专利名称：阻抗检测电路、阻抗检测装置以及阻抗检测方法
技术领域：
本发明涉及阻抗检测电路、阻抗检测装置以及阻抗检测方法，用于检测具有电容传感器这样的阻抗元件的阻抗。
此外，在本发明的阻抗检测电路中，还至少包括第一运算放大器；两输入端处于虚短路状态的第二运算放大器；信号线，其一端被连接到第二运算放大器的一个输入端，而另一端可连接到阻抗元件；屏蔽装置，对所述信号线的至少一部分进行电屏蔽；第一阻抗，被设置在第一运算放大器的输出端和所述信号线之间；以及信号输出端，被连接到第一运算放大器的输出端。
此外，在本发明的阻抗检测装置中，还至少包括所述阻抗检测电路以及可从外部将阻抗元件连接到所述信号线的端子。此时，还设置对安装了该阻抗检测电路的基板的至少一部分进行电屏蔽的屏蔽装置，也可以对该屏蔽装置施加所述屏蔽电压。
在本发明的阻抗检测方法中，包括将电压跟随器的一个输入端连接到信号线，并且使其处于没有电流的输入输出的状态；将基于所述电压跟随器的输出电压的屏蔽电压施加在所述信号线的至少一部分的屏蔽装置上；通过在与所述信号线连接的第一阻抗中流动的电流来检测阻抗元件的阻抗。
此外，本发明的阻抗检测方法包括使第二运算放大器的两输入端虚短路；将一个输入端连接到信号线并且使其处于没有电流的输入输出的状态；将另一个输入端连接到所述信号线的至少一部分的屏蔽装置；通过用所述信号线上连接的第一阻抗与第一运算放大器对阻抗元件上的电压进行放大来检测阻抗元件的阻抗。
图2是表示本发明一实施例的阻抗检测电路的核心部分的一个例子的电路图。
图3是表示本发明一实施例的阻抗检测电路的一个例子的电路图。
图4是表示本发明一实施例的阻抗检测电路的一部分的一个例子的电路图。
图5是表示本发明一实施例的阻抗检测电路的一部分的一个例子的电路图。
图6是表示本发明一实施例的阻抗检测电路的一部分的一个例子的电路图。
图7是表示例如在
图1、图2或图6中设置的振幅相位补偿装置电路的一个例子的电路图。
图8是表示例如在图1、图2或图6中设置的电压跟随器或第二运算放大器的输入端的一个例子的电路图。
图9是表示例如在图1、图2或图3中设置的信号线端部的一个例子的电路图。
图10是表示本发明一实施例的阻抗检测装置的一个例子的示意透视图。
图11是表示信号线的端部的另一例子的电路图。
图12是表示本发明一实施例的阻抗检测电路的核心部分的一个例子的电路图。
图13是表示本发明一实施例的阻抗检测电路的核心部分的一个例子的电路图。
图14是表示本发明一实施例的阻抗检测电路的核心部分的一个例子的电路图。
图15是表示现有的阻抗检测电路实例的电路图。
上述现有技术中的运算放大器59处于虚短路状态，在其输入端上施加交流电压Vac。可是，发现特别在运算放大器59的同相输入端的电压因高频的交流电压Vac而变动时，由于运算放大器59内部的跟踪误差，而在反相输入端和同相输入端的电压间产生微妙的相位、振幅的偏差。由于该偏差等，产生在运算放大器59的输出电压上重叠所述交流电压Vac的高次谐波这样的现象，已知该现象成为所述误差的重要原因之一。而且，由于一个运算放大器59具有虚短路和增益两个功能，所以发现其在高频工作时产生波动。
从这些结果可知，如上述现有技术那样，在利用运算放大器59的虚短路仅使信号线57和屏蔽线56形成同电位时，在电容传感器51的电容非常小时，由于不能忽略的寄生电容存在于信号线57和屏蔽线56之间，所以受该寄生电容的影响，在所述输出电压Vd上产生误差。
另一方面，随着近年来的传感器制造技术的提高，具有如上述例如10-15F数量级这样微小的阻抗，并且检测其数量级变化的传感器不断出现。如果使用这样的传感器，容易进行以前难以进行的微小的物理现象的监视。因此，可以正确地检测这样的传感器所具有的微小阻抗或微小阻抗变化的电路及装置的需求在不断提高。
本发明是用于这样的需求和改进上述问题的发明，提供用于正确地检测微小的阻抗或微小的阻抗的变化的阻抗检测电路、阻抗检测装置以及阻抗检测方法。
在该阻抗检测电路的一个例子中，包括电压跟随器和第一运算放大器，其中至少还包括信号线，其一端被连接到所述电压跟随器的输入端，而另一端可连接到阻抗元件；屏蔽装置，对所述信号线的至少一部分进行电屏蔽；屏蔽电压施加装置，对该屏蔽装置施加屏蔽电压；第一阻抗，设置在第一运算放大器的输出端和所述信号线之间；以及信号输出端，被连接到第一运算放大器的输出端。
在该阻抗检测电路的一个例子中，至少包括第一运算放大器；两输入端处于虚短路状态的第二运算放大器；信号线，其一端被连接到第二运算放大器的一个输入端，而另一端可连接到阻抗元件；屏蔽装置，对所述信号线的至少一部分进行电屏蔽；第一阻抗，被设置在第一运算放大器的输出端和所述信号线之间；以及信号输出端，被连接到第一运算放大器的输出端。屏蔽电压施加装置还被连接到该屏蔽装置上。
这些例子中，所述屏蔽电压施加装置可以包括相位振幅补偿装置，也可以将第一运算放大器的一个输入端连接到规定的第一电压。
而且，在该阻抗检测电路的一个例子中，还可设置消除装置，从所述信号输出端的输出电压中除去所述电压跟随器或第二运算放大器的输出电压。这里，作为该消除装置的实例，该装置可包括反相放大装置，用第三运算放大器来使两输出电压中的一个电压反相；以及加法装置，将所述两输出电压中的另一个电压与所述反相放大装置的输出电压相加。此外，作为该消除装置的实例，该装置可包括反相放大装置，使两输出电压中的一个电压反相；以及加法装置，用第四运算放大器将所述两输出电压中的另一个电压与所述反相放大装置的输出电压相加。该情况下，能够将反相放大装置和加法装置进行置换。而且，第三运算放大器和/或第四运算放大器也可以将一个输入端连接到规定的第一电压。此外，所述反相放大装置包括相位振幅补偿装置。
在该阻抗检测电路的一个例子中，消除装置可包括在输入端上具有所述两输出电压的减法器，该减法器可包括第五运算放大器，将第五运算放大器的一个输入端连接到规定的第一电压。此外，可把相位振幅补偿装置与减法器的输入端相连接。
在该阻抗检测电路的一个例子中，在所述信号线上连接的阻抗元件上，具体地说对非信号输入端可以重叠直流偏置和/或交流偏置。
在该阻抗检测电路的一个例子中，还可包括切换装置，该切换装置包括具有至少一个端子的初级侧连接端子、以及具有至少两个端子的次级侧连接端子。在该切换装置的一个例子中，初级侧连接端子至少连接到阻抗元件，而次级侧连接端子至少连接到信号线和屏蔽装置；初级侧连接端子的连接端在次级侧连接端之间切换。而且，在该次级侧连接端子中，与一个端子的电压成固定关系的电压也可以施加在另一个端子上。这里，不用说，不排除设置可切换连接的其他装置，所述切换装置可配备多个。
另一方面，该阻抗检测电路的一个例子的第一阻抗可包括具有多个阻抗的一个或多个选择装置，从所述多个阻抗内选择至少一个阻抗。该选择装置可以具有与所述切换装置类似的结构。这些选择装置可配置在第一阻抗和信号线之间、或第一阻抗和信号输出端之间的某一个上或两者上。配置在两者上的方法可以减小对未选择的阻抗的影响。
这些例子中的切换装置或选择装置也可以用具有多个这些装置的多路转换器来形成。作为用于变更决定这些例的阻抗检测电路的放大特性的阻抗部分阻抗值的变更装置，可使用这些切换装置或选择装置等。
在这些例子中的阻抗元件为电阻分量时，第一阻抗是电阻，而阻抗元件为电容性分量时，第一阻抗是电容，从而容易调整信号的相位或振幅。
在该阻抗检测装置的一个例子中，至少包括本发明的阻抗检测电路以及可从外部将阻抗元件连接到所述信号线的端子。此时，可设置对安装了这些阻抗检测电路例的基板的至少一部分进行电屏蔽的屏蔽装置，而且可对该屏蔽装置施加所述屏蔽电压。在该阻抗检测装置的一例中，还包括可将所述屏蔽连接到外部的端子，以及为了可将偏置从外部重叠在阻抗元件上，而连接在偏置端子上的偏置输入端。这些端子可保持原来的测定的精度，可以极大地提高实际使用时的便利性。
在阻抗检测方法的一个例子中，至少包括将电压跟随器的一个输入端连接到信号线，并且使其处于没有电流的输入输出的状态；将基于所述电压跟随器的输出电压的屏蔽电压施加在所述信号线的至少一部分的屏蔽装置上；通过在所述信号线上连接的第一阻抗中流动的电流来检测阻抗元件的阻抗。
在阻抗检测方法的一个例子中，至少包括使第二运算放大器的两输入端虚短路；将一个输入端连接到信号线并且使其处于没有电流的输入输出的状态；将另一个输入端连接到所述信号线的至少一部分上的屏蔽装置；通过在所述信号线上连接的第一阻抗中流动的电流来检测阻抗元件的阻抗。此时，最好对所述屏蔽施加屏蔽电压。
在这些阻抗检测方法的实例中，所述屏蔽电压可进行相位振幅补偿并施加在屏蔽装上。
而且，可从所述阻抗元件的检测信号中减去所述电压跟随器的输出或第二运算放大器的输出。
此外，可对所述信号线上连接的阻抗元件至少施加直流偏置或交流偏置的某一个。
在这些阻抗检测方法的实例中，可将所述阻抗元件的连接端从所述信号线切换到所述屏蔽装置进行初始设定。
同样，可改变第一阻抗的值来改变第一阻抗上的电位差而改变增益。
在所述的这些实例中，“阻抗元件”除了作为装置的元件以外，还包括在信号线的端部设置测定电极，在该测定电极和测定对象之间形成的阻抗等。
在所述的这些实例中，“规定的第一电压”可以指预定的电压或一定的电压，也可以指阻抗检测中或零点调整等期间被维持的已知电压。当然，也包括接地或连接到地等，在这样的情况下，与保持在0V的一定电压等价。
而且，在所述的这些实例中，“规定关系”是预定的关系或已知的关系。作为一个例子，指两个端子间的电压的相位和振幅的一个或两个是以一定的比例、逐渐地随机变化那样的关系或固定的关系，整个电路的状况依赖于连接的元件或周边的环境等。
在以上所述的阻抗检测电路、阻抗检测装置、或阻抗检测方法的实例中，通过电压跟随器或第二运算放大器使屏蔽装置和信号线的电位为同电位，通过第一运算放大器来进行信号的电压放大，从而在阻抗检测电路内可以分成电压放大部分和使屏蔽装置-信号线间的电位为同电位的部分。由此，几乎没有将输入的交流电压的高次谐波重叠在信号输出电压上，以及因运算放大器的内部跟踪误差等造成的反相输入端和同相输入端之间的电压的微小的相位和振幅偏差。其结果，可以使在进行非常微小或高精度的阻抗测定时的由屏蔽所致的寄生电容的影响达到最低限。这样，能够获得与阻抗元件中流动的电流为正确的比例的信号。
在这些实例中，通过将运算放大器的一个输入端连接到规定的第一电压，来稳定各运算放大器的工作。因此，可以一边控制信号线和屏蔽装置之间的寄生电容，一边根据阻抗元件中流动的电流来进一步抑制运算放大器的输出端上出现的电压的高次谐波分量。
在这些实例中，通过对屏蔽装置施加相位振幅被补偿的电压，即使是高频的输入信号，也可以进行正确的控制，使得信号线和屏蔽之间的电位差为期望的值。例如，可以使信号线和屏蔽装置之间的电位差几乎为零，由此，在它们之间能够几乎没有寄生电容。在低频的情况下，由于存在不用相位振幅补偿也在容许误差范围内的情况，所以此时也可以不使用相位振幅补偿。
在这些实例中，通过使用切换装置，或者连接阻抗元件或者不连接阻抗元件，也可以正确地进行复位或初始设定。由此，可以按规定的关系来维持阻抗元件和信号线之间的电位差。例如，如果使该电位差几乎为零，则可以使两者间的寄生电容几乎没有，可以进一步提高精度。这在多路转换器中也是同样的。
如果使用选择装置，则可改变第一阻抗的值。因此，可以改变第一阻抗上的电位差，可以改变其增益而维持测定精度不变。
在这些阻抗检测电路、装置、方法中，通过使用上述的切换装置或选择装置，来以规定的关系维持选择的阻抗和未选择的阻抗之间的电位差，并且可以变更原电路的放大特性或增益。因此，即使在根据检测对象或测定状况进行测定范围切换的情况下，也可以正确地改变其值并进行高精度的检测。
在该阻抗检测装置中，可以用正确地控制传送测定信号的连接线之间的电位差的屏蔽装置对与外部的阻抗元件的连接进行屏蔽。例如，如果使屏蔽的电位与连接线的电位相等，那么可以使两者间的寄生电容几乎没有。而且，在该阻抗检测装置中，由于对安装了该阻抗检测电路的基板本身用屏蔽装置进行电屏蔽，所以可以正确地控制信号线和屏蔽之间的电位差。例如，如果使该电位差几乎为零，则可以使信号线和基板外部之间的寄生电容几乎没有，可以正确地检测微小的阻抗或微小的阻抗的变化。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明这些阻抗检测电路、阻抗检测方法、以及阻抗检测装置的实例中的具体实施方式
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图1表示取出本发明的阻抗检测电路的核心部分1的电路图。该核心部分1包括第一运算放大器12和第二运算放大器11。由于第二运算放大器11使反相输入端和输出端短路，所以也称为电压跟随器。这里，电压跟随器指输入阻抗高、输出阻抗低、输入输出增益为1、具有作为阻抗变换器功能的电压跟随器。信号线19连接到第二运算放大器11的同相输入端。在该信号线19上可以连接作为阻抗元件18的一个例子的电容传感器。该电容传感器根据接受的物理量(加速度、压力、气体、光、声波等)来改变其具有的静电容量Cs。信号线19上连接的所述电容传感器的另一端被连接到偏置端子23或被接地。偏置端子23可以浮置，而施加交流或直流或两者的偏置电压的方式能够进行更高精度的测定。特别是在通过电压来改变阻抗的阻抗元件的情况下，如果对阻抗元件施加偏置电压，则可以高精度并且容易地进行阻抗的检测和C-V测定。
第一运算放大器12的同相输入端被接地，而反相输入端分别连接到第一电阻(电阻值R1)15和第二电阻(电阻值R2)16的一端。最好同相输入端被接地，而保持诸如零电位的一定电压就可以。例如，如果将偏置电压施加在该同相输入端上，使其保持一定电压，则可以抑制该运算放大器的所谓的电气波动。因此，最好采用这样的方法。而且，将第一电阻15的另一端连接到交流电压发生器(产生交流电压Vin、频率为ω)14，将第二电阻16的另一端连接到所述第二运算放大器11的输出端。
第一运算放大器12的输出端通过第三电阻(第一阻抗，电阻值R3)17被连接到第二运算放大器11的同相输入端。将第一运算放大器12的输出端、第二运算放大器11的同相输入端、以及所述电容传感器相互连接的所述信号线19和第三电阻17用屏蔽装置20来包覆。该屏蔽装置20从外部对所述信号线19进行电屏蔽。而且，该屏蔽装置20通过包括补偿电路13的屏蔽电压施加装置而连接到第二运算放大器11的输出端。此外，信号输出端21连接到第一运算放大器12的输出端，交流输出端22连接到第二运算放大器11的输出端。而且，因避免使图复杂而在图1中未示出，但如图8的一例所示，在第二运算放大器11的同相输入端上，设置正负电源间连接的N型MOSFET47a、P型MOSFET 47b，作为模拟缓冲器。通过将该模拟缓冲器47的输入连接到所述信号线19，使从信号线19侧看到的阻抗极大地提高。图2是本发明的阻抗检测电路的核心部分1的另一个例子。除交流电压发生器14不与第一运算放大器12的反相输入端连接外，其余与图1相同。这样的构成也可以作为核心部分1的实例。
图9详细地表示上述核心部分1中作为所述阻抗元件18的电容传感器和信号线19的连接部分。在该连接部分中，设置切换开关(切换装置)24。该切换开关24可使初级侧连接端子24a的连接端在两个次级侧连接端子24b和24c之间切换。所述信号线19被连接到该切换开关24的次级侧连接端子24b，所述屏蔽装置20被连接到24c。从而可将所述电容传感器的一端连接到切换开关24的初级侧连接端子24a。
图7表示所述核心部分1中设置的补偿电路13的一个例子的电路图。该补偿电路13由相位调整装置48和振幅调整装置49构成。相位调整装置48用运算放大器71作为带通滤波器来构成。即，在输入端30和运算放大器71的反相输入端之间设置电阻73，在所述输入端30和同相输入端之间设置电阻74。在运算放大器71的输出端和反相输入端之间设置电阻75，而在运算放大器71的同相输入端上连接电容76。在该例中，电阻73和电阻75的电阻值彼此相等。该相位调整装置48的输出端被连接到振幅调整装置49的输入端。振幅调整装置49也用运算放大器72作为反相放大器来构成。即，在该相位调整装置49的输入端与运算放大器72的反相输入端之间设置电阻77，并在运算放大器72的输出端和反相输入端之间设置可变电阻78，再把运算放大器72的非反相输入端接地。
图3是表示整个阻抗检测电路的一个例子的电路图。在图1的电路图所示的核心部分1中，将补偿电路13的输入端连接到第二运算放大器11的输出端，而在本例的电路图所示的核心部分1中，将补偿电路13的输入端连接到交流电压发生器14。如后述所示，即使进行这样的连接，也可以对第二运算放大器11的输出电压进行相位振幅补偿，并将该输出电压施加在屏蔽装置20上。将配有第三运算放大器36的反相放大装置2连接到本例的核心部分1的信号输出端21。所述信号输出端21通过电阻值可变的第四电阻(电阻值R4)32连接到第三运算放大器36的反相输入端。从而在该反相输入端和第三运算放大器36的输出端之间，从反相输入端侧将第五电阻(电阻值R5)33和电阻值可变的第六电阻(电阻值R6)34依次串联连接，而且将该第六电阻34与电容35并联连接。此外，将第三运算放大器36的同相输入端接地。
而且，本例核心部分1的交流输出端22和所述反相放大装置2的反相输出端42连接到配有第四运算放大器40的加法装置3。所述交流输出端22通过第七电阻(电阻值R7)37连接到第四运算放大器40的反相输入端，而所述反相输出端42通过第八电阻(电阻值R8)38连接到第四运算放大器40的反相输入端。该第四运算放大器40的反相输入端和输出端连接到第9电阻(电阻值R9)39，输出端连接到加法输出端41。此外，将第四运算放大器40的同相输入端接地。
图10是表示配有上述阻抗检测电路例的阻抗检测装置的示意透视图。安装了阻抗检测电路的基板44被设置在对其内部进行电屏蔽的屏蔽盒(屏蔽)45内，而且该基板被配置在进行电屏蔽的装置机壳(屏蔽)4内。在该装置机壳4中，将阻抗连接端子5、屏蔽端子6、偏置输入端7、以及接地端子8分别设置在装置机壳4上。从所述基板44中，使所述切换开关24的端子24a上连接的信号线19延伸，连接到阻抗连接端子5。该信号线19由屏蔽装置20包覆，而该屏蔽装置20又由第二屏蔽装置(屏蔽)46从外部包覆，进一步进行电屏蔽。屏蔽装置20连接到所述屏蔽盒45和屏蔽端子6。而所述装置机壳4和第二屏蔽46连接到接地端子8，装置机壳4也被接地。偏置输入端7连接到所述检测电路的偏置端子23。在所述偏置端子23浮置或接地的状态情况下也可以不设置所述偏置输入端7。
下面，说明上述例那样构成的阻抗检测电路和阻抗检测装置的工作情况。首先，将作为阻抗元件18的一个例子的电容传感器连接到从所述阻抗连接端子5延伸的信号线19的端部。在该连接中，使用双重屏蔽电缆。将该电缆的轴线用于连接对应电容传感器，并且将内侧屏蔽装置连接到屏蔽端子6。外侧屏蔽装置根据电缆的长度、电缆的种类、使用环境等而连接到接地端子8或连接到屏蔽端子6等，可以根据情况来适当地区别对待。偏置输入端7在本例中与接地端子8连接。
设所述电容传感器的阻抗为Z。于是，在所述核心部分1中，交流输出端22的电压Vo以Vo＝-(R2/R1)·Vin(1)来表达。即，通过第一运算放大器12、包括第二运算放大器11的电压跟随器、第一电阻15以及第二电阻16来构成放大电路，使放大了输入电压Vin的电压Vo从电压跟随器的输出端输出。换句话说，第二运算放大器11的两输入端为虚短路状态，可以说用包括第一运算放大器12来构成放大电路。
如果以使得反相放大装置2的增益为-1来设定电阻32、33、34，则反相输出端42的电压Vb以
Vb＝-Vc来表达。
为了进一步进行计算，由于在仅关注所述加法装置3时的加法输出端41的电压Va为Va＝-R9·((Vo/R7)+(Vb/R8))，所以各电阻值(R7＝R8＝R9)相等时，Va为Va＝-(Vo+Vb)＝-(Vo-Vc)＝Vc-Vo， (2)可知由反相放大装置2和加法装置3来构成消除装置。
这里，若设经第三电阻17向所述电容传感器流动的电流为i，则通过电压跟随器或虚短路等功能的电流i的大致所有量都在所述电容传感器中流动，所以Vo＝Z·i，从信号输出端21输出的检测信号的电压Vc以Vc＝i·R3+Vo＝(1+R3/Z)·Vo来表达，可知检测信号Vc包括在第二运算放大器1的输出端呈现的Vo。用式(1)、(2)来对它进行变形时，变为Va＝Vc-Vo＝(1+R3/Z)·Vo-Vo＝(R3/Z)·Vo＝-(R3·R2/(Z·R1))·Vin。由于Z＝1/(jωCs)，所以电压Va最终以Va＝-(jωCs·R3·R2/R1)·Vin来表达。因此，从加法输出端41可获得与所述电容传感器的电容值Cs成比例的电压值Va。因此，从加法输出端41取出电压Va，然后通过根据该Va来进行各种信号处理，可以获得正确的电容值Cs。
第二运算放大器11将其反相输入端和同相输入端作为虚短路的状态来进行工作。但是，由于第二运算放大器11的输入阻抗并不是理想的无限大，如上所述，在反相输入端的电压Vom和同相输入端的电压Vop之间产生微小的振幅差和相位差。输入信号的频率越高，该振幅差和相位差越显著。Vin在109Hz数量级高频下所述电容传感器的电容Cs例如为10-15F左右的数量级，Vom和Vop之间的振幅差和相位差就不能忽略。因此，即使Cs为零时，Vo＝-Vb也不成立，则产生测定误差。因此，在测定所述电容传感器的电容值Cs之前，使所述切换开关24的初级侧连接端子24a切换到屏蔽装置20装置上连接的次级侧连接端子24c，变为使所述电容传感器从第二运算放大器11的同相输入端脱开的状态。在该状态下，使上述阻抗检测电路工作。这里，以Vo＝-Vb、即Va＝0来调整反相放大装置2的第四电阻32，使Vb的振幅与Vo一致，或通过调整与电容并联连接的第六电阻34来使相位旋转，从而使Vb的相位与-Vo一致。这表示反相放大装置2还具有作为零点调整装置的功能。
如上所示，在Vom和Vop之间仅有很小的相位差、振幅差，但都是与交流电压Vin同步的信号。因此，通过在所述补偿电路13的相位调整装置48中设置的可变电阻74来调整Vin的相位，通过振幅调整装置49中设置的可变电阻78来调整Vin的振幅，以此形成与Vop的相位和振幅相等的屏蔽电压Vos。即，屏蔽电压发生器至少包括交流电压发生器14和补偿电路13。在图1所示的电路例中，补偿电路13的输入端连接到第二运算放大器11的输出端。在图1和图3中，第二运算放大器11的输出电压Vo是与交流电压Vin同步的信号。因此，其同相输入端即信号线19的电压和输出电压Vo通过虚短路而大致相等。因此，如图3所示，对Vin进行相位振幅补偿，并施加在屏蔽装置20上的情况与图1所示的将对Vo进行相位振幅补偿的信号施加在屏蔽装置20上的功能相同。与电压跟随器的输出Vo相比，检测电路的输入信号的Vin由于噪声分量少，可对Vin进行相位振幅补偿，形成Vos，而施加在屏蔽装置20的方式可以获得更高精度的检测。由此，屏蔽装置20的电压在瞬间也与信号线19的电压相等，能可靠地消除信号线19和屏蔽装置20之间的寄生电容。
在上述阻抗检测电路和阻抗检测装置的例子中，用补偿电路13来调整交流电压Vin(或电压跟随器的输出电压Vo)的振幅和相位，形成与信号线19的电压Vop的振幅和相位相等的屏蔽电压Vos，将该电压施加在屏蔽装置20装置上。因此，无论Vin是几kHz～几百kHz左右的低频，还是例如109Hz以上的高频，在信号线19和屏蔽装置20之间确实基本上没有寄生电容，可以正确地仅检测所述电容传感器所具有的电容Cs。
这里，由于第二运算放大器11使所有的端子进行交流工作，所以如果仅用该第二运算放大器11来获得大的增益，则波动等造成的运算误差增大。其结果，在电容值Cs的测定值中包含误差。为了防止该误差，在本例中，将第二运算放大器11的反相输入端和输出端进行短路，使其具有作为增益＝1的电压跟随器的功能。然后，由第一运算放大器12获得需要的增益。因此，可以正确地进行Cs的测定。进行放大的第一运算放大器12，使其同相输入端接地。由于将同相输入端接地时使其端子电压稳定，所以在使该运算放大器高速工作的情况下，可以抑制输出信号中含有的高次谐波。由于该端子的电压稳定就可以，所以除接地以外，也可以施加固定的电压。由此，可以大幅度地降低现有电路中作为误差主要因素的Va的高次谐波分量，可以更显著地提高测定精度。因此，可以进行精度更高的Cs测定。
在图3～图6的例子中，通过从Vc中减去Vo，可取出与Cs成比例的电压Va。即，可以仅检测所述电容传感器中流动的电流。由此，可以简化用于计算Cs所需的以后的信号处理电路，可以大幅度抑制误差因素的产生。在从Vc中减去Vo时，如图4、图5或图6所示，大多直接用减法器。这种情况下，在第五运算放大器50、51的输入端上直接施加Vc和Vo。此时，如运算放大器50那样，用于稳定的一个端子可以接地或保持固定的电压。此外，在图6中，在Vc的输入端设置相位振幅补偿电路，但在本例的情况下，在某个输入端上也可以附加相位振幅补偿电路。另一方面，如图3所示，在从Vc中减去Vo时，也可以将Vc反相来与Vo相加。为了使运算放大器的工作高精度地稳定，期望将运算放大器的同相输入端接地或保持固定的电压，但如本例所示，如果形成反相放大器和加法器的结构，则使各个运算放大器的同相输入端接地或施加固定的电压，可以保持该状态。在本例的情况下，将构成反相放大装置2的第三运算放大器36和构成加法装置的第四运算放大器40的同相输入端分别接地。在高速工作的情况下，由于这些同相输入端保持固定的电压值则运算放大器的工作稳定，所以端子最好连接到这样的规定的电压。由此，可以抑制运算放大器40的输出电压Va中包含的高次谐波，进行精度更高的Cs测定。
第二运算放大器11将其反相输入端和同相输入端作为虚短路的状态来进行工作。但是，如上所述，在两个输入端电压Vom、Vop间产生振幅差和相位差。因此，即使假设可以将反相放大装置2和加法装置3的放大度正确地设定为“1”，也有Cs＝0时不是Va＝0的情况。因此，在图3的例中，在反相放大装置2中可调整Vc的相位和振幅，使得Cs＝0时大致Va＝0来进行零点调整。这里的相位调整不仅可以由将电容连接到运算放大器的同相输入端的带通滤波器来进行，而且由将运算放大器的同相输入端接地并且在反馈电路上设置了电容分量的反相放大器来进行。因此，可抑制输出信号中包含的高次谐波，防止Cs测定精度下降。
零点调整以分开所述电容传感器的连接的状态来进行。但是，在用普通的开关进行该连接的分开时，因在分开的所述电容传感器和信号线19之间产生的寄生电容而不能进行正确的零点调整。因此，在本例的阻抗检测电路中，用切换开关24将从信号线19分开的所述电容传感器与屏蔽装置20连接。由于该屏蔽装置20上施加的电压Vos与信号线19的电压Vop相等，所以在从信号线19分开的所述电容传感器和信号线19之间不产生寄生电容，可以进行正确的零点调整。
在图10的阻抗检测装置的实例中，将对信号线19进行屏蔽的屏蔽装置20再用第二屏蔽线46进行屏蔽。在电缆短时将该第二屏蔽线46接地，可以防止在施加电压Vos的屏蔽装置20上重叠外部干扰噪声。因此，可以使信号线19和屏蔽装置20维持同电位。在本例中，将安装了阻抗检测电路的基板44装入屏蔽盒45内，使该屏蔽盒45与所述屏蔽装置20为同电位。因此，可以防止在该屏蔽盒45和信号线19之间产生寄生电容，并对基板44进行屏蔽。再把装入了屏蔽盒45的装置机壳4接地。因此，可以防止在施加了电压Vos的屏蔽盒45上重叠外部干扰噪声，使信号线19和屏蔽盒45维持同电位。
这样，在该阻抗检测装置的实例中，可以基本正确地控制信号线和基板外部之间的寄生电容。因此，在这些装置中，可以进行精度更高的阻抗检测。
本例的阻抗检测电路、阻抗检测装置和阻抗检测方法不限于上述实施方式，在本发明的范围内可以进行各种变更来实施。例如，在上述情况中，在信号线19的端部安装电容传感器作为阻抗元件18，但也可以在信号线19的端部形成测定电极，用上述检测电路或测定装置来检测在该测定电极和测定对象之间形成的电容Cs。
在上述情况中，由补偿电路13来使信号线19和屏蔽线20同电位，但根据阻抗检测电路的使用状况，在信号线19、屏蔽线20间提供规定的电位差的情况下，也可以用所述补偿电路13来适当地调整交流电压Vin的振幅和相位。
图1所示的上述检测电路的具体结构是一个例子，不言而喻，可以采用其他电路结构。例如，也可以将构成核心部分1的第一运算放大器12和第二运算放大器11分别作为同相放大器来构成电路。
在上述情况中，补偿电路13由相位调整装置48和振幅调整装置49来构成，但也可以由与反相放大装置2相同的电路来构成补偿电路13。这样的话，由于运算放大器的同相输入端被接地，所以可以进一步防止在屏蔽电压中含有高次谐波而成为误差的主要因素。
在上述情况中虽然使用电容传感器作为阻抗元件18，但该元件也可以使用电感性元件。在检测通过电压改变电容量的元件的C-V(电容量-电压)特性的情况下，也可以在所述偏置输入端7上一边改变一边施加DC电压。由于偏置电压施加在所述电容传感器的非信号输入端，所以信号线19的电位Vop本身成为以固定的电压为中心振动的交流电压。因此，可以避免Vc不稳定而成为测定结果的误差主要因素。这样的DC偏置发生器可以从外部连接到测定装置，但也可以预先连接到检测电路的偏置端子23而设置在测定装置的内部。此外，也可以将内部设置的发生器和从外部连接的发生器进行切换，来连接到所述偏置输入端23。
在上述情况中说明了连接一个阻抗元件的情况，但也可以连接多个阻抗元件，并切换测定的元件。图11是表示这种情况的信号线19的端部的图。在设置多个阻抗元件18、26的情况下，对应各阻抗元件18、26设置与上述切换开关24相同结构的切换开关25。然后将信号线19连接到各次级侧连接端子的一个端子，同时将屏蔽装置20连接到各次级侧连接端子的另一个端子。将阻抗元件18、26分别连接到初级侧连接端子。在用一个切换开关24将阻抗元件18连接到信号线19时，如图所示，用另一个切换开关25将阻抗元件26和屏蔽装置20连接。而在用另一个切换开关25将阻抗元件26连接到信号线19时，用一个切换开关24将阻抗元件18和屏蔽装置20连接。这样，各切换开关(切换装置)构成多路径转换器，可以对测定元件进行切换。该多路径转换器在进行检测电路的零点调整的情况等时，也可以将两阻抗元件18、26自信号线19同时分开，由于检测目的相同，也可以把两个阻抗元件18、26同时连接到信号线。该多路径转换器通过将用于检测等目的而连接元件的切换开关以外的所有切换开关连接到屏蔽装置，可以极大减小寄生电容等外部干扰因素。
这样，如果使用切换装置，则在将阻抗元件自信号线中分开时，可以使阻抗元件和信号线之间维持在规定的电位。例如，如果使该电位差为零，则可以消除两者间的寄生电容。因此，例如在阻抗检测电路中可以正确地进行零点调整、复位、初始设定等的电路更正。这里，如果使用多个切换开关或多路转换器，则即使在从多个初级侧仅选择必要的阻抗元件来连接到次级侧的情况下，也可以使从连接中分开的初级侧连接端子和次级侧连接端子之间维持在规定的电位。例如，如果使该电位差为零，则由于可以消除两者间的寄生电容，所以例如在阻抗检测电路等中，即使在从多个被测定元件(即阻抗元件)中适当地选择元件来检测阻抗值的情况下，也可以进行正确的检测。
这样的切换开关24也可以用于阻抗检测电路的增益切换。例如，代替图1所示的第一阻抗17，将电阻值不同的多个电阻(阻抗)和各电阻(阻抗)所对应的选择装置的切换开关24设置在信号线和多个电阻之间。如图12所示，各电阻的一端被连接到第一运算放大器12的输出端，而各电阻的另一端被连接到所述切换开关24的初级测连接端子。此外，将次级侧连接端子的一个端子连接到信号线，而将另一端子连接到屏蔽装置20。这样，由这些选择装置选择的阻抗成为合成阻抗，未选中的电阻被连接到屏蔽装置20。控制各切换开关24的选择装置成为多路转换器。于是，可以控制未连接的电阻和信号线或屏蔽之间产生的寄生电容。因此，可以改变阻抗元件上施加的电位差而不妨碍电容Cs的高精度检测，结果，可以进行增益的切换。如图13所示，也可以将切换开关设置在第一运算放大器12和第一阻抗17之间。
另一方面，与上述同样，例如代替图1所示的第二电阻16，也可以将图14所示的电阻值不同的多个电阻121、122和各电阻所述对应的切换开关24、25作为选择装置来设置。虽然没有例示，但对于第一电阻15等来说也是同样的。这样，用这些选择装置可以从电阻值不同的多个电阻中选择连接到电路的电阻，而未选中的电阻可连接到屏蔽装置，也可以进行与检测对象或测定状况对应的正确的档位切换。
通过使用选择装置或多路转换器，在将电路中的阻抗准备多个来选择适当的阻抗时，可以使自未选中的连接分开的阻抗和选择的阻抗或连接端子之间维持在规定的电位。因此，可以根据检测对象来进行档位切换，消除与非选择阻抗有关的寄生电容，其结果，可以正确地改变阻抗检测电路的放大特性，进行高精度的检测。
在这些切换装置或选择装置的实例中，示出了将切换开关构成为包括具有一个端子的初级侧连接端子、具有两个连接端子的次级侧连接端子的3端子间的切换开关的情况。但是，也可以构成为初级侧连接端子为2个以上、切换连接端的次级侧连接端子为3个以上。在这样的情况下，在切换连接端的次级侧连接端子中至少一个端子连接到屏蔽装置，也可以将初级侧连接端子的连接端在该端子和其他次级侧连接端子之间切换。此外，所有开关都是例示性的，切换开关也可以由除此以外的设想所获得的装置来构成。
这里，信号线19的屏蔽装置也可以重叠为双重、3重来进行屏蔽。在本例中，双重屏蔽盒的长度约为50cm以上时将外侧屏蔽线连接到屏蔽端子6，而在第一运算放大器12为可以得到足够大的电流的功率型的情况下，可以将50cm以上的外侧屏蔽连接到连接端子8，其长度与该功率匹配。
以上详细说明了本发明，但应该清楚，这里所述的同一内容是作为说明和实例的内容，而不是限定的内容。本发明的思想和范围仅由所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种阻抗检测电路，包括电压跟随器和第一运算放大器，其特征在于，还包括信号线，其一端被连接到所述电压跟随器的输入端，而另一端可连接到阻抗元件；屏蔽装置，对所述信号线的至少一部分进行电屏蔽；屏蔽电压施加装置，对所述屏蔽装置施加屏蔽电压；第一阻抗，被设置在第一运算放大器的输出端和所述信号线之间；以及信号输出端，被连接到第一运算放大器的输出端。
2.一种阻抗检测电路，其特征在于，包括第一运算放大器；两输入端处于虚短路状态的第二运算放大器；信号线，其一端被连接到第二运算放大器的一个输入端，而另一端可连接到阻抗元件；屏蔽装置，对所述信号线的至少一部分进行电屏蔽；第一阻抗，被设置在第一运算放大器的输出端和所述信号线之间；以及信号输出端，被连接到第一运算放大器的输出端。
3.如权利要求2的阻抗检测电路，其特征在于，屏蔽电压施加装置还被连接到所述屏蔽装置。
4.如权利要求1或3所述的阻抗检测电路，其特征在于，所述屏蔽电压施加装置包括相位振幅补偿装置。
5.如权利要求1～4的任何一项的阻抗检测电路，其特征在于，将第一运算放大器的一个输入端连接到规定的第一电压。
6.如权利要求1～5的任何一项的阻抗检测电路，其特征在于，还包括消除装置，从所述信号输出端的输出电压中除去所述电压跟随器或第二运算放大器的输出电压。
7.如权利要求6的阻抗检测电路，其特征在于，所述消除装置包括反相放大装置，用第三运算放大器来使所述两输出电压中的一个电压反相；以及加法装置，将所述两输出电压中的另一个电压与所述反相放大装置的输出电压相加，其中，第三运算放大器的一个输入端与规定的第一电压相连接。
8.如权利要求6或7的阻抗检测电路，其特征在于，所述消除装置包括反相放大装置，使所述两输出电压中的一个电压反相；以及加法装置，用第四运算放大器使所述两输出电压中的另一个电压与所述反相放大装置的输出电压相加，其中，第四运算放大器的一个输入端与规定的第一电压相连接。
9.如权利要求7或8的阻抗检测电路，其特征在于，所述反相放大装置包括相位振幅补偿装置。
10.如权利要求6的阻抗检测电路，其特征在于，所述消除装置包括以所述两输出电压作为输入的减法装置。
11.如权利要求10的阻抗检测电路，其特征在于，所述减法装置包括第五运算放大器，其中，将第五运算放大器的一个输入端连接到规定的第一电压。
12.如权利要求1～11的任何一项的阻抗检测电路，其特征在于，在所述信号线上连接的阻抗元件上设置可以至少重叠直流偏置或交流偏置的中的一种的偏置。
13.如权利要求1～12的任何一项的阻抗检测电路，其特征在于，电压跟随器或第二运算放大器的同相输入端和所述信号线相连。
14.如权利要求1～13的任何一项的阻抗检测电路，其特征在于，还包括切换装置，该切换装置包括具有至少一个端子的初级侧连接端子以及至少具有两个端子的次级侧连接端子；所述切换装置的所述初级侧连接端子至少连接到阻抗元件，而所述次级侧连接端子至少连接到信号线和屏蔽装置；所述初级侧连接端子的连接端在所述次级侧连接端之间切换。
15.如权利要求14的阻抗检测电路，其特征在于，配有多个所述切换装置。
16.如权利要求1～15的任何一项的阻抗检测电路，其特征在于，还包括第一阻抗，第一阻抗包括多个阻抗，以及选择装置，选择所述多个阻抗中的至少一个；所述选择装置包括具有至少一个端子的初级侧连接端子以及具有至少两个端子的次级侧连接端子；所述初级侧连接端子至少连接到所述阻抗；所述次级侧连接端子至少连接到屏蔽装置；所述初级侧连接端子的连接端在所述次级侧连接端子之间切换。
17.如权利要求16的阻抗检测电路，其特征在于，将所述选择装置设置在第一阻抗和信号线之间、或设置第一阻抗和信号输出端之间。
18.如权利要求1～17的任何一项的阻抗检测电路，其特征在于，所述第一阻抗是电阻或电容。
19.如权利要求1～18的任何一项的阻抗检测电路，其特征在于，所述屏蔽装置包含两重以上的屏蔽部件。
20.一种阻抗检测装置，其特征在于，包括如权利要求1～19的任何一项的阻抗检测电路；和可以从外部将阻抗元件连接到所述信号线的端子。
21.一种阻抗检测装置，其特征在于，包括如权利要求1～19的任何一项的阻抗检测电路；和对安装了所述阻抗检测电路的基板的至少一部分进行电屏蔽的屏蔽装置，其中，对该屏蔽装置施加所述屏蔽电压。
22.一种阻抗检测方法，其特征在于，将电压跟随器的一个输入端连接到信号线，并且使其处于没有电流的输入输出的状态；将基于所述电压跟随器的输出电压的屏蔽电压施加在所述信号线的至少一部分上的屏蔽装置上；通过在所述信号线上连接的第一阻抗中流动的电流来检测阻抗元件的阻抗。
23.一种阻抗检测方法，其特征在于，使第二运算放大器的两输入端虚短路；将一个输入端连接到信号线，并且处于使其没有电流的输入输出的状态；将另一个输入端连接到所述信号线的至少一部分上的屏蔽装置上；通过在所述信号线上连接的第一阻抗中流动的电流来检测阻抗元件的阻抗。
24.如权利要求23的阻抗检测方法，其特征在于，对所述屏蔽装置施加屏蔽电压。
25.如权利要求22或24的阻抗检测方法，其特征在于，所述屏蔽电压进行相位振幅补偿并施加在屏蔽装置上。
26.如权利要求22～25的任何一项的阻抗检测方法，其特征在于，从所述阻抗元件的检测信号中减去所述电压跟随器的输出或第二运算放大器的输出。
27.如权利要求22～26的任何一项的阻抗检测方法，其特征在于，对所述信号线上连接的阻抗元件至少施加直流偏置或交流偏置的某一个。
28.如权利要求22～27的任何一项的阻抗检测方法，其特征在于，将所述阻抗元件的连接端从所述信号线切换到所述屏蔽装置，进行初始设定。
29.如权利要求22～28的任何一项的阻抗检测方法，其特征在于，改变第一阻抗的值使第一阻抗上电位差改变来改变增益。
全文摘要
核心部分1的第二运算放大器11使反相输入端和输出端子短路。信号线19连接到同相输入端。电容传感器18连接到信号线19。使第一运算放大器12的同相输入端接地。第一电阻15和第二电阻16的一端分别连接到反相输入端。第一电阻15的另一端连接到交流电压发生器14。第二电阻16的另一端连接到第一运算放大器11的输出端。核心部分1的信号输出端21连接到反相放大装置2。核心部分1的交流输出端22和反相放大装置部2的反相输出端42连接到加法装置3。运算放大器36、40的同相输入端接地。
文档编号G01R27/02GK1364235SQ01800430
公开日2002年8月14日 申请日期2001年3月7日 优先权日2000年3月7日
发明者八壁正巳, 松本俊行, 广田良浩, 中野浩一 申请人:住友金属工业株式会社, 北斗电子工业株式会社