本發(fā)明涉及傳感器裝置以及檢測(cè)方法，更詳細(xì)而言，涉及包含小型、高分辨率的ADC的傳感器裝置以及檢測(cè)方法(sensor device and sensing method using the same)，

背景技術(shù)：

在各種技術(shù)領(lǐng)域使用各種傳感器裝置，為了將傳感器測(cè)定值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，需要使用ADC(analog-digital converter：模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。

作為現(xiàn)有ADC技術(shù)之一的脈沖寬度轉(zhuǎn)換技術(shù)(利用脈沖寬度轉(zhuǎn)換器的方法)，雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但以芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)，無法放大脈沖寬度，因而很難提高分辨率。即，為了以小型芯片實(shí)現(xiàn)，電容器的值會(huì)變小，若為了放大脈沖寬度而使被充電的電流的大小過小，則容易受雜波的影響，因此也不能將電流的值小于一定值以下。因此無法將脈沖寬度增大到一定值以上，難以提高分辨率。

專利文獻(xiàn)1：韓國(guó)公開特許公報(bào)2001-0101464A(公開日:2001.11.14.)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述的問題而提出的，本發(fā)明的目的在于，在包含利用了脈沖寬度轉(zhuǎn)換技術(shù)的ADC的傳感器裝置以及檢測(cè)方法中，不僅實(shí)現(xiàn)裝置的小型化，而且使分辨率高。

本發(fā)明的傳感器裝置，包括：根據(jù)外部環(huán)境輸出不同的電壓值的測(cè)定電壓生成部10；生成周期與被輸入的電壓值呈比例的脈沖的脈沖生成部30；將上述脈沖生成部30的輸出進(jìn)行分頻的分頻部40；以及將上述分頻部40的輸出脈沖的長(zhǎng)度按照時(shí)鐘單位進(jìn)行測(cè)定的計(jì)數(shù)部50。

上述傳感器裝置還包括對(duì)上述測(cè)定電壓生成部10的輸出電壓值進(jìn) 行取樣并維持的取樣維持部20。

上述傳感器裝置可包括兩個(gè)以上的取樣維持部20、脈沖生成部30、分頻部40以及計(jì)數(shù)部50，上述測(cè)定電壓生成部10連接于兩個(gè)以上的取樣維持部20，各個(gè)取樣維持部20的輸出電壓連接于不同的脈沖生成部30、分頻部40以及計(jì)數(shù)部50，從而能夠進(jìn)行電壓測(cè)定的并行處理。

上述脈沖生成部30還可包括電容器、電流源、開關(guān)以及比較器。

上述傳感器裝置還可包括在分頻部40的輸出脈沖中除去除脈沖生成部30輸出的脈沖寬度之外的成分的電路。

上述分頻部40可以是2ⁿ分頻部(divider)。

本發(fā)明的檢測(cè)方法是利用包含測(cè)定電壓生成部10、脈沖生成部30、分頻部40以及計(jì)數(shù)部50的傳感器裝置的檢測(cè)方，包括：根據(jù)外部環(huán)境而由測(cè)定電壓生成部10輸出不同的電壓值的第一步驟；由脈沖生成部30生成周期與被輸入的電壓值呈比例的脈沖的第三步驟；由分頻部40將脈沖生成部30的輸出進(jìn)行分頻的第四步驟；由計(jì)數(shù)部50將分頻部40的輸出脈沖的長(zhǎng)度按照時(shí)鐘單位進(jìn)行測(cè)定的第五步驟。

上述檢測(cè)方法還可在第一步驟與第三步驟之間，包括由取樣維持部20存儲(chǔ)測(cè)定電壓生成部10的輸出電壓的特定瞬間的電壓值后輸出的第二步驟。

上述第四步驟可以將按照2倍進(jìn)行分頻的過程反復(fù)進(jìn)行n次，其中，n為整數(shù)。

在包含利用脈沖寬度轉(zhuǎn)換技術(shù)的ADC的傳感器中，不僅裝置小，而且分辨率高，因此即便是值非常小的變化，也能夠測(cè)定出。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的傳感器裝置的概念圖。

圖2為S/H部的結(jié)構(gòu)圖。

圖3為脈沖生成部的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。

圖4為分頻部的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。

圖5為圖3和圖4的電路的電壓圖表。

圖6為圖3和圖4的變形實(shí)施例。

圖7為圖6的電路的電壓圖表。

圖8為測(cè)定電壓生成部的輸出電壓的例子。

圖9為并行高速轉(zhuǎn)換電路的例子。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明可實(shí)施各種變更，并且可具有多種實(shí)施例，將特定實(shí)施例示于附圖，并在詳細(xì)說明中詳細(xì)說明。然而，這并非表示將本發(fā)明限定為特定的實(shí)施形態(tài)，應(yīng)當(dāng)理解為包含本發(fā)明的思想以及技術(shù)范圍所包含的所有變形、等同物或替代物。在本發(fā)明的說明中，在判斷為有關(guān)公知技術(shù)的具體說明可能混淆本發(fā)明的要旨的情況下，省略對(duì)其的詳細(xì)說明。

本申請(qǐng)所使用的用語(yǔ)，僅是用于說明特定實(shí)施例而使用的，并非用于限定本發(fā)明。單數(shù)形式除在文脈上明確表示其他含義的情況之外包含復(fù)數(shù)形式。

圖1為本發(fā)明的傳感器裝置的結(jié)構(gòu)圖。

本發(fā)明的傳感器裝置包括測(cè)定電壓生成部10、取樣維持部(S/H部)20、脈沖生成部30、分頻部40以及計(jì)數(shù)部50。

測(cè)定電壓生成部10根據(jù)外部環(huán)境輸出不同的電壓值。

S/H部20起到對(duì)測(cè)定電壓生成部的輸出電壓值進(jìn)行取樣并維持的作用。

脈沖生成部30生成周期與S/H部20的輸出電壓值呈比例的脈沖。

分頻部40起到對(duì)脈沖生成部30的輸出進(jìn)行分頻的作用。

計(jì)數(shù)部50將分頻部40的輸出脈沖的長(zhǎng)度按時(shí)鐘單位進(jìn)行測(cè)定。

此時(shí)越提高分頻部40的分頻比率，分辨率越提高。

測(cè)定電壓生成部10可以以各種形態(tài)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有傳感其中經(jīng)常使用的方式為，利用隨外部環(huán)境(溫度，濕度等)的變化而產(chǎn)生電阻變化的元件或產(chǎn)生電容變化的元件。若對(duì)電阻變化的元件施加一定的電流，則隨著外部環(huán)境的變化而產(chǎn)生電壓的變化。若對(duì)隨著外部環(huán)境的變化而產(chǎn)生電容的變化的元件施加一定的電流，則隨著外部環(huán)境的變化而產(chǎn)生電壓增加速度的不同。若對(duì)隨著外部環(huán)境的變化而產(chǎn)生電容的變化的元件施加一定的電壓，則隨著外部環(huán)境的變化而產(chǎn)生電流量的不同，若使該電流通過電阻流動(dòng)，則施加于電阻的電壓的大小產(chǎn)生不同。

隨著外部環(huán)境的變化使輸出電壓不同的技術(shù)，由于是公知的，因此省略詳細(xì)的說明。

隨著外部環(huán)境的變化而使輸出電壓不同的元件，一般而言其輸出非常小，因此可使用放大器。放大器根據(jù)設(shè)計(jì)上的需要可選擇各種放大器(例如，電壓-電壓放大器，電流-電壓放大器，電壓-電流放大器等)使用。之所以使用上述放大器，是因?yàn)橛赏獠凯h(huán)境產(chǎn)生的信號(hào)小，如果不使用放大器也能具有相當(dāng)大的值，則無需使用放大器。

此外，測(cè)定電壓生成部10還可包括濾波電路，若在由外部環(huán)境產(chǎn)生的信號(hào)中無雜音，則不要求濾波電路。

在現(xiàn)有的傳感器中，測(cè)定電壓生成部10一般使用隨著外部環(huán)境(溫度，濕度等)的變化而產(chǎn)生電阻的變化的元件或產(chǎn)生電容的變化的元件，然而也可以不使用這種元件，而是生成外部環(huán)境的測(cè)定電壓值。例如，在測(cè)定心電圖的情況下，只要將電極連接于能夠獲得心電圖電壓的地點(diǎn)，就能作為測(cè)定電壓生成部10工作。在這種情況下，有可能其信號(hào)非常小，因此優(yōu)選包含放大器。

圖2為S/H部的結(jié)構(gòu)圖。

S/H部20為對(duì)輸入電壓進(jìn)行取樣并維持的取樣維持(Sample&Hold)電路。

在S/H部20的開關(guān)SW_SH處于關(guān)閉時(shí)，電容器C_SH的電壓與輸入電 壓Vin相同，但若開啟S/H部20的開關(guān)SW_SH時(shí)，電容器C_SH的電壓維持開關(guān)SW_SH開啟瞬間的值。

此時(shí)的輸出電壓為測(cè)定周邊環(huán)境的電壓值，因此從測(cè)定電壓(sensing voltage)這一含義出發(fā)，可將其名稱設(shè)為Vsen。

在測(cè)定電壓生成部10的輸出有可能存在雜波，因此優(yōu)選設(shè)置濾波電路。

既可以在測(cè)定電壓生成部10與S/H部20之間設(shè)置除去雜波的濾波電路，也可以在S/H部20與脈沖生成部30之間設(shè)置除去雜波的濾波電路。

在本發(fā)明的傳感器裝置中，若S/H部20的輸入電壓在一定時(shí)間以上的期間不變，則可以去掉S/H部20。

圖3為脈沖生成部的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。

圖3的脈沖生成部包括電容器C_S1、電流源I_S1、開關(guān)SW₁、比較器comp1以及與非門(NAND gate)。

比較器(comparator，comp1)可以由運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。

電容器C_S1的一端被接地，另一端連接于電流源I_S1。開關(guān)SW₁與電容器C_S1并聯(lián)連接。比較器comp1的+輸入端連接于Vsen(S/H部的輸出電壓，比較器comp1的-輸入端連接于電容器C_S1與電流源I_S1的連接點(diǎn)。

比較器comp1的輸出和Start信號(hào)成為與非門(NAND gate)的輸入，與非門的輸出成為high狀態(tài)時(shí)，開關(guān)SW₁關(guān)閉。

Start值為low狀態(tài)時(shí)，與非門的輸出值成為high狀態(tài)，開關(guān)SW₁被關(guān)閉，圖3的脈沖生成部不工作。

若Start值轉(zhuǎn)換為high狀態(tài)，則與非門的輸出值成為low狀態(tài)，開關(guān)SW₁被開啟。

在開關(guān)SW₁處于開啟的狀態(tài)下，因電流源I_S1而蓄積于電容器C_S1 的電荷量增加，隨著蓄積于電容器C_S1的電荷量的增加，電容器C_S1的電壓V_C1增加。

若隨著V_C1的增大而大于Vsen，則比較器comp1的輸出電壓V_P1從high狀態(tài)反轉(zhuǎn)為low狀態(tài)。

對(duì)于V_P1而言，如果high狀態(tài)成為low狀態(tài)，則與非門(NAND gate)的輸出值成為high狀態(tài)，開關(guān)SW₁關(guān)閉。若開關(guān)SW₁關(guān)閉，則電容器C_S1的電壓V_C1重新成為0，V_P1則從low狀態(tài)反轉(zhuǎn)為high狀態(tài)。

對(duì)于V_P1而言，若成為high狀態(tài)，與非門(NAND gate)的輸出值成為low狀態(tài)，開關(guān)SW₁開啟。

即，V_P1反復(fù)low狀態(tài)和high狀態(tài)，脈沖的寬度和周期與Vsen的大小呈比例。

即便將圖3中的與非門替換為與門(AND gate)，并在與門的輸出值成為high狀態(tài)時(shí)使開關(guān)SW₁開啟，也進(jìn)行相同的動(dòng)作。

優(yōu)選為，在與非門的輸出追設(shè)緩沖器，以便具有一定以上的延遲時(shí)間。

在圖3中，向比較器的+輸入端輸入Vsen值，但也可以變更電路而從比較器的-輸入端輸入Vsen值。

此時(shí)，V_C1的值以爬坡(ramp)形態(tài)增加，圖3的電路(包含比較器的電路)可稱為電流模式爬坡積分器(Current mode ramp integrator)。

由于V_P1的脈沖寬度與Vsen的大小呈比例，因此如測(cè)定脈沖的寬度，則能夠知道Vsen的大小。

假設(shè)利用判斷脈沖的寬度相當(dāng)于幾個(gè)時(shí)鐘周期這樣的方法來判斷Vsen的大小時(shí)，為了提高Vsen的分辨率，優(yōu)選脈沖的寬度相比時(shí)鐘周期非常大。

然而，縮減時(shí)鐘周期、即增大時(shí)鐘頻率是存在極限的。若過于增大時(shí)時(shí)鐘頻率，則電力消耗增加，存在誤操作的危險(xiǎn)增加的問題。

此外，如果想增大V_P1的脈沖寬度，則需要增大電容器C_S1的電容或減少電流源I_S1的電流值，但若增大電容則電容器C_S1的大小增大，無法實(shí)現(xiàn)裝置的小型化，并且若減小電流源I_S1的電流值，則存在容易受雜波影響的問題。

為了解決這種問題，在本發(fā)明中，使脈沖生成部30的輸出通過分頻部40來增大脈沖的寬度。

圖4為分頻部的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。

分頻部40(divider)可以以各種方式實(shí)現(xiàn)，在圖4的分頻部中，多個(gè)D觸發(fā)器被串聯(lián)連接，各D觸發(fā)器的輸出Qb連接于輸入D，所以在輸入CK的狀態(tài)改變2次時(shí)，輸出Q的狀態(tài)改變1次。

若圖4的D觸發(fā)器以串聯(lián)方式連接有n個(gè)，則將輸入的狀態(tài)變化次數(shù)以2ⁿ倍變更為小，因此又稱為2ⁿ分頻部(divider)。

本發(fā)明的分頻部40(divider)為將輸入的狀態(tài)變化次數(shù)以一定比率減小的電路，除圖4的形態(tài)之外，還可根據(jù)設(shè)計(jì)上的需要，變更為各種形態(tài)。

圖4的分頻部40中，將按照2倍分頻的電路串聯(lián)連接了多個(gè)，但理論上也可按照除2倍之外的整數(shù)倍(例如，3倍或10倍等)分頻。然而，按照2倍分頻的情況下，電路簡(jiǎn)單且最有效，因此優(yōu)選如圖4所示，將按照2倍分頻的電路串聯(lián)連接多個(gè)。

圖5為圖3和圖4的電路中的電壓圖表。

即，在將圖3的電路和圖4的電路連接時(shí)，將電路的各處的電壓值做了比較的圖表。

T_P1為V_P1處于high狀態(tài)的時(shí)間，T_SW為V_P1處于low狀態(tài)的時(shí)間。

若Start值變更為high狀態(tài)，則V_P1具有T_P1的脈沖寬度和T_P1+T_SW的周期，進(jìn)行規(guī)則的變化。

V_P1增加至成為V_ref值為止，但在圖3中V_ref值與Vsen值相同。

一般情況下，每通過圖4的D觸發(fā)器，脈沖寬度和周期就以2倍增加，因此V_P1通過一個(gè)D觸發(fā)器后的值可分別稱為V_P2、V_P4、...、V_P1024。

對(duì)于V_P1024的脈沖寬度512(T_P1+T_SW)而言，脈沖寬度寬，分辨率高，是與Vsen值呈比例地增加的值，因此若判斷V_P1024的脈沖寬度相當(dāng)于幾個(gè)時(shí)鐘，就能以高分辨率獲悉Vsen值。

計(jì)數(shù)部50為判斷分頻部40的輸出脈沖的寬度相當(dāng)于幾個(gè)時(shí)鐘的電路，可以以各種方法實(shí)現(xiàn)。

最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法是在計(jì)數(shù)電路(每接收時(shí)鐘輸入，N位輸出值增加1的電路)中將分頻部40的輸出值以計(jì)數(shù)電路的允許輸入(enable input)接收的方法。若這樣實(shí)現(xiàn)電路，則分頻部40的輸出值每當(dāng)處于high狀態(tài)時(shí)，計(jì)數(shù)電路就會(huì)工作?？蓽y(cè)定分頻部40的輸出值的脈沖寬度相當(dāng)于幾個(gè)時(shí)鐘。若采用這種方法，則需要在要測(cè)定的脈沖變換為high狀態(tài)使計(jì)數(shù)電路的值初始化為0的過程。

計(jì)數(shù)部50的具體電路，可根據(jù)設(shè)計(jì)上的需要，進(jìn)行各種變更。

此外，圖3和圖4所示的實(shí)施例，可變更成如下形態(tài)來實(shí)施，即，計(jì)算出不需要的時(shí)間要素(開關(guān)時(shí)間，時(shí)鐘延遲時(shí)間)，并在分頻部的脈沖寬度將該不需要的時(shí)間要素去除的形態(tài)。

圖6為圖3和圖4的變形實(shí)施例。即，變更了連接有圖3的電路、圖4的電路以及計(jì)數(shù)部50的電路的例子。

圖7為圖6的電路的電壓圖表。

圖6的電路的優(yōu)點(diǎn)在于，具有在輸出電壓V_{P_OUT}中去除了T_SW的512T_P1的脈沖寬度。即，插入將最終脈沖寬度所包含的不需要的時(shí)間要素(開關(guān)時(shí)間，時(shí)鐘延遲時(shí)間)去除的電路，從而將在脈沖生成部30產(chǎn)生的脈沖的寬度，按照整數(shù)倍準(zhǔn)確放大，來提高準(zhǔn)確率。

因此，圖6的電路可以認(rèn)為，追設(shè)在分頻部40的輸出脈沖中去除“脈沖生成部30輸出的脈沖寬度之外的成分”的電路。此時(shí)，圖6的電路的脈沖生成部30，需要周期性地生成具有與S/H部20的輸出電壓值呈比例的脈沖寬度的脈沖。

在計(jì)數(shù)部50中按照時(shí)鐘單位測(cè)定的數(shù)據(jù)值被存儲(chǔ)于存儲(chǔ)元件(例如，寄存器)。

本發(fā)明的傳感器裝置具有提高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，但存在測(cè)定時(shí)間增加的缺點(diǎn)。其結(jié)果，存在無法準(zhǔn)確地表現(xiàn)隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的電壓的變化的缺點(diǎn)。

圖8為測(cè)定電壓生成部的輸出電壓的例子。

測(cè)定電壓生成部10的輸出電壓Vin隨時(shí)間變化。為了準(zhǔn)確測(cè)定隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的電壓的變化，優(yōu)選以短的時(shí)間間隔測(cè)定電壓，但存在在一時(shí)刻(例如，t＝t1)的電壓測(cè)定完成之前無法開始另一時(shí)刻(t＝t2)的電壓測(cè)定的問題。

若將取樣的電壓值以并聯(lián)方式處理，則可以解決這種問題。

圖9為并行高速轉(zhuǎn)換電路的例子。

圖9的電路中，S/H部20、脈沖生成部30、分頻部40、計(jì)數(shù)部50分別具有n個(gè)，相比具有1個(gè)的情況，能夠以n倍稠密的時(shí)間間隔測(cè)定電壓。因此，能夠準(zhǔn)確地表現(xiàn)隨時(shí)間變化產(chǎn)生的電壓的變化。

換句話說，本發(fā)明的傳感器裝置中，包括2個(gè)以上的S/H部20、脈沖生成部(3個(gè)以上的S/H部20)，各個(gè)S/H部20的輸出電壓連接于不同的脈沖生成部30、分頻部40以及計(jì)數(shù)部50，從而能夠進(jìn)行電壓測(cè)定的并行處理。

本發(fā)明的檢測(cè)方法為利用包括測(cè)定電壓生成部10、S/H部20、脈沖生成部30、分頻部40以及計(jì)數(shù)部50的傳感器裝置的檢測(cè)方法，包括如下步驟。

第一步驟：根據(jù)外部環(huán)境，測(cè)定電壓生成部10輸出不同電壓值的步驟；

第二步驟：S/H部20在存儲(chǔ)測(cè)定電壓生成部10的輸出電壓的特定瞬間的電壓值后輸出的步驟；

第三步驟：脈沖生成部30生成周期與被輸入的電壓值呈比例的脈 沖的步驟；

第四步驟：分頻部40對(duì)脈沖生成部30的輸出進(jìn)行分頻的步驟；

第五步驟：計(jì)數(shù)部50將分頻部40的輸出脈沖的長(zhǎng)度按照時(shí)鐘單位進(jìn)行測(cè)定的步驟。

在本發(fā)明的檢測(cè)方法中，在S/H部20的輸入電壓在一定時(shí)間以上的期間不變化的情況下，可去掉第二步驟。

在上述第五步驟中按照時(shí)鐘單位測(cè)定出的值為數(shù)據(jù)值，需要存儲(chǔ)于存儲(chǔ)元件(例如，寄存器)，因此本發(fā)明的檢測(cè)方法還可包括下述的第六步驟。

第六步驟：寄存器存儲(chǔ)按照時(shí)鐘單位測(cè)定的值的步驟。