0<\/sub>、DFF1_0<\/sub>的D端。计数器CNT的输出端Q1同时接寄存器Reg0、寄存器Reg1内部的D触发器DFF0_1<\/sub>、DFF1_1<\/sub>的D端。依次接至D触发器的DFF0_15<\/sub>、DFF1_15<\/sub>。逻辑控制模块A2<\/sub>输出的寄存时钟信号Reg0_CLK同时连接寄存器Reg0的16个D触发器的时钟端，逻辑控制模块A2<\/sub>输出的寄存时钟信号Reg1_CLK同时连接寄存器Reg1的16个D触发器的时钟端。寄存器Reg0的2n<\/sup>个D触发器的输出端和寄存器Reg1的2n<\/sup>个D触发器的输出端形成该接口电路本体的2n+1<\/sup>个输出端。
本实用新型的工作原理为：
如图1所示，被测电容CM<\/sub>经过传感器振荡器OSC1<\/sub>，产生一个周期为TM<\/sub>的方波信号；TM<\/sub>信号经过可编程分频器A1<\/sub>分频处理后，产生2N+1<\/sup>·TM<\/sub>的方波信号；参考电容CR2<\/sub>经过低精度振荡器OSC2<\/sub>，产生一个周期为TL<\/sub>的方波信号；参考电容CR3<\/sub>经过高精度振荡器OSC3<\/sub>，产生一个周期为TH<\/sub>的方波信号。
如图2所示，逻辑控制模块A2<\/sub>在2N+1<\/sup>·TM<\/sub>信号为高电平期间，将状态1信号置为高电平，其余时间状态1信号置为低电平；逻辑控制模块A2<\/sub>在2N+1<\/sup>·TM<\/sub>信号下降沿与2N+1<\/sup>·TM<\/sub>信号下降沿后TL<\/sub>信号的第一个上升沿期间，将状态2信号置高电平，其余时间状态2信号置低电平。
状态1信号为高电平期间，由TL<\/sub>信号对2N+1<\/sup>·TM<\/sub>信号进行测量，其测量结果由寄存器Reg0储存；状态2信号为高电平期间，由TH<\/sub>信号对2N+1<\/sup>·TM<\/sub>信号进行测量，其测量结果由寄存器Reg1储存。
状态1信号由低电平转换为高电平时，计数器CNT清零一次，状态1信号为高电平时，由TL<\/sub>的信号对被测2N+1<\/sup>·TM<\/sub>的信号进行低精度测量，状态1信号由高电平转换为低电平时，产生一个寄存器Reg0的时钟信号Reg0_CLK，寄存器Reg0存储计数器CNT当前数值；状态2信号由低电平转换为高电平时，计数器CNT清零一次，状态2信号为高电平时，由TH<\/sub>的信号对被测2N+1<\/sup>·TM<\/sub>的信号不足一个周期部分进行高精度测量，状态2信号由高电平转换为低电平时，产生一个寄存器Reg1的时钟信号Reg1_CLK，寄存器Reg1存储计数器CNT当前数值。
由于低精度、高精度和传感器振荡器为RC张弛振荡器结构，所以振荡器输出方波的周期T为：
T＝2·RC (1)
设低精度与高精度振荡器产生的参考信号TL<\/sub>、TH<\/sub>的周期整数比为 申请码:申请号:CN201920119637.0 申请日:2019-01-24 公开号:公开日:国家:CN 国家/省市:45(广西) 授权编号:CN209201054U 授权时间:20190802 主分类号:H03K 19/0175 专利分类号:H03K19/0175 范畴分类:38J; 申请人:桂林电子科技大学 第一申请人:桂林电子科技大学 申请人地址:541004 广西壮族自治区桂林市七星区金鸡路1号 发明人:徐卫林;王涛涛;刘俊昕;孙晓菲;韦保林;韦雪明;段吉海 第一发明人:徐卫林 当前权利人:桂林电子科技大学 代理人:陈跃琳 代理机构:45107 代理机构编号:桂林市持衡专利商标事务所有限公司 优先权:关键词:当前状态:审核中 类型名称:外观设计 标签：振荡器论文; 电容传感器论文; 传感器技术论文; 状态寄存器论文; 控制寄存器论文; 数字控制论文; 分频器论文; 触发器论文; 设计图
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