利用负阻抗控制回路的谐振阻抗感测制造技术

在所描述的示例中，一种谐振阻抗感测系统(200)包括负阻抗控制回路，该负阻抗控制回路包含谐振器(210)作为回路滤波器，并且包括D类负阻抗级(221)和回路控制级(223)，该D类负阻抗级(221)利用D类比较器(232)来实现，该回路控制器(223)利用由D类比较器(232)记时(D_clk)的输出比较器(244)来实现。D类比较器(232)接收谐振器振荡电压，并且产生与谐振器振荡频率同步的D类开关输出。离散电流源(例如，电流DAC 233)通过由所述D类开关输出切换的H桥(S1/S2)驱动谐振器(210)，使得离散驱动电流的时间平均值对应于谐振器振荡振幅(215A)。基于谐振器振荡振幅，输出比较器(244)向离散电流源(233)提供离散回路控制信号(229)，从而利用平衡谐振阻抗的负阻抗驱动谐振器(210)，由此维持对应于稳态振荡的恒定的谐振器振荡振幅。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体涉及感应式传感器，并且具体涉及谐振感应式传感器和感测，例如其能够被用在感测位置、邻近性或者物理状态或条件中。
技术介绍
谐振传感器包括被配置为在谐振状态(谐振频率和振幅)下操作的谐振器。传感器电子设备通过与谐振器振荡电压同步的AC励磁电流来驱动谐振器以维持谐振(稳态谐振)，从而克服由谐振器阻抗(例如串联/并联电阻Rs/Rp)表示的谐振器损耗因子。例如，在感应式感测的情况下，谐振器包括感应式感测线圈，其在谐振下操作时发射磁感测场。谐振感测基于谐振状态的变化，该谐振状态的变化由诸如谐振器振幅和频率的变化来表示，该谐振器振幅和频率的变化是谐振器阻抗响应于传导性目标而变化所产生的。例如，在感应式感测的情况下，谐振受到从感应式感测线圈输出的发射磁通量能量的存储或损失的影响，该存储或损耗诸如由与传导性目标相关联的涡流效应引起。该传感器响应表现为谐振器阻抗(损耗因子Rs/Rp)的变化。
技术实现思路
所描述的示例涉及使用谐振传感器的感测的问题，例如用于感测位置、邻近性或物理状态或条件。所描述的示例包括用于通过负阻抗控制回路进行谐振阻抗感测的装置和方法，该负阻抗控制回路包含谐振器作为回路滤波器，并且包括利用D类比较器实现的D类负阻抗级和利用由D类比较器同步的输出比较器实现的控制回路级。根据示例方面，一种谐振阻抗感测系统包括谐振器和电感到数字转换(IDC)单元。谐振器以谐振器振荡振幅和频率为特征，并且在谐振时以响应于感测条件而变化的谐振阻抗(损耗因子)为特征。IDC电路包括负阻抗电路系统和回路控制电路系统。负阻抗电路系统包括D类比较器和通过H桥电路系统联接到谐振器的离散电流源。D类比较器被配置为接收谐振器振荡电压并且提供D类开关输出D_clk，该D类开关输出D_clk具有被同步到谐振器振荡频率的频率。离散电流源被配
置为基于对应于受控负阻抗的离散回路控制信号输出具有离散电流电平的离散驱动电流。H桥电路系统由D_clk控制，以同步离散驱动电流和谐振器振荡电压，使得离散驱动电流的时间平均值对应于谐振器振荡振幅。回路控制电路系统包含谐振器作为回路滤波器，并且包括振幅采样电路系统和输出比较器，其均由D_clk记时。振幅采样电路系统被配置为将谐振器振荡振幅转换为振幅样本。输出比较器被配置为基于振幅样本和振幅基准的比较输出离散回路控制信号，使得受控负阻抗基本上抵消谐振阻抗，由此维持对应于稳态振荡的基本恒定的谐振器振荡振幅。附图说明图1图示说明了谐振感应式传感器系统的示例实施例，其包括由电感到数字转换器(IDC)驱动的LC谐振器，该电感到数字转换器(IDC)包括D类负阻抗级并且具有同步控制回路，该D类负阻抗级利用负阻抗驱动励磁电流，该同步控制回路响应于谐振器振荡振幅并且包括谐振器作为回路滤波器。图2图示说明了谐振感应式传感器系统的示例实施例，其包括由电感到数字转换器(IDC)驱动的LC谐振器(具有损耗因子为Rs)，该IDC包括D类负阻抗级和回路控制级，该D类负阻抗级具有通过接地基准H桥被联接至谐振器的电流DAC，该接地基准H桥由D类比较器基于谐振器振荡电压来控制，该回路控制级具有由D类比较器同步的输出比较器并且基于检测的谐振器振荡振幅提供离散回路控制信号，从而控制负电阻以平衡谐振器阻抗(损耗因子Rs)并维持恒定的谐振器振荡振幅。具体实施方式示例实施例和应用通过负阻抗控制回路实现谐振阻抗感测的各种特点和优势，该负阻抗控制回路包含谐振器作为回路滤波器，并且其包括通过D类比较器D类比较器实现的D类负阻抗级和通过由D类比较器记时的输出比较器实现的控制回路级。术语“D类比较器”意味着实现D类功能所使用的比较器，并不意味着以驱动MOSFET开关的D类模式操作的比较器。简要概述，谐振阻抗感测系统的示例实施例包括电感到数字转换单元(inductance-to-digital conversion unit)，其包括D类负阻抗级和回路控制级。D类比较器接收谐振器振荡电压并且产生与谐振器振荡频率同步的D类开关输出。离散电流源(例如电流DAC)通过由D类开关输出切换的H桥来驱动谐振
器，因此离散驱动电流的时间平均值对应于谐振器振荡振幅。基于谐振器振荡振幅，输出比较器向离散电流源提供离散回路控制信号，使用平衡谐振阻抗的负阻抗来驱动谐振器，因此维持对应于稳态振荡的恒定的谐振器振荡振幅。在示例实施例中，谐振感应式感测系统包括IDC单元和传感器/谐振器，该传感器/谐振器以谐振器振荡振幅和频率为特征，并且在振荡时以响应于感测条件而变化的谐振阻抗(损耗因子)为特征。IDC单元包括负阻抗电路系统和回路控制电路系统。负阻抗电路系统被配置基于对应于受控负阻抗的离散回路控制信号利用具有离散电流电平的离散驱动电流来驱动谐振器。回路控制电路系统包含谐振器作为回路滤波器，并且其被配置为基于谐振器振荡振幅产生离散回路控制信号，因此受控负阻抗基本上抵消谐振阻抗，从而维持对应于稳态振荡的基本恒定的谐振器振荡振幅。在示例实施例中，负阻抗电路系统包括D类比较器和通过H桥电路系统联接至谐振器的离散电流源。D类比较器被配置为接收谐振器振荡电压，并且提供具有被同步到谐振器振荡频率的频率的D类开关输出D_clk。离散电流源被配置为将离散回路控制信号转换为离散驱动电流。H桥电路系统由D_clk控制以同步离散驱动电流与谐振器振荡电压，因此离散驱动电流的时间平均值对应于谐振器振荡振幅。回路控制电路系统包括振幅采样电路系统和输出比较器，两者均由D_clk记时。振幅采样电路系统被配置为将谐振器振荡振幅转换为振幅样本。输出比较器被配置为基于振幅样本和振幅基准的比较来输出离散回路控制信号。在示例实施例中，输出比较器可以是单比特比较器，其输出两级gm_低/gm_高回路控制信号，并且离散电流源是电流DAC，其基于gm_低/gm_高控制信号输出gm_低和gm_高驱动电流电平。振幅采样电路系统可以利用振幅检测电路系统和采样/维持电路系统来实现，该振幅检测电路系统根据谐振器振荡振幅产生检测的振幅信号，该采样/维持电路系统对检测的振幅信号进行采样，并提供谐振器振荡振幅样本。回路控制电路系统可以进一步包括缓冲电路，其被配置为缓存谐振器振荡振幅以便输入到振幅检测电路系统。在示例实施例中，IDC可以包括传感器输出电路系统，其被配置为输出对应于离散回路控制信号的传感器响应数据，该离散回路控制信号表示受控负阻抗。此外，IDC可以进一步包括频率估计电路系统，其被配置为将D_clk转换为对应于谐振器振荡频率的频率信号，并且传感器输出电路系统可以被配置为输出对应于离散回路控制信号的传感器响应数据和频率信号。图1图示说明谐振感应式传感器100的示例实施例。传感器100包括具有由Rs表示的损耗因子的LC谐振器110和电感到数字转换器(IDC)120。损耗因子Rs等同于等效并联电阻/阻抗Rp。在示例应用中，传感器100可以被用于传导性目标的邻近性/位置感测。邻近的传导性目标(在传感器100的感测范围内)将会引起谐振阻抗(损耗因子Rs/Rp)的变化，其被IDC 120检测。IDC 120利用与谐振器的振荡频率同步的AC励磁电流来驱动谐振器110。IDC 120包括负阻抗级121和回本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电感到数字转换电路即IDC电路，其适用于谐振电感式感测，其中谐振器以谐振器振荡振幅和谐振器振荡频率为特征，并且在谐振时以响应于感测条件而变化的谐振阻抗(损耗因子)为特征，所述电路包含：负阻抗电路系统，其包括：D类比较器，其被配置为接收谐振器振荡电压并提供D类开关输出D_clk，所述D类开关输出D_clk具有被同步到所述谐振器振荡频率的频率；离散电流源，其被配置为基于对应于受控负阻抗的离散回路控制信号输出具有离散电流水平的离散驱动电流；和H桥电路系统，其被配置为联接所述离散电流源至所述谐振器，并由D_clk控制以同步所述离散驱动电流与所述谐振器振荡电压，使得所述离散驱动电流的时间平均值对应于谐振器振荡振幅；和回路控制电路系统，其包含所述谐振器作为回路滤波器，并且包括：振幅采样电路系统，其由D_clock记时，并且被配置为将所述谐振器振荡振幅转换为振幅样本；以及输出比较器，其由D_clock记时，并且被配置为基于所述振幅样本和振幅基准的比较输出所述离散回路控制信号，使得所述受控负阻抗基本上抵消谐振阻抗，由此维持对应于稳态振荡的基本恒定的谐振器振荡振幅。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.31 US 61/922,716;2014.12.30 US 14/585,4551.一种电感到数字转换电路即IDC电路，其适用于谐振电感式感测，其中谐振器以谐振器振荡振幅和谐振器振荡频率为特征，并且在谐振时以响应于感测条件而变化的谐振阻抗(损耗因子)为特征，所述电路包含：负阻抗电路系统，其包括：D类比较器，其被配置为接收谐振器振荡电压并提供D类开关输出D_clk，所述D类开关输出D_clk具有被同步到所述谐振器振荡频率的频率；离散电流源，其被配置为基于对应于受控负阻抗的离散回路控制信号输出具有离散电流水平的离散驱动电流；和H桥电路系统，其被配置为联接所述离散电流源至所述谐振器，并由D_clk控制以同步所述离散驱动电流与所述谐振器振荡电压，使得所述离散驱动电流的时间平均值对应于谐振器振荡振幅；和回路控制电路系统，其包含所述谐振器作为回路滤波器，并且包括：振幅采样电路系统，其由D_clock记时，并且被配置为将所述谐振器振荡振幅转换为振幅样本；以及输出比较器，其由D_clock记时，并且被配置为基于所述振幅样本和振幅基准的比较输出所述离散回路控制信号，使得所述受控负阻抗基本上抵消谐振阻抗，由此维持对应于稳态振荡的基本恒定的谐振器振荡振幅。2.根据权利要求1所述的电路，其中所述输出比较器是单比特比较器，其输出两级gm_低/gm_高回路控制信号，并且其中所述离散电流源基于所述gm_低/gm_高控制信号输出gm_低和gm_高驱动电流电平。3.根据权利要求1所述的电路，其中所述离散电流源是电流DAC。4.根据权利要求1所述的电路，其中所述振幅采样电路系统包括：振幅检测电路系统，其产生对应于所述谐振器振荡振幅的检测的振幅信号；和采样/维持电路系统，其对所述检测的振幅信号进行采样并提供所述振幅样本。5.根据权利要求4所述的电路，其中所述回路控制电路系统进一步包括缓冲电路，其被配置为缓存所述谐振器振荡振幅以便输入至所述振幅检测电路系统。6.根据权利要求1所述的电路，其进一步包含传感器输出电路系统，其被
\t配置为输出对应于所述离散回路控制信号的传感器响应数据，所述离散回路控制信号表示所述受控负阻抗。7.根据权利要求6所述的电路，其进一步包含频率估计电路系统，其被配置为将D_clk转换为对应于谐振器振荡频率的频率信号，其中所述传感器输出电路系统被配置为输出对应于所述离散回路控制信号的传感器响应数据和所述频率信号。8.一种电感到数字转换电路即IDC电路，其适用于谐振电感式感测，其中谐振器以谐振器振荡振幅和谐振器振荡频率为特征，并且在谐振时以响应于感测条件而变化的谐振阻抗(损耗因子)为特征，所述电路包含：负阻抗电路系统，其被配置为基于对应于受控负阻抗的离散回路控制信号使用具有离散电流电平的离散驱动电流来驱动所述谐振器；和回路控制电路系统，其包含所述谐振器作为回路滤波器，并且被配置为基于谐振器振荡振幅产生所述离散回路控制信号，使得所述受控负阻抗基本上抵消谐振阻抗，由此维持对应于稳态振荡的基本恒定的谐振器振荡振幅；所述负阻抗电路系统包括：D类比较器，其被配置为接收谐振器振荡电压，并且提供D类开关输出D_clk，所述D类开关输出D_clk具有被同步到所述谐振器振荡频率的频率；离散电流源，其被配置为将所述离散回路控制信号转换为所述离散驱动电流；以及H桥电路系统，其被配置为联接所述离散电流源至所述谐振器，并且由D_clk控制以将所述离散驱动电流与所述谐振器振荡电压同步，使得所述离散驱动电流的时间平均值对应于所述谐振器振荡振幅；并且所述回路控制电路系统包括：振幅采样电路系统，其由D_clock记时并且被配置为将所述谐振器振荡振幅...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·P·瑞兹玛，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US