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专利名称：用于将阻抗数字化的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将阻抗数字化的设备和方法，更具体地说，涉及一种用于将位移响应型差动电容换能器的电容数字化的设备和方法。
背景技术：
已知多种不同类型的换能器，这些换能器具有关于被测性质或量变化的阻抗。例如，在W002/061378中描述了一种测量探针，所述测量探针结合有用于测量位移的差动电容换能器。还已知用于将这种换能器的阻抗转换成与该阻抗有关的数字输出值的各种闭环调节电路。在W089/09927中描述了供多路电容位移换能器使用的这种电路的一个示例。在W089/09927的一个实施方式中，通过由相关的驱动信号调制器产生的三个不同频率的方波来驱动三个差动电容换能器。在被各自的方波驱动时每个差动电容换能器产生的信号被施加至电荷放大器的公共输入端。电荷放大器的输出由三个相敏整流器解调， 所述三个相敏整流器均以方波驱动频率中的一个频率驱动。每个相敏整流器因而产生输出，所述输出表明与其相关的差动换能器的驱动相关的任何电流不均衡。为每个差动电容换能器设置闭环反馈电路，这对应于用于相应换能器的任何测量的电流不均衡，并且将电压信号反馈到对应的驱动信号调制器，所述驱动信号调制器往往使得所述电荷放大器的输入无效。每个反馈电压信号都是利用单独的数字模拟转换器从计数器的数字输出生成的， 所述计数器还提供数字化的换能器输出。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于将阻抗数字化的设备，所述设备包括第一阻抗元件，所述第一阻抗元件具有随着待测量特性变化的第一阻抗；第二阻抗元件，所述第二阻抗元件具有第二阻抗；驱动信号发生器，所述驱动信号发生器用于向所述第一阻抗元件施加第一交变驱动信号并且向所述第二阻抗元件施加第二交变驱动信号；以及模数转换器，即ADC，所述模数转换器用于接收合成信号并且将所述合成信号数字化，所述合成信号包括通过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变驱动信号和所述第二交变驱动信号而产生的信号的组合，其中所述第一交变驱动信号相对于所述第二交变驱动信号相移，使得由所述模数转换器接收并采样的所述合成信号顺次与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间的差有关，其特征在于，所述设备包括信号分离器，所述信号分离器从所述ADC接收采样值并提供和通道和差通道，所述和通道包括与所述第一阻抗和所述第二阻抗的和有关的一系列值，所述差通道包括与所述第一阻抗和所述第二阻抗之间的差有关的一系列值。因此，本发明提供了一种开环电路，所述开环电路用于将第一阻抗元件的第一阻抗数字化，所述第一阻抗可关于待测量特性(例如位移)变化。如以下更详细地描述的，第二阻抗也可以关于待测量特征(例如位移)变化，或者其可以基本上不随着该特性变化。所述驱动信号发生器向所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件施加诸如一对正交相位方波之类的第一和第二交变驱动信号。通过驱动所述第一阻抗和所述第二阻抗产生的信号被组合(可选地与一个或更多个其他信号组合，如下所述)，并且所述合成信号由所述ADC采样。所述第一交变驱动信号和所述第二交变驱动信号相对于彼此相移。向所述第一阻抗和第二阻抗施加诸如正交相位方波之类的相移驱动信号使得能够从由所述ADC获得的所述合成信号的样本中提取关于这些阻抗的和和差的信息。具体地说，由所述模数转换器接收并采样的所述合成信号顺次与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间的差有关。因此，所述ADC能够产生与和值或差值有关的一系列采样 (即数字)值。例如，可以与所述第一交变驱动信号和所述第二交变驱动信号同步地对所述ADC进行适当的时钟控制，以输出依次代表所述第一阻抗和所述第二阻抗的和和差的一个或更多个数字采样值。所述设备还包括信号分离器，所述信号分离器从所述ADC接收(数字)采样值并且生成和通道和差通道。所述信号分离器可以包括相敏检测器(PSD)装置，并且还可以接收所述第一驱动信号和所述第二驱动信号。所述和通道或数据流可以包括与所述第一阻抗和所述第二阻抗的和有关的一系列值。所述差通道或数据流可以包括与所述第一阻抗和所述第二阻抗之间的差有关的一系列值。所述信号分离器可以被布置成包括所述和通道和/ 或所述差通道中的重复值，例如用于确保能够向相关的滤波器供应恒定的数据比特流。如果和值和/或差值具有不同符号(例如取负值和正值)，则必要时可以将一个值的符号取反。可以对包含在所述和通道和所述差通道中的值进行处理以推导出关于所述第一阻抗和所述第二阻抗的相对值的变化的信息。如下所述，该信息可以用于提供待测量特性(例如位移)的可靠测量。已经发现本发明的开环构造减轻了上述现有技术的闭环系统的至少一些缺点。例如，本发明使用了 ADC，相比于现有技术系统的DAC，ADC通常引入较低噪声并且具有低功耗。不像现有技术的闭环系统那样，开环结构在启动之后不需要特定时间来进行稳定，因此可以仅在需要时启动，由此节省了更多电能。可以有利地与所述信号分离器相结合地设置除法器，所述除法器用所述和通道中的值除所述差通道中的值，由此产生输出值流。所述输出值因而可以与所述第一阻抗和所述第二阻抗之间的差与所述第一阻抗和所述第二阻抗的和的比有关。有利地，包含在所述和通道和所述差通道中的值被校准，使得每个分割都是唯一的。所述设备优选包括至少一个数字滤波器。如果来自所述设备的测量的输出速率不重要，则所述数字滤波器可以进行抽取(十取一)采样。可以收集由所述ADC产生的多个和采样值和多个差采样值，并且通过所述数字滤波器求平均值以产生输出值。如果提供信号分离器是为了产生如上所述的和通道和差通道，则所述至少一个数字滤波器可以位于用于组合这种通道的除法器之后或之前。所述至少一个数字滤波器可以包括有限冲击响应 (FIR)数字滤波器。这可以应用于由上述类型的除法器产生的差值/和值的流。也可以使用数字滤波，可选地与ADC过采样相组合，以提高所述设备的信噪比性能。所述驱动信号发生器可以是任何合适类型。施加至所述第一阻抗和所述第二阻抗的第一交变驱动信号和所述第二交变驱动信号可以采取任何形式。例如，所述第一交变驱动信号和/或所述第二交变驱动信号可以包括方波、正弦波形、三角波等。优选地，所述第一交变驱动信号的形式基本上与所述第二交变驱动信号的形式相同。优选地，所述第一交变驱动信号的幅值和所述第二交变驱动信号的幅值的比在使用过程中近似恒定或基本恒定。有利地，所述第一交变驱动信号的幅值与所述第二交变驱动信号的幅值近似相同或基本上相同。如上所述，所述第二交变驱动信号相对于所述第一交变驱动信号相移，优选地， 所述第一交变驱动信号和所述第二交变驱动信号之间的相移在使用过程中近似不变或基本上不变。有利的是，所述第二交变驱动信号相对于所述第一交变驱动信号相移基本90°， 即优选的是所述第一交变驱动信号和所述第二交变驱动信号处于正交相位。所述第一交变驱动信号和所述第二交变驱动信号或由它们产生的定时信号还可以传送至所述信号分离器以在利用相敏检测将所述和值和所述差值分离成和流和差流的过程中使用。在所述设备内使用的各种信号(例如，所述交变驱动信号和/或用于任何相敏检测的信号)可以从信号源获得。例如，所述设备可以包括主振荡器。所述驱动信号发生器可以包括所述主振荡器，或者可以具有用于从这种主振荡器接收时钟信号的输入端。优选地，所述设备包括差动换能器，所述差动换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随着待测量特性(例如位移) 变化。在这种布置中，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变驱动信号和所述第二交变驱动信号的单独输入端和公共拾取电极或传感器输出端。然而，本发明还可以通过提供单独的(例如基本上不变的)第二阻抗而应用于所谓的单端换能器。在这种实施例中，可以设置包括所述第一阻抗元件的换能器。所述第二电阻元件因而可以与所述换能器分离，例如，所述第二阻抗元件可以具有不随着由所述换能器测量的特性变化的第二阻抗。所述设备可以用于将任何类型的阻抗，例如电感、电阻或电容数字化。优选地，所述第一阻抗元件仅具有一个阻抗分量，该阻抗分量关于待测量特性变化。有利地，所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件包括第一电容元件和第二电容元件。例如，所述电容元件可以形成位移换能器的部件，诸如在W089/9927和W002/061378中描述的那些部件。所述设备优选包括电荷放大器。方便地，所述电荷放大器具有用于从所述第一阻抗(例如电容)元件和所述第二阻抗(例如电容)元件中的每个接收信号的公共输入端， 并且由此产生用于施加至所述模数转换器的所述合成信号。所述电荷放大器可以包括反馈阻抗(例如反馈电容)。所述设备可以包括第一阻抗元件，该第一阻抗元件形成换能器的部件，用于测量任何需要的特性。有利地，所述设备包括位移响应换能器，所述位移响应换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随着所述位移响应换能器的部件的位移而变化。如上所述，如果设置差动换能器，则所述第二阻抗也可以随着所述位移响应换能器的部件的位移变化(例如以与第二阻抗相反的意义)。本发明还可以提供多通道或多路传输操作。有利地，所述设备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随着待测量的第二特性变化的第三阻抗，所述第四阻抗元件具有第四阻抗。所述第四阻抗也可以随着待测量的第二特性变化或者可以不随着该第二特性变化。有利地，所述驱动信号发生器向所述第三阻抗元件施加第三交变驱动信号并且向所述第四阻抗元件施加第四交变驱动信号。有利地，所述模数转换器接收合成信号，所述合成信号也包括通过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变驱动信号和所述第四交变驱动信号产生的信号。可以使用时分和/或频分多路传输技术以允许与所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件相关的阻抗特性与所述第三阻抗元件和所述第四阻抗元件的阻抗特性分离。为了执行频分多路传输，所述第一交变驱动信号和所述第二交变驱动信号可以具有第一频率，所述第三交变驱动信号和所述第四交变驱动信号可以具有第二(不同)频率。 有利地，所述第一频率和所述第二频率是谐波相关的，但是优选没有任何奇次谐波重合。所述第一交变驱动信号和所述第二交变驱动信号的优选特性(例如，形状、幅值、相对相位等)类似于所述第三交变驱动信号和所述第四交变驱动信号的优选特性。在优选实施方式中，所述第一交变驱动信号和所述第二交变驱动信号可以包括一对第一频率(例如f)的正交相位驱动信号，并且所述第三交变驱动信号和所述第四交变驱动信号可以包括一对第二频率(例如2f)的正交相位驱动信号。在频分多路传输设备中，所述ADC可以接收合成信号，在每个时间点，所述合成信号都包括通过向所述第一、第二、第三和第四阻抗元件施加第一、第二、第三和第四驱动信号而产生的信号的组合。然后，可以对来自所述ADC的适当一组样本进行分析，以提出与第一和第二阻抗以及第三和第四阻抗有关的分离信息。可以再次使用相敏检测(PSD)以从不同频率的通道分离出信息。还可以实现时分多路传输布置。在这种系统中，可以通过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变驱动信号和所述第二交变驱动信号而产生第一合成分量信号。还可以通过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变驱动信号和所述第四交变驱动信号产生第二合成分量信号。由所述ADC接收的合成信号因而可以由交替地与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关的一系列区段形成。例如，可以设置开关，所述开关将所述第一合成分量信号和所述第二合成分量信号依次施加至所述ADC的输入端。这样，可以看出多路传输设备包括第一传感器通道，所述第一传感器通道包括所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件；以及第二传感器通道，所述第二传感器通道包括所述第三阻抗元件和所述第四阻抗元件。所述第一传感器通道和所述第二传感器通道因而可以包括用于测量第一特性和第二特性的第一换能器和第二换能器。例如，所述第一传感器通道和所述第二传感器通道可以分别测量沿着第一轴线和第二轴线的位移。尽管这里详细地描述了两个通道的实施方案，应注意的是，可以实现任意等级的多路传输。换句话说，可以根据需要增加第三、第四、第五传感器通道等。例如，所述设备可以包括至少一个另外一对阻抗元件，其中每对的至少一个阻抗元件具有关于待测量的另外特性变化的阻抗。这些另外一对阻抗元件中的每个都可以由另外的交变驱动信号驱动。由所述ADC接收的合成信号因而可以包括(利用上述时分和/或频分多路传输)通过向另外的阻抗元件施加另外的驱动信号产生的信号。可以看出，与其中每个传感器通道都需要单独的DAC的现有技术的闭环系统不同，本发明允许利用单个ADC进行多路传输。因而可以看出，当使用本发明实现多数传输布置时本发明提供了另外的节能优点。本发明还提供了一种供坐标定位设备(例如机床或坐标测量机器)使用的尺寸度量装置，所述尺寸度量装置包括上述类型的用于将阻抗数字化的设备。有利地，所述度量装置被布置成测量沿着至少一个轴线的位移。方便地，所述度量装置被布置成测量沿着至少两个或更多个轴线优选三个轴线的位移。所述度量装置可以有利地包括测量探针或球杆 (ball-bar)0根据本发明的第二方面，提供了一种用于将阻抗数字化的方法，所述方法包括如下步骤(i)向第一阻抗元件施加第一交变驱动信号，并且向第二阻抗元件施加第二交变驱动信号，所述第一阻抗元件具有随着待测量特性变化的第一阻抗，所述第二阻抗元件具有第二阻抗，其中所述第一交变驱动信号相对于所述第二交变驱动信号相移；(ii)通过将向所述第一阻抗元件施加所述第一交变驱动信号产生的信号与向所述第二阻抗元件施加所述第二交变驱动信号产生的信号组合而产生合成信号；(iii)利用模数转换器将所述合成信号数字化以产生采样值；其特征在于如下步骤(iv)根据所述采样值产生和通道和差通道，所述和通道包括与所述第一阻抗和所述第二阻抗的和有关的一系列值，所述差通道包括与所述第一阻抗和所述第二阻抗之间的差有关的一系列值。根据本发明的第三方面，提供了一种供坐标定位设备使用的尺寸度量装置，所述尺寸度量装置包括位移响应换能器，所述位移响应换能器包括第一阻抗元件，所述第一阻抗元件具有随着待测量位移变化的第一阻抗；具有第二阻抗的第二阻抗元件；驱动信号发生器，所述驱动信号发生器用于向所述第一阻抗元件施加第一交变驱动信号并且向所述第二阻抗元件施加第二交变驱动信号；以及模数转换器，即ADC，所述模数转换器用于接收合成信号并且将所述合成信号数字化，所述合成信号包括通过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变驱动信号和所述第二交变驱动信号而产生的信号的组合。所述位移响应换能器有利地包括差动换能器，所述差动换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随着所述待测量位移变化。优选地，所述装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随着待测量特性变化的第三阻抗，所述第四阻抗元件具有第四阻抗，其中所述驱动信号发生器向所述第三阻抗元件施加第三交变驱动信号并且向所述第四阻抗元件施加第四交变驱动信号， 其中所述模数转换器接收合成信号，所述合成信号包括通过向所述第三阻抗元件和所述第四阻抗元件施加所述第三驱动信号和所述第四驱动信号产生的信号。方便地，所述第一交变驱动信号和所述第二交变驱动信号是正交相位方波信号。所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件有利地包括第一电容元件和第二电容元件。根据本发明的第四方面，提供了一种用于将至少一个具有可变阻抗的换能器的输出数字化的开环电路，所述开环电路包括驱动器，所述驱动器用于产生第一交变驱动信号和第二交变驱动信号，所述第一交变驱动信号用于施加至相关换能器的第一阻抗元件，所述第二交变驱动信号用于施加至第二阻抗元件，其中所述电路包括模数转换器，所述模数换能器具有输入端，所述输入端用来接收合成信号，所述合成信号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驱动信号和所述第二驱动信号时产生的信号的组合产生。还描述了一种用于将阻抗数字化的设备，所述设备包括第一阻抗元件，所述第一阻抗元件具有随着待测量特性变化的第一阻抗；第二阻抗元件，所述第二阻抗元件具有第二阻抗；以及驱动信号发生器，所述驱动信号发生器用于向所述第一阻抗元件施加第一交变驱动信号并且向所述第二阻抗元件施加第二交变驱动信号；所述设备包括模数转换器， 即ADC，所述模数转换器用来接收合成信号并且将所述合成信号数字化，所述合成信号由通过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变驱动信号和所述第二交变驱动信号而产生的信号的组合产生。这种设备可以额外包括这里所描述的本发明的第一方面的任意一个或更多个特征。重要的是注意，描述设备中包含的各种元件并不是为了限制本发明实际实现的方式。例如，上述设备的用来生成和分析信号的各种元件可以利用分立电路元件提供，并且/ 或者可以利用基于适当的编程软件和/或硬件的装置来实现。例如，可以利用现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)或利用适当编程的处理器执行信号生成和/或分析。 本领域技术人员将更清楚可用来实际实现本发明的各种不同选择方案。


下面将参照附图仅仅以实施例的方式描述本发明，在附图中图1是示出了用于将差动电容换能器数字化的现有技术闭环反馈电路的一般工作原理的框图；图2示出了本发明的用于将差动电容换能器数字化的开环电路；图3示出了图2的电路的驱动信号和合成信号；图4示出了样本保持的过程；图5示出了本发明的用于将一对差动电容换能器数字化的开环电路；图6示出了图5的电路的各种信号；以及图7示出了一组合适的交变驱动信号。
具体实施例方式参照图1，提供了简化框图，以示出在W089/09927中所描述类型的现有技术设备的工作原理，该设备利用闭环或反馈电路将差动电容换能器的电容数字化。差动电容换能器2包括公共板4、第一驱动板6和第二驱动板8。因而在公共板与第一驱动板6和第二驱动板8之间分别存在第一电容Cl和第二电容C2。在使用时，换能器的第一和第二驱动板能相对于公共板4移动，由此改变电容Cl和C2。电容Cl和C2的变化提供了换能器沿着轴线的位移的测量。为了测量电容Cl和C2，调制器装置10向第一驱动板6施加方波，并且向第二驱动板8施加倒置方波。所述方波和倒置方波分别具有幅值+Vref和-Vref,并且均偏移DC反馈电压VF。公共板4处的合成信号由电荷放大器12接收和放大。电荷放大器12因而输出合成电压信号Vres，所述合成电压信号与差动电容换能器2的两个被驱动的电容Cl和C2之间的任何电流不均衡有关。合成电压信号Vres被传送至具有数字输出16的计数器装置14。数字输出16也被传送至数模转换器(DAC) 18并且被转换成模拟直流反馈电压信号VF，该模拟直流反馈电压信号被反馈至调制器装置10。计数器装置14使用其接收到的合成电压信号Vres来增加或减小数字输出值，使得合成电压信号Vms趋近于零，由此减少与两个被驱动的电容Cl和C2相关的任何电流不平衡。提供闭环反馈系统，其中数字输出16与C1-C2与C1+C2的比成比例，该比又与换能器的第一和第二驱动板相对于公共板4的位移成比例。应该注意的是，以上仅仅是在W089/09927中描述的闭环电路的原理的简单描述。还应注意的是，在W089/09927中还详细地描述了基于以上概述的相同原理的多通道系统。在W002/061378中还可以发现适合于包含在测量探针中的差动换能器的更多信息。 W089/09927和W002/061378的内容，特别是其中发现的差动换能器的描述通过引用结合在本文中。尽管上述类型的闭环系统通常表现很好，本发明人已经发现它们具有严重缺陷。 例如，DAC通常是非常消耗功率的，并且在电池操作的设备中会占用相当大的功率消耗，对于每个换能器通道都需要一个DAC的多路传输系统来说尤其如此。另外，闭环系统在上电之后需要一定时间间隔进行稳定，由此降低了通过在不获取测量的期间关闭电路节省功率的可能。参照图2至4，将描述根据本发明的用于将电容数字化的开环电路。具体地说，图 2示出了电路设计，而图3和4示出了由该电路在使用中产生的各种信号。如图2所示，该电路包括差动电容换能器20，所述差动电容换能器20具有电容分别为Cl和C2的第一电容元件22和第二电容元件M。差动电容换能器20可以是上述的已知类型，例如其可以是测量探针的位移响应型换能器。设置了驱动信号发生器，该驱动信号发生器包括第一驱动信号发生器部分沈和第二驱动信号发生器部分30。第一驱动信号发生器部分沈向第一电容元件22的驱动板 28施加第一方波驱动信号。第二驱动信号发生器部分30向第二电容元件M的驱动板32 施加第二方波驱动信号。第一和第二方波驱动信号包括移动一对正交相位方波信号。换言之，第二方波驱动信号从第一方波驱动信号相移大约90°。第一和第二电容元件22和M的拾取板34和36均连接至电荷放大器40的公共输入端38。合成信号41从电荷放大器40输出并传送至模数转换器或ADC 42。在电荷放大器的输出端和输入端之间还设置了反馈电容Cf。如上所述，用于驱动电容Cl和C2的第一和第二方波驱动信号是正交相位信号。使用正交相位信号是优选的，但绝不是必须的，这是因为正交相位信号使得电荷放大器40和 ADC 42中的直流偏移和其他这种误差(例如，载波幅值差)最小。图3和图4示出了施加至第一电容元件22的同相(I)信号44以及施加至第二电容元件M的正交相位(Q)信号 46。电容Cl和C2的交变驱动在电荷放大器40的输出端产生了合成(电压)信号41，该合成信号包括电容Cl和C2的一系列交替的负的和正的和和差。在图4中以波形47示出了由电荷放大器40输出的合成信号41的一个示例。由这些和值和差值提供的电容信息通常由图3中所示的数据流48图示。ADC 42被布置成对其从电荷放大器40接收到的合成信号41进行采样。由ADC 42 使用的采样点的示例在图4中由相对于合成信号41的表示52定位的箭头50指示。如图4所示，可以看出采样点与一系列交替的和和差有关。具体地说，图4的合成信号表示52示出了由ADC输出的一序列数据值。该序列包括第一和值(+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)。应注意的是，和值和差值的交替符号是任意的，并且对在这些信号中包含信息没有任何影响。再次参照图2，由ADC 42产生的采样点值的流被传送至信号分析电路Μ。信号分析电路M在本实施方式中利用现场可编程门阵列(FPGA)形成，但是应该认识到，该信号分析电路M可以以任何其他适当的方式(例如，利用DSP或适当编程的微处理器)实现。信号分析电路M包括正交相敏逆变器56，该逆变器56被布置成将和值和差值的交替序列逆变并分离成和流58和差流60。ADC 42和正交相敏逆变器56的组合执行相敏检测功能。设置除法器62，用于将差流60分成和流68。除法器62因而输出每个都描述电容(C1-C2)之间的差与电容(C1+C2)的和的比的一系列输出值。除法器62的输出被传送至数字滤波器64 (注意，该数字滤波器可以另选地位于除法器之前)。在该实施例中，数字滤波器64是有限冲击响应(FIR)类型的滤波器，以使得进行快速信号获取。数字滤波器64基于升余弦η函数。这种函数实现起来相对简单，并且确保对阶跃变化零过冲。而且，改变“η”值使得可以容易地控制频率响应和阻带衰减。在该实施例中，数字滤波器64被布置成对于20比特的分辨率来说具有IOOdB的阻带衰减。数字滤波器64还引入了最小延迟，以这种方式使滤波器延迟最小确保了换能器系统的响应的等待时间最小(这对于位移敏感的换能器系统例如测量探针来说经常是十分重要的)并且降低了逻辑设计的复杂性。还应注意，信号获取时间也通过采样填充数字滤波器64所需要的采样或阶的数量来设定，之后所有读数都是有效的。本实施例的数字滤波器64具有15 阶或25阶。数字滤波器64通过增加产生信号的连续平均值还增加了系统的分辨率，并且还设置了系统带宽。上述数字滤波器64被设计成接收来自除法器62的连续的数值流。该连续的数值流是通过重复和输出和差输出中的一些而获得的。因而通过将分割区间重叠而保持了采样率并使信息损失最小。具体地说，在图4的表示66中所示的和流58包括在每个ADC采样点处的和值。这是通过在随后的采样点(即在尚没有任何新的和值可用的地方)中重复每个和值。类似地，在图4的表示68中所示的差流60包括在每个ADC采样点处的差值，这也是通过在随后的采样点处重复每个差值而获得的。还应注意，在图4的表示66和68中，向下箭头表示倒置采样，而向上箭头表示非倒置采样。除法器62因而接收均是利用重复采样形成的和流和差流，但是每个分割都是唯一的。除法器输出的表示70也在图4中提供了。来自除法器62的输出值的连续流也呈现能够由数字滤波器64容易地接收并起作用的格式。应注意的是，任何DC偏移误差都将导致在每个四个采样上达到平均的零位偏移和比例因子变化。尽管上述类型的HR数字滤波器具有奇数阶，然后它们仍然极大地降低了这种误差。例如，15阶滤波器将误差减少多于两个的数量级。一个典型的16位ADC的 1. 6mV或20位误差因而能够被减小到小于18中的1位。应注意的是，除法器62可以被构造成实现其他可能的更复杂的除法运算。例如可以使用如下表达式(1)中概括的更复杂的运算，该方案完全消除了任何潜在的DC偏移误差，同时还维持了采样率并产生唯一分割。
1权利要求
1.一种用于将阻抗数字化的设备，所述设备包括第一阻抗元件，所述第一阻抗元件具有随着待测量特性变化的第一阻抗；第二阻抗元件，所述第二阻抗元件具有第二阻抗；驱动信号发生器，所述驱动信号发生器用于向所述第一阻抗元件施加第一交变驱动信号并且向所述第二阻抗元件施加第二交变驱动信号；以及模数转换器，即ADC，所述模数转换器用于接收合成信号并且将所述合成信号数字化， 所述合成信号包括通过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变驱动信号和所述第二交变驱动信号而产生的信号的组合，其中所述第一交变驱动信号相对于所述第二交变驱动信号相移，使得由所述模数转换器接收并采样的所述合成信号顺次与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间的差有关，其特征在于，所述设备包括信号分离器，所述信号分离器从所述ADC接收采样值并提供和通道和差通道，所述和通道包括与所述第一阻抗和所述第二阻抗的和有关的一系列值，所述差通道包括与所述第一阻抗和所述第二阻抗之间的差有关的一系列值。
2.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括除法器，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，由此产生输出值流，所述输出值与所述第一阻抗和所述第二阻抗之间的差与所述第一阻抗和所述第二阻抗的和的比有关。
3.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备包括至少一个数字滤波器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第一交变驱动信号和所述第二交变驱动信号是正交相位方波信号。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备包括差动换能器，所述差动换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随着待测量特性变化。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，所述设备包括换能器，所述换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随着所述换能器测量的特性变化的第二阻抗。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件包括第一电容元件和第二电容元件。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备包括电荷放大器，其中所述电荷放大器具有用于从所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件中的每个接收信号的公共输入端，并且产生用于施加至所述模数转换器的所述合成信号。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备包括位移响应换能器，所述位移响应换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随着所述位移响应换能器的部件的位移而变化。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备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随着待测量特性变化的第三阻抗，所述第四阻抗元件具有第四阻抗，其中所述驱动信号发生器向所述第三阻抗元件施加第三交变驱动信号并且向所述第四阻抗元件施加第四交变驱动信号。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述模数转换器接收合成信号，所述合成信号包括通过向所述第三阻抗元件和所述第四阻抗元件施加所述第三驱动信号和所述第四驱动信号产生的信号。
12.根据权利要求10或11所述的设备，其中所述第一交变驱动信号和所述第二交变驱动信号具有第一频率，并且所述第三交变驱动信号和所述第四交变驱动信号具有第二频率。
13.—种供坐标定位设备使用的尺寸度量装置，所述尺寸度量装置包括根据前述任一权利要求所述的用于将阻抗数字化的设备。
14.一种用于将阻抗数字化的方法，所述方法包括如下步骤(i)向第一阻抗元件施加第一交变驱动信号，并且向第二阻抗元件施加第二交变驱动信号，所述第一阻抗元件具有随着待测量特性变化的第一阻抗，所述第二阻抗元件具有第二阻抗，其中所述第一交变驱动信号相对于所述第二交变驱动信号相移；( )通过将向所述第一阻抗元件施加所述第一交变驱动信号产生的信号与向所述第二阻抗元件施加所述第二交变驱动信号产生的信号组合而产生合成信号； (iii)利用模数转换器将所述合成信号数字化以产生采样值； 其特征在于如下步骤(iv)根据所述采样值产生和通道和差通道，所述和通道包括与所述第一阻抗和所述第二阻抗的和有关的一系列值，所述差通道包括与所述第一阻抗和所述第二阻抗之间的差有关的一系列值。
15.一种供坐标定位设备使用的尺寸度量装置，所述尺寸度量装置包括位移响应换能器，所述位移响应换能器包括第一阻抗元件，所述第一阻抗元件具有随着待测量位移变化的第一阻抗； 具有第二阻抗的第二阻抗元件；驱动信号发生器，所述驱动信号发生器用于向所述第一阻抗元件施加第一交变驱动信号并且向所述第二阻抗元件施加第二交变驱动信号；以及模数转换器，即ADC，所述模数转换器用于接收合成信号并且将所述合成信号数字化， 所述合成信号包括通过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变驱动信号和所述第二交变驱动信号而产生的信号的组合。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述位移响应换能器包括差动换能器，所述差动换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随着所述待测量位移变化。
17.根据权利要求15所述的装置，所述装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随着待测量特性变化的第三阻抗，所述第四阻抗元件具有第四阻抗，其中所述驱动信号发生器向所述第三阻抗元件施加第三交变驱动信号并且向所述第四阻抗元件施加第四交变驱动信号，其中所述模数转换器接收合成信号，所述合成信号包括通过向所述第三阻抗元件和所述第四阻抗元件施加所述第三驱动信号和所述第四驱动信号产生的信号。
18.根据权利要求15所述的装置，其中所述第一交变驱动信号和所述第二交变驱动信号是正交相位方波信号。
19.根据权利要求15所述的装置，其中所述第一阻抗元件和所述第二阻抗元件包括第一电容元件和第二电容元件。
20. 一种用于将至少一个具有可变阻抗的换能器的输出数字化的开环电路，所述开环电路包括驱动器，所述驱动器用于产生第一交变驱动信号和第二交变驱动信号，所述第一交变驱动信号用于施加至相关换能器的第一阻抗元件，所述第二交变驱动信号用于施加至第二阻抗元件，其中所述电路包括模数转换器，所述模数换能器具有输入端，所述输入端用来接收合成信号，所述合成信号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驱动信号和所述第二驱动信号时产生的信号的组合产生。
全文摘要
描述了一种用于将阻抗数字化的设备，所述设备包括第一阻抗元件(22；122)，所述第一阻抗元件具有随着待测量特性变化的第一阻抗(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)。该设备还包括驱动信号发生器(26，30)，所述驱动信号发生器用于向所述第一阻抗元件(22；122)施加第一交变驱动信号(44)并且向所述第二阻抗元件(24；124)施加第二交变驱动信号(46)。模数转换器ADC(42；142)用于接收合成信号(41；52；141)，所述合成信号包括通过向所述第一阻抗元件(22，24)和所述第二阻抗元件(122，124)施加所述第一交变驱动信号(44)和所述第二交变驱动信号(46)而产生的信号的组合。所述第一交变驱动信号(44)相对于所述第二交变驱动信号(46)相移，使得由所述ADC(42；142)接收并采样的所述合成信号(41；52；141)顺次与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间的差有关。所述设备还包括信号分离器(56；156A，156B)，所述信号分离器从所述ADC(42；142)接收采样值并由此产生和通道(58；158A)和差通道(60；160A)。
文档编号G01D5/24GK102348957SQ201080011499
公开日2012年2月8日 申请日期2010年3月1日 优先权日2009年3月11日
发明者大卫·肯尼斯·托玛斯 申请人:瑞尼斯豪公司