專利名稱：用于將阻抗數(shù)字化的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將阻抗數(shù)字化的設(shè)備和方法，更具體地說，涉及一種用于將位移響應(yīng)型差動電容換能器的電容數(shù)字化的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
已知多種不同類型的換能器，這些換能器具有關(guān)于被測性質(zhì)或量變化的阻抗。例如，在W002/061378中描述了一種測量探針，所述測量探針結(jié)合有用于測量位移的差動電容換能器。還已知用于將這種換能器的阻抗轉(zhuǎn)換成與該阻抗有關(guān)的數(shù)字輸出值的各種閉環(huán)調(diào)節(jié)電路。在W089/09927中描述了供多路電容位移換能器使用的這種電路的一個示例。在W089/09927的一個實(shí)施方式中，通過由相關(guān)的驅(qū)動信號調(diào)制器產(chǎn)生的三個不同頻率的方波來驅(qū)動三個差動電容換能器。在被各自的方波驅(qū)動時每個差動電容換能器產(chǎn)生的信號被施加至電荷放大器的公共輸入端。電荷放大器的輸出由三個相敏整流器解調(diào)， 所述三個相敏整流器均以方波驅(qū)動頻率中的一個頻率驅(qū)動。每個相敏整流器因而產(chǎn)生輸出，所述輸出表明與其相關(guān)的差動換能器的驅(qū)動相關(guān)的任何電流不均衡。為每個差動電容換能器設(shè)置閉環(huán)反饋電路，這對應(yīng)于用于相應(yīng)換能器的任何測量的電流不均衡，并且將電壓信號反饋到對應(yīng)的驅(qū)動信號調(diào)制器，所述驅(qū)動信號調(diào)制器往往使得所述電荷放大器的輸入無效。每個反饋電壓信號都是利用單獨(dú)的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器從計數(shù)器的數(shù)字輸出生成的， 所述計數(shù)器還提供數(shù)字化的換能器輸出。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于將阻抗數(shù)字化的設(shè)備，所述設(shè)備包括第一阻抗元件，所述第一阻抗元件具有隨著待測量特性變化的第一阻抗；第二阻抗元件，所述第二阻抗元件具有第二阻抗；驅(qū)動信號發(fā)生器，所述驅(qū)動信號發(fā)生器用于向所述第一阻抗元件施加第一交變驅(qū)動信號并且向所述第二阻抗元件施加第二交變驅(qū)動信號；以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即ADC，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于接收合成信號并且將所述合成信號數(shù)字化，所述合成信號包括通過向所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件施加所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號而產(chǎn)生的信號的組合，其中所述第一交變驅(qū)動信號相對于所述第二交變驅(qū)動信號相移，使得由所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收并采樣的所述合成信號順次與所述第一阻抗和所述第二阻抗的和以及所述第一阻抗和所述第二阻抗之間的差有關(guān)，其特征在于，所述設(shè)備包括信號分離器，所述信號分離器從所述ADC接收采樣值并提供和通道和差通道，所述和通道包括與所述第一阻抗和所述第二阻抗的和有關(guān)的一系列值，所述差通道包括與所述第一阻抗和所述第二阻抗之間的差有關(guān)的一系列值。因此，本發(fā)明提供了一種開環(huán)電路，所述開環(huán)電路用于將第一阻抗元件的第一阻抗數(shù)字化，所述第一阻抗可關(guān)于待測量特性(例如位移)變化。如以下更詳細(xì)地描述的，第二阻抗也可以關(guān)于待測量特征(例如位移)變化，或者其可以基本上不隨著該特性變化。所述驅(qū)動信號發(fā)生器向所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件施加諸如一對正交相位方波之類的第一和第二交變驅(qū)動信號。通過驅(qū)動所述第一阻抗和所述第二阻抗產(chǎn)生的信號被組合(可選地與一個或更多個其他信號組合，如下所述)，并且所述合成信號由所述ADC采樣。所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號相對于彼此相移。向所述第一阻抗和第二阻抗施加諸如正交相位方波之類的相移驅(qū)動信號使得能夠從由所述ADC獲得的所述合成信號的樣本中提取關(guān)于這些阻抗的和和差的信息。具體地說，由所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收并采樣的所述合成信號順次與所述第一阻抗和所述第二阻抗的和以及所述第一阻抗和所述第二阻抗之間的差有關(guān)。因此，所述ADC能夠產(chǎn)生與和值或差值有關(guān)的一系列采樣 (即數(shù)字)值。例如，可以與所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號同步地對所述ADC進(jìn)行適當(dāng)?shù)臅r鐘控制，以輸出依次代表所述第一阻抗和所述第二阻抗的和和差的一個或更多個數(shù)字采樣值。所述設(shè)備還包括信號分離器，所述信號分離器從所述ADC接收(數(shù)字)采樣值并且生成和通道和差通道。所述信號分離器可以包括相敏檢測器(PSD)裝置，并且還可以接收所述第一驅(qū)動信號和所述第二驅(qū)動信號。所述和通道或數(shù)據(jù)流可以包括與所述第一阻抗和所述第二阻抗的和有關(guān)的一系列值。所述差通道或數(shù)據(jù)流可以包括與所述第一阻抗和所述第二阻抗之間的差有關(guān)的一系列值。所述信號分離器可以被布置成包括所述和通道和/ 或所述差通道中的重復(fù)值，例如用于確保能夠向相關(guān)的濾波器供應(yīng)恒定的數(shù)據(jù)比特流。如果和值和/或差值具有不同符號(例如取負(fù)值和正值)，則必要時可以將一個值的符號取反?？梢詫Π谒龊屯ǖ篮退霾钔ǖ乐械闹颠M(jìn)行處理以推導(dǎo)出關(guān)于所述第一阻抗和所述第二阻抗的相對值的變化的信息。如下所述，該信息可以用于提供待測量特性(例如位移)的可靠測量。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的開環(huán)構(gòu)造減輕了上述現(xiàn)有技術(shù)的閉環(huán)系統(tǒng)的至少一些缺點(diǎn)。例如，本發(fā)明使用了 ADC，相比于現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的DAC，ADC通常引入較低噪聲并且具有低功耗。不像現(xiàn)有技術(shù)的閉環(huán)系統(tǒng)那樣，開環(huán)結(jié)構(gòu)在啟動之后不需要特定時間來進(jìn)行穩(wěn)定，因此可以僅在需要時啟動，由此節(jié)省了更多電能?？梢杂欣嘏c所述信號分離器相結(jié)合地設(shè)置除法器，所述除法器用所述和通道中的值除所述差通道中的值，由此產(chǎn)生輸出值流。所述輸出值因而可以與所述第一阻抗和所述第二阻抗之間的差與所述第一阻抗和所述第二阻抗的和的比有關(guān)。有利地，包含在所述和通道和所述差通道中的值被校準(zhǔn)，使得每個分割都是唯一的。所述設(shè)備優(yōu)選包括至少一個數(shù)字濾波器。如果來自所述設(shè)備的測量的輸出速率不重要，則所述數(shù)字濾波器可以進(jìn)行抽取(十取一)采樣?？梢允占伤鯝DC產(chǎn)生的多個和采樣值和多個差采樣值，并且通過所述數(shù)字濾波器求平均值以產(chǎn)生輸出值。如果提供信號分離器是為了產(chǎn)生如上所述的和通道和差通道，則所述至少一個數(shù)字濾波器可以位于用于組合這種通道的除法器之后或之前。所述至少一個數(shù)字濾波器可以包括有限沖擊響應(yīng) (FIR)數(shù)字濾波器。這可以應(yīng)用于由上述類型的除法器產(chǎn)生的差值/和值的流。也可以使用數(shù)字濾波，可選地與ADC過采樣相組合，以提高所述設(shè)備的信噪比性能。所述驅(qū)動信號發(fā)生器可以是任何合適類型。施加至所述第一阻抗和所述第二阻抗的第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號可以采取任何形式。例如，所述第一交變驅(qū)動信號和/或所述第二交變驅(qū)動信號可以包括方波、正弦波形、三角波等。優(yōu)選地，所述第一交變驅(qū)動信號的形式基本上與所述第二交變驅(qū)動信號的形式相同。優(yōu)選地，所述第一交變驅(qū)動信號的幅值和所述第二交變驅(qū)動信號的幅值的比在使用過程中近似恒定或基本恒定。有利地，所述第一交變驅(qū)動信號的幅值與所述第二交變驅(qū)動信號的幅值近似相同或基本上相同。如上所述，所述第二交變驅(qū)動信號相對于所述第一交變驅(qū)動信號相移，優(yōu)選地， 所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號之間的相移在使用過程中近似不變或基本上不變。有利的是，所述第二交變驅(qū)動信號相對于所述第一交變驅(qū)動信號相移基本90°， 即優(yōu)選的是所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號處于正交相位。所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號或由它們產(chǎn)生的定時信號還可以傳送至所述信號分離器以在利用相敏檢測將所述和值和所述差值分離成和流和差流的過程中使用。在所述設(shè)備內(nèi)使用的各種信號(例如，所述交變驅(qū)動信號和/或用于任何相敏檢測的信號)可以從信號源獲得。例如，所述設(shè)備可以包括主振蕩器。所述驅(qū)動信號發(fā)生器可以包括所述主振蕩器，或者可以具有用于從這種主振蕩器接收時鐘信號的輸入端。優(yōu)選地，所述設(shè)備包括差動換能器，所述差動換能器包括所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件。因此，所述第一阻抗和所述第二阻抗都可以隨著待測量特性(例如位移) 變化。在這種布置中，所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件可以包括用于接收所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號的單獨(dú)輸入端和公共拾取電極或傳感器輸出端。然而，本發(fā)明還可以通過提供單獨(dú)的(例如基本上不變的)第二阻抗而應(yīng)用于所謂的單端換能器。在這種實(shí)施例中，可以設(shè)置包括所述第一阻抗元件的換能器。所述第二電阻元件因而可以與所述換能器分離，例如，所述第二阻抗元件可以具有不隨著由所述換能器測量的特性變化的第二阻抗。所述設(shè)備可以用于將任何類型的阻抗，例如電感、電阻或電容數(shù)字化。優(yōu)選地，所述第一阻抗元件僅具有一個阻抗分量，該阻抗分量關(guān)于待測量特性變化。有利地，所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件包括第一電容元件和第二電容元件。例如，所述電容元件可以形成位移換能器的部件，諸如在W089/9927和W002/061378中描述的那些部件。所述設(shè)備優(yōu)選包括電荷放大器。方便地，所述電荷放大器具有用于從所述第一阻抗(例如電容)元件和所述第二阻抗(例如電容)元件中的每個接收信號的公共輸入端， 并且由此產(chǎn)生用于施加至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的所述合成信號。所述電荷放大器可以包括反饋?zhàn)杩?例如反饋電容)。所述設(shè)備可以包括第一阻抗元件，該第一阻抗元件形成換能器的部件，用于測量任何需要的特性。有利地，所述設(shè)備包括位移響應(yīng)換能器，所述位移響應(yīng)換能器包括至少所述第一阻抗元件，其中所述第一阻抗元件的所述第一阻抗隨著所述位移響應(yīng)換能器的部件的位移而變化。如上所述，如果設(shè)置差動換能器，則所述第二阻抗也可以隨著所述位移響應(yīng)換能器的部件的位移變化(例如以與第二阻抗相反的意義)。本發(fā)明還可以提供多通道或多路傳輸操作。有利地，所述設(shè)備可以因此包括第三阻抗元件和第四阻抗元件，所述第三阻抗元件具有隨著待測量的第二特性變化的第三阻抗，所述第四阻抗元件具有第四阻抗。所述第四阻抗也可以隨著待測量的第二特性變化或者可以不隨著該第二特性變化。有利地，所述驅(qū)動信號發(fā)生器向所述第三阻抗元件施加第三交變驅(qū)動信號并且向所述第四阻抗元件施加第四交變驅(qū)動信號。有利地，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收合成信號，所述合成信號也包括通過向所述第三阻抗元件和所述第四阻抗元件施加所述第三交變驅(qū)動信號和所述第四交變驅(qū)動信號產(chǎn)生的信號?？梢允褂脮r分和/或頻分多路傳輸技術(shù)以允許與所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件相關(guān)的阻抗特性與所述第三阻抗元件和所述第四阻抗元件的阻抗特性分離。為了執(zhí)行頻分多路傳輸，所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號可以具有第一頻率，所述第三交變驅(qū)動信號和所述第四交變驅(qū)動信號可以具有第二(不同)頻率。 有利地，所述第一頻率和所述第二頻率是諧波相關(guān)的，但是優(yōu)選沒有任何奇次諧波重合。所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號的優(yōu)選特性(例如，形狀、幅值、相對相位等)類似于所述第三交變驅(qū)動信號和所述第四交變驅(qū)動信號的優(yōu)選特性。在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號可以包括一對第一頻率(例如f)的正交相位驅(qū)動信號，并且所述第三交變驅(qū)動信號和所述第四交變驅(qū)動信號可以包括一對第二頻率(例如2f)的正交相位驅(qū)動信號。在頻分多路傳輸設(shè)備中，所述ADC可以接收合成信號，在每個時間點(diǎn)，所述合成信號都包括通過向所述第一、第二、第三和第四阻抗元件施加第一、第二、第三和第四驅(qū)動信號而產(chǎn)生的信號的組合。然后，可以對來自所述ADC的適當(dāng)一組樣本進(jìn)行分析，以提出與第一和第二阻抗以及第三和第四阻抗有關(guān)的分離信息?？梢栽俅问褂孟嗝魴z測(PSD)以從不同頻率的通道分離出信息。還可以實(shí)現(xiàn)時分多路傳輸布置。在這種系統(tǒng)中，可以通過向所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件施加所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號而產(chǎn)生第一合成分量信號。還可以通過向所述第三阻抗元件和所述第四阻抗元件施加所述第三交變驅(qū)動信號和所述第四交變驅(qū)動信號產(chǎn)生第二合成分量信號。由所述ADC接收的合成信號因而可以由交替地與所述第一阻抗和所述第二阻抗以及所述第三阻抗和所述第四阻抗有關(guān)的一系列區(qū)段形成。例如，可以設(shè)置開關(guān)，所述開關(guān)將所述第一合成分量信號和所述第二合成分量信號依次施加至所述ADC的輸入端。這樣，可以看出多路傳輸設(shè)備包括第一傳感器通道，所述第一傳感器通道包括所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件；以及第二傳感器通道，所述第二傳感器通道包括所述第三阻抗元件和所述第四阻抗元件。所述第一傳感器通道和所述第二傳感器通道因而可以包括用于測量第一特性和第二特性的第一換能器和第二換能器。例如，所述第一傳感器通道和所述第二傳感器通道可以分別測量沿著第一軸線和第二軸線的位移。盡管這里詳細(xì)地描述了兩個通道的實(shí)施方案，應(yīng)注意的是，可以實(shí)現(xiàn)任意等級的多路傳輸。換句話說，可以根據(jù)需要增加第三、第四、第五傳感器通道等。例如，所述設(shè)備可以包括至少一個另外一對阻抗元件，其中每對的至少一個阻抗元件具有關(guān)于待測量的另外特性變化的阻抗。這些另外一對阻抗元件中的每個都可以由另外的交變驅(qū)動信號驅(qū)動。由所述ADC接收的合成信號因而可以包括(利用上述時分和/或頻分多路傳輸)通過向另外的阻抗元件施加另外的驅(qū)動信號產(chǎn)生的信號?？梢钥闯?，與其中每個傳感器通道都需要單獨(dú)的DAC的現(xiàn)有技術(shù)的閉環(huán)系統(tǒng)不同，本發(fā)明允許利用單個ADC進(jìn)行多路傳輸。因而可以看出，當(dāng)使用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)多數(shù)傳輸布置時本發(fā)明提供了另外的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明還提供了一種供坐標(biāo)定位設(shè)備(例如機(jī)床或坐標(biāo)測量機(jī)器)使用的尺寸度量裝置，所述尺寸度量裝置包括上述類型的用于將阻抗數(shù)字化的設(shè)備。有利地，所述度量裝置被布置成測量沿著至少一個軸線的位移。方便地，所述度量裝置被布置成測量沿著至少兩個或更多個軸線優(yōu)選三個軸線的位移。所述度量裝置可以有利地包括測量探針或球桿 (ball-bar)0根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于將阻抗數(shù)字化的方法，所述方法包括如下步驟(i)向第一阻抗元件施加第一交變驅(qū)動信號，并且向第二阻抗元件施加第二交變驅(qū)動信號，所述第一阻抗元件具有隨著待測量特性變化的第一阻抗，所述第二阻抗元件具有第二阻抗，其中所述第一交變驅(qū)動信號相對于所述第二交變驅(qū)動信號相移；(ii)通過將向所述第一阻抗元件施加所述第一交變驅(qū)動信號產(chǎn)生的信號與向所述第二阻抗元件施加所述第二交變驅(qū)動信號產(chǎn)生的信號組合而產(chǎn)生合成信號；(iii)利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將所述合成信號數(shù)字化以產(chǎn)生采樣值；其特征在于如下步驟(iv)根據(jù)所述采樣值產(chǎn)生和通道和差通道，所述和通道包括與所述第一阻抗和所述第二阻抗的和有關(guān)的一系列值，所述差通道包括與所述第一阻抗和所述第二阻抗之間的差有關(guān)的一系列值。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種供坐標(biāo)定位設(shè)備使用的尺寸度量裝置，所述尺寸度量裝置包括位移響應(yīng)換能器，所述位移響應(yīng)換能器包括第一阻抗元件，所述第一阻抗元件具有隨著待測量位移變化的第一阻抗；具有第二阻抗的第二阻抗元件；驅(qū)動信號發(fā)生器，所述驅(qū)動信號發(fā)生器用于向所述第一阻抗元件施加第一交變驅(qū)動信號并且向所述第二阻抗元件施加第二交變驅(qū)動信號；以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即ADC，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于接收合成信號并且將所述合成信號數(shù)字化，所述合成信號包括通過向所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件施加所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號而產(chǎn)生的信號的組合。所述位移響應(yīng)換能器有利地包括差動換能器，所述差動換能器包括所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件，其中所述第一阻抗和所述第二阻抗均隨著所述待測量位移變化。優(yōu)選地，所述裝置包括第三阻抗元件和第四阻抗元件，所述第三阻抗元件具有隨著待測量特性變化的第三阻抗，所述第四阻抗元件具有第四阻抗，其中所述驅(qū)動信號發(fā)生器向所述第三阻抗元件施加第三交變驅(qū)動信號并且向所述第四阻抗元件施加第四交變驅(qū)動信號， 其中所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收合成信號，所述合成信號包括通過向所述第三阻抗元件和所述第四阻抗元件施加所述第三驅(qū)動信號和所述第四驅(qū)動信號產(chǎn)生的信號。方便地，所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號是正交相位方波信號。所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件有利地包括第一電容元件和第二電容元件。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種用于將至少一個具有可變阻抗的換能器的輸出數(shù)字化的開環(huán)電路，所述開環(huán)電路包括驅(qū)動器，所述驅(qū)動器用于產(chǎn)生第一交變驅(qū)動信號和第二交變驅(qū)動信號，所述第一交變驅(qū)動信號用于施加至相關(guān)換能器的第一阻抗元件，所述第二交變驅(qū)動信號用于施加至第二阻抗元件，其中所述電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)換能器具有輸入端，所述輸入端用來接收合成信號，所述合成信號由向所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件施加所述第一驅(qū)動信號和所述第二驅(qū)動信號時產(chǎn)生的信號的組合產(chǎn)生。還描述了一種用于將阻抗數(shù)字化的設(shè)備，所述設(shè)備包括第一阻抗元件，所述第一阻抗元件具有隨著待測量特性變化的第一阻抗；第二阻抗元件，所述第二阻抗元件具有第二阻抗；以及驅(qū)動信號發(fā)生器，所述驅(qū)動信號發(fā)生器用于向所述第一阻抗元件施加第一交變驅(qū)動信號并且向所述第二阻抗元件施加第二交變驅(qū)動信號；所述設(shè)備包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 即ADC，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用來接收合成信號并且將所述合成信號數(shù)字化，所述合成信號由通過向所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件施加所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號而產(chǎn)生的信號的組合產(chǎn)生。這種設(shè)備可以額外包括這里所描述的本發(fā)明的第一方面的任意一個或更多個特征。重要的是注意，描述設(shè)備中包含的各種元件并不是為了限制本發(fā)明實(shí)際實(shí)現(xiàn)的方式。例如，上述設(shè)備的用來生成和分析信號的各種元件可以利用分立電路元件提供，并且/ 或者可以利用基于適當(dāng)?shù)木幊誊浖?或硬件的裝置來實(shí)現(xiàn)。例如，可以利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號處理器(DSP)或利用適當(dāng)編程的處理器執(zhí)行信號生成和/或分析。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將更清楚可用來實(shí)際實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各種不同選擇方案。


下面將參照附圖僅僅以實(shí)施例的方式描述本發(fā)明，在附圖中圖1是示出了用于將差動電容換能器數(shù)字化的現(xiàn)有技術(shù)閉環(huán)反饋電路的一般工作原理的框圖；圖2示出了本發(fā)明的用于將差動電容換能器數(shù)字化的開環(huán)電路；圖3示出了圖2的電路的驅(qū)動信號和合成信號；圖4示出了樣本保持的過程；圖5示出了本發(fā)明的用于將一對差動電容換能器數(shù)字化的開環(huán)電路；圖6示出了圖5的電路的各種信號；以及圖7示出了一組合適的交變驅(qū)動信號。
具體實(shí)施例方式參照圖1，提供了簡化框圖，以示出在W089/09927中所描述類型的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的工作原理，該設(shè)備利用閉環(huán)或反饋電路將差動電容換能器的電容數(shù)字化。差動電容換能器2包括公共板4、第一驅(qū)動板6和第二驅(qū)動板8。因而在公共板與第一驅(qū)動板6和第二驅(qū)動板8之間分別存在第一電容Cl和第二電容C2。在使用時，換能器的第一和第二驅(qū)動板能相對于公共板4移動，由此改變電容Cl和C2。電容Cl和C2的變化提供了換能器沿著軸線的位移的測量。為了測量電容Cl和C2，調(diào)制器裝置10向第一驅(qū)動板6施加方波，并且向第二驅(qū)動板8施加倒置方波。所述方波和倒置方波分別具有幅值+Vref和-Vref,并且均偏移DC反饋電壓VF。公共板4處的合成信號由電荷放大器12接收和放大。電荷放大器12因而輸出合成電壓信號Vres，所述合成電壓信號與差動電容換能器2的兩個被驅(qū)動的電容Cl和C2之間的任何電流不均衡有關(guān)。合成電壓信號Vres被傳送至具有數(shù)字輸出16的計數(shù)器裝置14。數(shù)字輸出16也被傳送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 18并且被轉(zhuǎn)換成模擬直流反饋電壓信號VF，該模擬直流反饋電壓信號被反饋至調(diào)制器裝置10。計數(shù)器裝置14使用其接收到的合成電壓信號Vres來增加或減小數(shù)字輸出值，使得合成電壓信號Vms趨近于零，由此減少與兩個被驅(qū)動的電容Cl和C2相關(guān)的任何電流不平衡。提供閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其中數(shù)字輸出16與C1-C2與C1+C2的比成比例，該比又與換能器的第一和第二驅(qū)動板相對于公共板4的位移成比例。應(yīng)該注意的是，以上僅僅是在W089/09927中描述的閉環(huán)電路的原理的簡單描述。還應(yīng)注意的是，在W089/09927中還詳細(xì)地描述了基于以上概述的相同原理的多通道系統(tǒng)。在W002/061378中還可以發(fā)現(xiàn)適合于包含在測量探針中的差動換能器的更多信息。 W089/09927和W002/061378的內(nèi)容，特別是其中發(fā)現(xiàn)的差動換能器的描述通過引用結(jié)合在本文中。盡管上述類型的閉環(huán)系統(tǒng)通常表現(xiàn)很好，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它們具有嚴(yán)重缺陷。 例如，DAC通常是非常消耗功率的，并且在電池操作的設(shè)備中會占用相當(dāng)大的功率消耗，對于每個換能器通道都需要一個DAC的多路傳輸系統(tǒng)來說尤其如此。另外，閉環(huán)系統(tǒng)在上電之后需要一定時間間隔進(jìn)行穩(wěn)定，由此降低了通過在不獲取測量的期間關(guān)閉電路節(jié)省功率的可能。參照圖2至4，將描述根據(jù)本發(fā)明的用于將電容數(shù)字化的開環(huán)電路。具體地說，圖 2示出了電路設(shè)計，而圖3和4示出了由該電路在使用中產(chǎn)生的各種信號。如圖2所示，該電路包括差動電容換能器20，所述差動電容換能器20具有電容分別為Cl和C2的第一電容元件22和第二電容元件M。差動電容換能器20可以是上述的已知類型，例如其可以是測量探針的位移響應(yīng)型換能器。設(shè)置了驅(qū)動信號發(fā)生器，該驅(qū)動信號發(fā)生器包括第一驅(qū)動信號發(fā)生器部分沈和第二驅(qū)動信號發(fā)生器部分30。第一驅(qū)動信號發(fā)生器部分沈向第一電容元件22的驅(qū)動板 28施加第一方波驅(qū)動信號。第二驅(qū)動信號發(fā)生器部分30向第二電容元件M的驅(qū)動板32 施加第二方波驅(qū)動信號。第一和第二方波驅(qū)動信號包括移動一對正交相位方波信號。換言之，第二方波驅(qū)動信號從第一方波驅(qū)動信號相移大約90°。第一和第二電容元件22和M的拾取板34和36均連接至電荷放大器40的公共輸入端38。合成信號41從電荷放大器40輸出并傳送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器或ADC 42。在電荷放大器的輸出端和輸入端之間還設(shè)置了反饋電容Cf。如上所述，用于驅(qū)動電容Cl和C2的第一和第二方波驅(qū)動信號是正交相位信號。使用正交相位信號是優(yōu)選的，但絕不是必須的，這是因為正交相位信號使得電荷放大器40和 ADC 42中的直流偏移和其他這種誤差(例如，載波幅值差)最小。圖3和圖4示出了施加至第一電容元件22的同相(I)信號44以及施加至第二電容元件M的正交相位(Q)信號 46。電容Cl和C2的交變驅(qū)動在電荷放大器40的輸出端產(chǎn)生了合成(電壓)信號41，該合成信號包括電容Cl和C2的一系列交替的負(fù)的和正的和和差。在圖4中以波形47示出了由電荷放大器40輸出的合成信號41的一個示例。由這些和值和差值提供的電容信息通常由圖3中所示的數(shù)據(jù)流48圖示。ADC 42被布置成對其從電荷放大器40接收到的合成信號41進(jìn)行采樣。由ADC 42 使用的采樣點(diǎn)的示例在圖4中由相對于合成信號41的表示52定位的箭頭50指示。如圖4所示，可以看出采樣點(diǎn)與一系列交替的和和差有關(guān)。具體地說，圖4的合成信號表示52示出了由ADC輸出的一序列數(shù)據(jù)值。該序列包括第一和值(+Σ C)、第一差值 (-AC1)、第二和值(-Σ C2)、第二差值(+AC2)、第三和值(+Σ C3)、第三差值(-AC3)、第四和值(-Σ C4)、第四差值(+AC4)和第五和值(+ Σ C5)。應(yīng)注意的是，和值和差值的交替符號是任意的，并且對在這些信號中包含信息沒有任何影響。再次參照圖2，由ADC 42產(chǎn)生的采樣點(diǎn)值的流被傳送至信號分析電路Μ。信號分析電路M在本實(shí)施方式中利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)形成，但是應(yīng)該認(rèn)識到，該信號分析電路M可以以任何其他適當(dāng)?shù)姆绞?例如，利用DSP或適當(dāng)編程的微處理器)實(shí)現(xiàn)。信號分析電路M包括正交相敏逆變器56，該逆變器56被布置成將和值和差值的交替序列逆變并分離成和流58和差流60。ADC 42和正交相敏逆變器56的組合執(zhí)行相敏檢測功能。設(shè)置除法器62，用于將差流60分成和流68。除法器62因而輸出每個都描述電容(C1-C2)之間的差與電容(C1+C2)的和的比的一系列輸出值。除法器62的輸出被傳送至數(shù)字濾波器64 (注意，該數(shù)字濾波器可以另選地位于除法器之前)。在該實(shí)施例中，數(shù)字濾波器64是有限沖擊響應(yīng)(FIR)類型的濾波器，以使得進(jìn)行快速信號獲取。數(shù)字濾波器64基于升余弦η函數(shù)。這種函數(shù)實(shí)現(xiàn)起來相對簡單，并且確保對階躍變化零過沖。而且，改變“η”值使得可以容易地控制頻率響應(yīng)和阻帶衰減。在該實(shí)施例中，數(shù)字濾波器64被布置成對于20比特的分辨率來說具有IOOdB的阻帶衰減。數(shù)字濾波器64還引入了最小延遲，以這種方式使濾波器延遲最小確保了換能器系統(tǒng)的響應(yīng)的等待時間最小(這對于位移敏感的換能器系統(tǒng)例如測量探針來說經(jīng)常是十分重要的)并且降低了邏輯設(shè)計的復(fù)雜性。還應(yīng)注意，信號獲取時間也通過采樣填充數(shù)字濾波器64所需要的采樣或階的數(shù)量來設(shè)定，之后所有讀數(shù)都是有效的。本實(shí)施例的數(shù)字濾波器64具有15 階或25階。數(shù)字濾波器64通過增加產(chǎn)生信號的連續(xù)平均值還增加了系統(tǒng)的分辨率，并且還設(shè)置了系統(tǒng)帶寬。上述數(shù)字濾波器64被設(shè)計成接收來自除法器62的連續(xù)的數(shù)值流。該連續(xù)的數(shù)值流是通過重復(fù)和輸出和差輸出中的一些而獲得的。因而通過將分割區(qū)間重疊而保持了采樣率并使信息損失最小。具體地說，在圖4的表示66中所示的和流58包括在每個ADC采樣點(diǎn)處的和值。這是通過在隨后的采樣點(diǎn)(即在尚沒有任何新的和值可用的地方)中重復(fù)每個和值。類似地，在圖4的表示68中所示的差流60包括在每個ADC采樣點(diǎn)處的差值，這也是通過在隨后的采樣點(diǎn)處重復(fù)每個差值而獲得的。還應(yīng)注意，在圖4的表示66和68中，向下箭頭表示倒置采樣，而向上箭頭表示非倒置采樣。除法器62因而接收均是利用重復(fù)采樣形成的和流和差流，但是每個分割都是唯一的。除法器輸出的表示70也在圖4中提供了。來自除法器62的輸出值的連續(xù)流也呈現(xiàn)能夠由數(shù)字濾波器64容易地接收并起作用的格式。應(yīng)注意的是，任何DC偏移誤差都將導(dǎo)致在每個四個采樣上達(dá)到平均的零位偏移和比例因子變化。盡管上述類型的HR數(shù)字濾波器具有奇數(shù)階，然后它們?nèi)匀粯O大地降低了這種誤差。例如，15階濾波器將誤差減少多于兩個的數(shù)量級。一個典型的16位ADC的 1. 6mV或20位誤差因而能夠被減小到小于18中的1位。應(yīng)注意的是，除法器62可以被構(gòu)造成實(shí)現(xiàn)其他可能的更復(fù)雜的除法運(yùn)算。例如可以使用如下表達(dá)式(1)中概括的更復(fù)雜的運(yùn)算，該方案完全消除了任何潛在的DC偏移誤差，同時還維持了采樣率并產(chǎn)生唯一分割。
1權(quán)利要求
1.一種用于將阻抗數(shù)字化的設(shè)備，所述設(shè)備包括第一阻抗元件，所述第一阻抗元件具有隨著待測量特性變化的第一阻抗；第二阻抗元件，所述第二阻抗元件具有第二阻抗；驅(qū)動信號發(fā)生器，所述驅(qū)動信號發(fā)生器用于向所述第一阻抗元件施加第一交變驅(qū)動信號并且向所述第二阻抗元件施加第二交變驅(qū)動信號；以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即ADC，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于接收合成信號并且將所述合成信號數(shù)字化， 所述合成信號包括通過向所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件施加所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號而產(chǎn)生的信號的組合，其中所述第一交變驅(qū)動信號相對于所述第二交變驅(qū)動信號相移，使得由所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收并采樣的所述合成信號順次與所述第一阻抗和所述第二阻抗的和以及所述第一阻抗和所述第二阻抗之間的差有關(guān)，其特征在于，所述設(shè)備包括信號分離器，所述信號分離器從所述ADC接收采樣值并提供和通道和差通道，所述和通道包括與所述第一阻抗和所述第二阻抗的和有關(guān)的一系列值，所述差通道包括與所述第一阻抗和所述第二阻抗之間的差有關(guān)的一系列值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述設(shè)備還包括除法器，其中所述除法器用所述和通道中的值除所述差通道中的值，由此產(chǎn)生輸出值流，所述輸出值與所述第一阻抗和所述第二阻抗之間的差與所述第一阻抗和所述第二阻抗的和的比有關(guān)。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，所述設(shè)備包括至少一個數(shù)字濾波器。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其中所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號是正交相位方波信號。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，所述設(shè)備包括差動換能器，所述差動換能器包括所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件，其中所述第一阻抗和所述第二阻抗都隨著待測量特性變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的設(shè)備，所述設(shè)備包括換能器，所述換能器包括所述第一阻抗元件，其中所述第二阻抗元件具有不隨著所述換能器測量的特性變化的第二阻抗。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其中所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件包括第一電容元件和第二電容元件。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，所述設(shè)備包括電荷放大器，其中所述電荷放大器具有用于從所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件中的每個接收信號的公共輸入端，并且產(chǎn)生用于施加至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的所述合成信號。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，所述設(shè)備包括位移響應(yīng)換能器，所述位移響應(yīng)換能器包括至少所述第一阻抗元件，其中所述第一阻抗元件的所述第一阻抗隨著所述位移響應(yīng)換能器的部件的位移而變化。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，所述設(shè)備包括第三阻抗元件和第四阻抗元件，所述第三阻抗元件具有隨著待測量特性變化的第三阻抗，所述第四阻抗元件具有第四阻抗，其中所述驅(qū)動信號發(fā)生器向所述第三阻抗元件施加第三交變驅(qū)動信號并且向所述第四阻抗元件施加第四交變驅(qū)動信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收合成信號，所述合成信號包括通過向所述第三阻抗元件和所述第四阻抗元件施加所述第三驅(qū)動信號和所述第四驅(qū)動信號產(chǎn)生的信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的設(shè)備，其中所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號具有第一頻率，并且所述第三交變驅(qū)動信號和所述第四交變驅(qū)動信號具有第二頻率。
13.—種供坐標(biāo)定位設(shè)備使用的尺寸度量裝置，所述尺寸度量裝置包括根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的用于將阻抗數(shù)字化的設(shè)備。
14.一種用于將阻抗數(shù)字化的方法，所述方法包括如下步驟(i)向第一阻抗元件施加第一交變驅(qū)動信號，并且向第二阻抗元件施加第二交變驅(qū)動信號，所述第一阻抗元件具有隨著待測量特性變化的第一阻抗，所述第二阻抗元件具有第二阻抗，其中所述第一交變驅(qū)動信號相對于所述第二交變驅(qū)動信號相移；( )通過將向所述第一阻抗元件施加所述第一交變驅(qū)動信號產(chǎn)生的信號與向所述第二阻抗元件施加所述第二交變驅(qū)動信號產(chǎn)生的信號組合而產(chǎn)生合成信號； (iii)利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將所述合成信號數(shù)字化以產(chǎn)生采樣值； 其特征在于如下步驟(iv)根據(jù)所述采樣值產(chǎn)生和通道和差通道，所述和通道包括與所述第一阻抗和所述第二阻抗的和有關(guān)的一系列值，所述差通道包括與所述第一阻抗和所述第二阻抗之間的差有關(guān)的一系列值。
15.一種供坐標(biāo)定位設(shè)備使用的尺寸度量裝置，所述尺寸度量裝置包括位移響應(yīng)換能器，所述位移響應(yīng)換能器包括第一阻抗元件，所述第一阻抗元件具有隨著待測量位移變化的第一阻抗； 具有第二阻抗的第二阻抗元件；驅(qū)動信號發(fā)生器，所述驅(qū)動信號發(fā)生器用于向所述第一阻抗元件施加第一交變驅(qū)動信號并且向所述第二阻抗元件施加第二交變驅(qū)動信號；以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即ADC，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于接收合成信號并且將所述合成信號數(shù)字化， 所述合成信號包括通過向所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件施加所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號而產(chǎn)生的信號的組合。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述位移響應(yīng)換能器包括差動換能器，所述差動換能器包括所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件，其中所述第一阻抗和所述第二阻抗均隨著所述待測量位移變化。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，所述裝置包括第三阻抗元件和第四阻抗元件，所述第三阻抗元件具有隨著待測量特性變化的第三阻抗，所述第四阻抗元件具有第四阻抗，其中所述驅(qū)動信號發(fā)生器向所述第三阻抗元件施加第三交變驅(qū)動信號并且向所述第四阻抗元件施加第四交變驅(qū)動信號，其中所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收合成信號，所述合成信號包括通過向所述第三阻抗元件和所述第四阻抗元件施加所述第三驅(qū)動信號和所述第四驅(qū)動信號產(chǎn)生的信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述第一交變驅(qū)動信號和所述第二交變驅(qū)動信號是正交相位方波信號。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件包括第一電容元件和第二電容元件。
20. 一種用于將至少一個具有可變阻抗的換能器的輸出數(shù)字化的開環(huán)電路，所述開環(huán)電路包括驅(qū)動器，所述驅(qū)動器用于產(chǎn)生第一交變驅(qū)動信號和第二交變驅(qū)動信號，所述第一交變驅(qū)動信號用于施加至相關(guān)換能器的第一阻抗元件，所述第二交變驅(qū)動信號用于施加至第二阻抗元件，其中所述電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)換能器具有輸入端，所述輸入端用來接收合成信號，所述合成信號由向所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件施加所述第一驅(qū)動信號和所述第二驅(qū)動信號時產(chǎn)生的信號的組合產(chǎn)生。
全文摘要
描述了一種用于將阻抗數(shù)字化的設(shè)備，所述設(shè)備包括第一阻抗元件(22；122)，所述第一阻抗元件具有隨著待測量特性變化的第一阻抗(C1；A1)；和第二阻抗元件(24；124)，所述第二阻抗元件具有第二阻抗(C2；A2)。該設(shè)備還包括驅(qū)動信號發(fā)生器(26，30)，所述驅(qū)動信號發(fā)生器用于向所述第一阻抗元件(22；122)施加第一交變驅(qū)動信號(44)并且向所述第二阻抗元件(24；124)施加第二交變驅(qū)動信號(46)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(42；142)用于接收合成信號(41；52；141)，所述合成信號包括通過向所述第一阻抗元件(22，24)和所述第二阻抗元件(122，124)施加所述第一交變驅(qū)動信號(44)和所述第二交變驅(qū)動信號(46)而產(chǎn)生的信號的組合。所述第一交變驅(qū)動信號(44)相對于所述第二交變驅(qū)動信號(46)相移，使得由所述ADC(42；142)接收并采樣的所述合成信號(41；52；141)順次與所述第一阻抗和所述第二阻抗的和以及所述第一阻抗和所述第二阻抗之間的差有關(guān)。所述設(shè)備還包括信號分離器(56；156A，156B)，所述信號分離器從所述ADC(42；142)接收采樣值并由此產(chǎn)生和通道(58；158A)和差通道(60；160A)。
文檔編號G01D5/24GK102348957SQ201080011499
公開日2012年2月8日 申請日期2010年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者大衛(wèi)·肯尼斯·托瑪斯 申請人:瑞尼斯豪公司