阻抗至数字转换器、阻抗至数字转换装置及方法与流程

本发明涉及一种转换装置，特别是涉及一种阻抗至数字转换器、阻抗至数字转换装置及方法。

背景技术：

现有的电容至数字转换技术，可用来将一待侦测电容的电容值转换成一呈数字形式的数字，所具有的缺点为：无法同时兼顾高灵敏度与宽电容值侦测范围，如图1所示为数字与电容值的对应关系图，随着电容值侦测范围的增加，其灵敏度却是降低的(每数字单位所对应的电容值变大表示灵敏度下降)，其数字范围介于0～1间，若以1％作为所侦测电容值转换后输出的一个数字单位，介于2pf～16pf的电容值侦测范围中每0.14pf可以产生一数字单位的变化，介于16pf～64pf的电容值侦测范围中则需要0.48pf才可以产生一数字单位的变化。介于64pf～256pf的电容值侦测范围中则需要1.92pf才可以产生一数字单位的变化。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种解决上述问题的阻抗至数字转换器。

本发明的阻抗至数字转换器包含一个侦测阻抗单元、一个偏移阻抗单元、一个参考阻抗单元、一个积分单元及一个电压转数码单元。

侦测阻抗单元用来侦测一待侦测阻抗，且接收一输入信号，且于每一周期时间受控制切换以将该输入信号转换成一正比于该输入信号的第一电荷。

偏移阻抗单元接收一偏移信号，且于每一周期时间受控制切换以将该偏移信号转换成一正比于该偏移信号的第二电荷。

参考阻抗单元接收一参考信号及一数字信号，且于每一周期时间受控制切换以将参考信号转换成一正比于该参考电压的参考电荷，该参考电荷的正负相关于该数字信号的逻辑准位。

积分单元，电连接该侦测阻抗单元、该偏移阻抗单元及该参考阻抗单元，以接收该第一电荷、该第二电荷及该参考电荷，并于每一周期时间据以加总转换成一积分电压。

电压转数码单元电连接该积分单元以接收该积分电压，且于每一周期判断该积分电压的大小以产生一数字信号。

在多个周期的数字信号的序列平均值正比于该待侦测阻抗的阻抗值，该序列平均值转换成所对应阻抗值的侦测范围的中心值是正比于该偏移信号与该输入信号的比例，该序列平均值转换成所对应阻抗值的灵敏度是正比于该输入信号与该参考信号的比例。

本发明的阻抗至数字转换器，该输入信号包括一输入电压，该参考信号包括一参考电压，该偏移信号包括一偏移电压，该待侦测阻抗包括一待测电容，该待测电容具有一第一端及一第二端，该侦测阻抗单元包括：

一个第一开关，具有一接收该输入电压的第一端、一电连接该待测电容的第一端的第二端及一接收一第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第二开关，具有一接地的第一端、一电连接该待测电容的第二端的第二端及一接收该第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第三开关，具有一接收一参考电压的第一端、一电连接该待测电容的第一端的第二端及一接收一第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；

一个第四开关，具有一输出该第一电荷的第一端、一电连接该待测电容的第二端的第二端及一接收该第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；

该第一控制信号使该第一开关导通的相位不重迭于该第二控制信号使该第三开关导通的相位。

本发明的阻抗至数字转换器，该偏移阻抗单元包括：

一个偏移电容，具有一第一端及一第二端；

一个第一开关，具有一接收该偏移电压的第一端、一电连接该偏移电容的第一端的第二端及一接收一第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第二开关，具有一接地的第一端、一电连接该偏移电容的第二端的第二端及一接收该第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第三开关，具有一输出该第二电荷的第一端、一电连接该偏移电容的第一端的第二端及一接收一第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；及

一个第四开关，具有一接收一参考电压的第一端、一电连接该偏移电容的第二端的第二端及一接收该第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间。

本发明的阻抗至数字转换器，该参考阻抗单元包括：

一第一与门，将该数字信号及该第一控制信号进行及运算以产生一第一逻辑信号；

一第二与门，将反相的该数字信号及该第一控制信号进行及运算以产生一第二逻辑信号；

一个参考电容，具有一第一端及一第二端；

一个第一开关，具有一接收该参考电压的第一端、一电连接该参考电容的第一端的第二端及一接收一该第一逻辑信号的控制端，且根据该第一逻辑信号切换于导通与不导通间；

一个第二开关，具有一接地的第一端、一电连接该参考电容的第二端的第二端及一接收该第一逻辑信号的控制端，且根据该第一逻辑信号切换于导通与不导通间；

一个第三开关，具有一接收一参考电压的第一端、一电连接该参考电容的第一端的第二端及一接收一第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；

一个第四开关，具有一输出该第二电荷的第一端、一电连接该参考电容的第二端的第二端及一接收该第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；

一个第五开关，具有一接收该参考电压的第一端、一电连接该参考电容的第二端的第二端及一接收一该第二逻辑信号的控制端，且根据该第二与门的输出切换于导通与不导通间；及

一个第六开关，具有一接地的第一端、一电连接该参考电容的第一端的第二端及一接收该第二逻辑信号的控制端，且根据该第二逻辑信号切换于导通与不导通间。

本发明的阻抗至数字转换器，该积分单元包括：

一个第一运算放大器，具有一接收第一电荷、该第二电荷及该参考电荷的反相输入端、一接收该参考电压的非反相输入端，及一提供该积分电压的输出端；及

一个积分电容，电连接该第一运算放大器的反相输入端与输出端间。

本发明的阻抗至数字转换器，该电压转数码单元包括：

一个第二运算放大器，具有一接收该积分电压的反相输入端、一接收该参考电压的非反相输入端，及一输出一比较信号的输出端，该比较信号的逻辑准位相关于该积分电压是否大于该参考电压；及

一个正反器，具有一电连接该第二运算放大器的输出端以接收该比较信号的资料端、一接收一时钟信号的时脉端，及一提供该数字信号的输出端。

本发明的阻抗至数字转换器，该偏移阻抗单元包括多个并联的偏移阻抗电路及一偏移选择器，该偏移选择器串接于该多个并联的偏移阻抗电路与该积分单元间，用来切换那几个偏移阻抗电路电连接至该积分单元。

本发明的阻抗至数字转换器，每一偏移阻抗电路包括：

一个偏移电容，具有一第一端及一第二端；

一个第一开关，具有一接收该偏移电压的第一端、一电连接该偏移电容的第一端的第二端及一接收一第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第二开关，具有一接地的第一端、一电连接该偏移电容的第二端的第二端及一接收该第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第三开关，具有一输出该第二电荷的第一端、一电连接该偏移电容的第一端的第二端及一接收一第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；及

一个第四开关，具有一接收一参考电压的第一端、一电连接该偏移电容的第二端的第二端及一接收该第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间。

本发明的阻抗至数字转换器，该参考阻抗单元包括多个并联的参考阻抗电路及一参考选择器，该参考选择器串接于该多个并联的参考阻抗电路与该积分单元间，用来切换那几个偏参考阻抗电路电连接至该积分单元。

本发明的阻抗至数字转换器，每一参考阻抗电路包括：

一个参考电容，具有一第一端及一第二端；

一个第一开关，具有一接收该参考电压的第一端、一电连接该参考电容的第一端的第二端及一接收一该第一逻辑信号的控制端，且根据该第一逻辑信号切换于导通与不导通间；

一个第二开关，具有一接地的第一端、一电连接该参考电容的第二端的第二端及一接收该第一逻辑信号的控制端，且根据该第一与门的输出切换于导通与不导通间；

一个第三开关，具有一接收一参考电压的第一端、一电连接该参考电容的第一端的第二端及一接收一第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；

一个第四开关，具有一输出该第二电荷的第一端、一电连接该参考电容的第二端的第二端及一接收该第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；

一个第五开关，具有一接收该参考电压的第一端、一电连接该参考电容的第二端的第二端及一接收一该第二与门的输出的控制端，且根据该第二逻辑信号切换于导通与不导通间；及

一个第六开关，具有一接地的第一端、一电连接该参考电容的第一端的第二端及一接收该第二逻辑信号的控制端，且根据该第二与门的输出切换于导通与不导通间。

本发明的阻抗至数字转换器，该偏移阻抗单元包括一个偏移电容，该参考阻抗单元包括一个参考电容，该序列平均值如下式：

其中，参数n为总周期数，参数z为数字信号为逻辑1的周期数，参数vin1、vin2、vref分别是输入电压值、偏移电压值、参考电压值，参数csen、csub、cref分别是待测电容值、偏移电容值、参考电容值；

阻抗值的范围如下：

阻抗值的侦测范围的中心值为阻抗值的灵敏度正比于

本发明的阻抗至数字转换器，还包括一信号产生器，该信号产生器产生该输入信号、该偏移信号、该参考信号、该第一控制信号及该第二控制信号。

本发明的阻抗至数字转换器，该输入信号包括一输入电流，该待侦测阻抗包括一待测电阻，该待测电阻具有一第一端及一第二端，该侦测阻抗单元包括：

一个侦测电容，并联于该待测电阻；

一个第一开关，具有一接收该第一输入电压的第一端、一电连接该待测电阻的第一端的第二端及一接收一第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第二开关，具有一接地的第一端、一电连接该待测电阻的第二端的第二端及一接收该第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第三开关，具有一接收一参考电压的第一端、一电连接该待测电阻的第一端的第二端及一接收一第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；

一个第四开关，具有一输出该第一电荷的第一端、一电连接该待测电阻的第二端的第二端及一接收该第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；

该第一控制信号使该第一开关导通的相位不重迭于该第二控制信号使该第三开关导通的相位。

本发明的阻抗至数字转换器，该偏移阻抗单元包括：

一个偏移电容，具有一第一端及一第二端；

一个第一开关，具有一接收该偏移电压的第一端、一电连接该偏移电容的第一端的第二端及一接收一第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第二开关，具有一接地的第一端、一电连接该偏移电容的第二端的第二端及一接收该第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第三开关，具有一输出该第二电荷的第一端、一电连接该偏移电容的第一端的第二端及一接收一第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；及

一个第四开关，具有一接收一参考电压的第一端、一电连接该偏移电容的第二端的第二端及一接收该第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间。

本发明的阻抗至数字转换器，该参考阻抗单元包括：

一第一与门，将该数字信号及该第一控制信号进行及运算以产生一第一逻辑信号；

一第二与门，将反相的该数字信号及该第一控制信号进行及运算以产生一第二逻辑信号；

一个参考电容，具有一第一端及一第二端；

一个第一开关，具有一接收该参考电压的第一端、一电连接该参考电容的第一端的第二端及一接收一该第一逻辑信号的控制端，且根据该第一逻辑信号切换于导通与不导通间；

一个第二开关，具有一接地的第一端、一电连接该参考电容的第二端的第二端及一接收该第一逻辑信号的控制端，且根据该第一逻辑信号切换于导通与不导通间；

一个第三开关，具有一接收一参考电压的第一端、一电连接该参考电容的第一端的第二端及一接收一第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；

一个第四开关，具有一输出该第二电荷的第一端、一电连接该参考电容的第二端的第二端及一接收该第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；

一个第五开关，具有一接收该参考电压的第一端、一电连接该参考电容的第二端的第二端及一接收一该第二逻辑信号的控制端，且根据该第二逻辑信号的输出切换于导通与不导通间；及

一个第六开关，具有一接地的第一端、一电连接该参考电容的第一端的第二端及一接收该第二逻辑信号的控制端，且根据该第二逻辑信号切换于导通与不导通间。

本发明的阻抗至数字转换器，该积分单元包括：

一个第一运算放大器，具有一接收第一电荷、该第二电荷及该参考电荷的反相输入端、一接收该参考电压的非反相输入端，及一提供该积分电压的输出端；及

一个积分电容，电连接该第一运算放大器的反相输入端与输出端间。

本发明的阻抗至数字转换器，该电压转数码单元包括：

一个第二运算放大器，具有一接收该积分电压的反相输入端、一接收该参考电压的非反相输入端，及一输出一比较信号的输出端，该比较信号的逻辑准位相关于该积分电压是否大于该参考电压；及

一个正反器，具有一电连接该第二运算放大器的输出端以接收该比较信号的资料端、一接收一时钟信号的时脉端，及一提供该数字信号的反相输出端。

本发明的阻抗至数字转换器，该偏移阻抗单元包括一个偏移电容，该偏移信号包括一偏移电压，该参考信号包括一参考电压，该参考阻抗单元包括一个参考电容，待测电阻的阻抗值范围如下：

其中，参数vin1、vin2、vref分别是第一输入电压值、偏移电压值、参考电压值，参数rsen、csen、csub、cref分别是待测电阻值、侦测电容值、偏移电容值、参考电容值，阻抗值的侦测范围的中心值为阻抗值的灵敏度正比于

本发明的阻抗至数字转换器，该偏移信号包括一偏移电流，该偏移阻抗单元包括：

一个偏移电容，具有一第一端及一第二端；

一个偏移电阻，并联于该偏移电容；

一个第一开关，具有一接收该偏移电流的第一端、一电连接该偏移电容的第一端的第二端及一接收一第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第二开关，具有一接地的第一端、一电连接该偏移电容的第二端的第二端及一接收该第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第三开关，具有一输出该第二电荷的第一端、一电连接该偏移电容的第一端的第二端及一接收一第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；及

一个第四开关，具有一接收一参考电压的第一端、一电连接该偏移电容的第二端的第二端及一接收该第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间。

本发明的阻抗至数字转换器，该参考阻抗单元包括一个参考电容，该参考信号包括一参考电压，该待测电阻的阻抗值范围如下：

参数ioff、iref、rref分别是偏移电流值、参考电流值、参考电阻值，参数rsen、csen、csub、cref分别是待测电阻值、侦测电容值、偏移电容值、参考电容值，参考电压值＝参考电流值×参考电阻值。

本发明的阻抗至数字转换器，该输入信号为电压形式与电流形式的其中的一，该待侦测阻抗包括一第一端、一第二端与并联的一待测电阻及一待测电容，该侦测阻抗单元包括：

一个第一开关，具有一接收该输入信号的第一端、一电连接该待侦测阻抗的第一端的第二端及一接收一第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第二开关，具有一接地的第一端、一电连接该待侦测阻抗的第二端的第二端及一接收该第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第三开关，具有一接收一参考电压的第一端、一电连接该待侦测阻抗的第一端的第二端及一接收一第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；

一个第四开关，具有一输出该第一电荷的第一端、一电连接该待侦测阻抗的第二端的第二端及一接收该第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；

串联的一个第五开关、一个感测电容及一个第六开关，并联于该待侦测阻抗，且该第四开关及该第六开关受控制切换于导通与不导通间；

该第一控制信号使该第一开关导通的相位不重迭于该第二控制信号使该第三开关导通的相位。

本发明的阻抗至数字转换器，该输入信号包括一入电压及一输入电流，该待侦测阻抗包括一第一端、一第二端、并联于该第一端及第二端间的一待测电阻与一待测电容，该侦测阻抗单元包括：

一多工器，具有一接收该输入电压的第一输入端、一接收该输入电流的第二输入端，及一输出端，且受控制以选择该第一及第二输入端的其中的一与该输出端导通；

一个第一开关，具有一电连接该多工器的输出端的第一端、一第二端及一接收一第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第二开关，具有一接地的第一端、一电连接该第一开关的第二端的第二端及一接收该第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号切换于导通与不导通间；

一个第三开关，具有一接收一参考电压的第一端、一第二端及一接收一第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；

一个第四开关，具有一输出该第一电荷的第一端、一电连接该第三开关的第二端的第二端及一接收该第二控制信号的控制端，且根据该第二控制信号切换于导通与不导通间；

一个感测电容，具有一第一端及第二端；

一切换器，电连接于该多工器的第二输入端、该第一至第二开关的第二端、该感测电容的第一及第二端、该待侦测阻抗的第一及第二端间，且受控制使该待侦测阻抗的第一端与该多工器的第二输入端切换于导通与不导通间，使该待侦测阻抗的第一端与该第一开关的第二端切换于导通与不导通间，使该待侦测阻抗的第二端与该第二开关的第二端切换于导通与不导通间，使该感测电容的第一端与该第一开关的第二端切换于导通与不导通间，使该感测电容的第二端与该第二开关的第二端切换于导通与不导通间。

本发明的阻抗至数字转换器，该切换器包括：

一第一切换开关，具有一电连接该多工器的第二输入端的第一端及一电连接该待侦测阻抗的第一端的第二端，且受控制切换于导通与不导通间；

一第二切换开关，具有一电连接该待侦测阻抗的第一端的第一端及一接地的第二端，且受控制切换于导通与不导通间；

一第三切换开关，具有一电连接该第一开关的第二端的第一端及一电连接该待侦测阻抗的第一端的第二端，且受控制切换于导通与不导通间；

一第四切换开关，具有一电连接该待侦测阻抗的第二端的第一端及一电连接该第一开关的第二端的第二端，且受控制切换于导通与不导通间；

一第五切换开关，具有一电连接该第一开关的第二端的第一端及一电连接该感测电容的第一端的第二端，且受控制切换于导通与不导通间；

一第六切换开关，具有一电连接该第二开关的第二端的第一端及一电连接该感测电容的第二端的第二端，且受控制切换于导通与不导通间。

本发明的第二目的在于提供一种解决上述问题的阻抗至数字转换装置。

该阻抗至数字转换装置包含一个如上述的阻抗至数字转换器及一个运算单元。

运算单元电连接该电压转数码单元以接收一由多个数字信号所形成的逻辑序列，且据以进行平均运算以产生一序列平均值。该运算单元预存一转换表，该转换表记录不同序列平均值与不同阻抗值的对应转换。该运算单元根据该序列平均值及该转换表，以产生一指示所对应阻抗值的数字。

本发明的第三目的在于提供一种阻抗至数字转换方法。

该阻抗至数字转换方法由一阻抗至数字转换装置执行，该阻抗至数字转换装置还包括一信号产生器，该信号产生器产生一输入信号、一偏移信号及一参考信号，且该阻抗至数字转换方法包含：

(a)利用该信号产生器调整该偏移信号与该输入信号的比例以改变该序列平均值转换成所对应阻抗值的侦测范围的中心值；

(b)利用该信号产生器调整该输入信号与该参考信号的比例以改变该序列平均值转换成所对应阻抗值的灵敏度。

本发明的阻抗至数字转换方法，该输入信号包括一输入电压，该偏移信号包括一偏移电压，该参考信号包括一参考电压。

本发明的阻抗至数字转换方法，该信号产生器更产生一偏移选择信号，该偏移阻抗单元包括多个并联的偏移阻抗电路及一偏移选择器，该偏移选择器串接于该多个并联的偏移阻抗电路与该积分单元间，且受该偏移选择信号控制以切换那几个偏移阻抗电路电连接至该积分单元，每一偏移阻抗电路包括一个偏移电容，该阻抗至数字转换方法还包括：

(c)利用该信号产生器产生的该偏移选择信号调整该偏移电容的并联值以改变该序列平均值转换成所对应阻抗值的侦测范围的中心值。

本发明的阻抗至数字转换方法，该信号产生器更产生一参考选择信号，该参考阻抗单元包括多个并联的参考阻抗电路及一参考选择器，且该参考选择器受该选择信号控制以切换那几个偏移阻抗电路电连接至该积分单元，每一参考阻抗电路包括一个参考电容，该阻抗至数字转换方法还包括：

(d)利用该信号产生器产生的该参考选择信号调整该参考电容的并联值以改变该序列平均值转换成所对应阻抗值的灵敏度。

本发明的有益效果在于：同时兼顾高灵敏度与宽阻抗值侦测范围。

附图说明

本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：

图1是现有电容至数字转换技术的数字与电容值的一对应关系图；

图2是本发明阻抗至数字转换装置的一电路图；

图3是本发明阻抗至数字转换装置的一第一实施例的一电路图；

图4是该第一实施例的一时序图；

图5是该第一实施例的序列平均值与电容值的一对应关系图；

图6是该第一实施例的一动态调整电容侦测范围图；

图7是该第一实施例的一动态调整灵敏度图；

图8是该第一实施例的一模拟图；

图9是该第一实施例的一模拟图；

图10是本发明阻抗至数字转换装置的一第二实施例的一电路图；

图11是本发明阻抗至数字转换装置的一第三实施例的一电路图；

图12是该第三实施例的序列平均值与电阻值的一对应关系图；

图13是该第三实施例的一模拟图；

图14是本发明阻抗至数字转换装置的一第四实施例的一电路图；

图15是本发明阻抗至数字转换装置的一第五实施例的一电路图；及

图16是该第五实施例的序列平均值与电阻值的一对应关系图

图17是本发明阻抗至数字转换装置的一第六实施例的一电路图；

图18是该第六实施例的侦测单元用于侦测电容时的一操作示意图；

图19是该第六实施例的侦测单元用于侦测电阻时的一操作示意图。

具体实施方式

在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。

参阅图2，本发明阻抗至数字转换装置2，用来侦测一待侦测阻抗zs以产生一对应的阻抗值，包含一个阻抗至数字转换器3及一个运算单元72。阻抗至数字转换器3包括一个侦测阻抗单元4、一个偏移阻抗单元5、一个参考阻抗单元6、一个参考阻抗单元4、一个积分单元70、一个电压转数码单元71及一个信号产生器73。

侦测阻抗单元4用来侦测一待侦测阻抗zs，且接收一输入信号，且于每一周期时间受控制切换以将该输入信号转换成一正比于该输入信号的第一电荷。信号产生器73产生一输入信号、一偏移信号、一参考信号、时钟信号、该第一控制信号ψ1及该第二控制信号ψ2。以下以待侦测阻抗zs分别是电容、电阻的情况来举数个实施例来说明。

<第一实施例>

参阅图3，本发明阻抗至数字转换装置2的一第一实施例，在本实施例中，该输入信号包括一输入电压，该偏移信号包括一偏移电压，该参考信号包括一参考电压vref。该待侦测阻抗zs包括一待测电容cs。该待测电容cs具有一第一端及一第二端。该侦测阻抗单元4包括一个第一开关41、一个第二开关42、一个第三开关43及一个第四开关44。

第一开关41具有一接收该输入电压的第一端、一电连接该待测电容cs的第一端的第二端及一接收一第一控制信号ψ1的控制端，且根据该第一控制信号ψ1切换于导通与不导通间。

第二开关42具有一接地的第一端、一电连接该待测电容cs的第二端的第二端及一接收该第一控制信号ψ1的控制端，且根据该第一控制信号ψ1切换于导通与不导通间。

第三开关43具有一接收一参考电压vref的第一端、一电连接该待测电容cs的第一端的第二端及一接收一第二控制信号ψ2的控制端，且根据该第二控制信号ψ2切换于导通与不导通间。

第四开关44具有一输出该第一电荷的第一端、一电连接该待测电容cs的第二端的第二端及一接收该第二控制信号ψ2的控制端，且根据该第二控制信号ψ2切换于导通与不导通间。该第一控制信号ψ1的正相位不重迭于该第二控制信号ψ2的正相位，如图4所示。

偏移阻抗单元5接收一偏移电压，且于每一周期时间受控制切换以将该偏移电压转换成一正比于该偏移电压的第二电荷。该偏移阻抗单元5包括一个偏移阻抗zsub、第一至第四开关51～54。

偏移阻抗zsub包括一个偏移电容csub。偏移电容csub具有一第一端及一第二端。第一开关51具有一接收该偏移电压的第一端、一电连接该偏移电容csub的第一端的第二端及一接收一第一控制信号ψ1的控制端，且根据该第一控制信号ψ1切换于导通与不导通间。第二开关52具有一接地的第一端、一电连接该偏移电容csub的第二端的第二端及一接收该第一控制信号ψ1的控制端，且根据该第一控制信号ψ1切换于导通与不导通间。第三开关53具有一接收一参考电压vref的第一端、一电连接该偏移电容csub的第二端的第二端及一接收该第二控制信号ψ2的控制端，且根据该第二控制信号ψ2切换于导通与不导通间。第四开关54具有一输出该第二电荷的第一端、一电连接该偏移电容csub的第一端的第二端及一接收一第二控制信号ψ2的控制端，且根据该第二控制信号ψ2切换于导通与不导通间。

参考阻抗单元6接收一参考电压及一数字信号，且于每一周期时间受控制切换以将参考电压vref转换成一正比于该参考电压vref的参考电荷，该参考电荷的正负相关于该数字信号的逻辑准位。该参考阻抗单元包括一个参考阻抗zref、第一至第六开关61～66、一个第一与门(andgate)a1及一个第二与门a2。

第一与门a1将该数字信号及一第一控制信号ψ1进行及运算以产生一第一逻辑信号out1。第二与门a2将反相的该数字信号及一第一控制信号ψ1进行及运算以产生一第二逻辑信号out0。

参考阻抗zref包括一参考电容cref。参考电容cref具有一第一端及一第二端。

第一开关61具有一接收该参考电压vref的第一端、一电连接该参考电容cref的第一端的第二端及一接收一该第一逻辑信号的控制端，且根据该第一逻辑信号out1切换于导通与不导通间。

第二开关62具有一接地的第一端、一电连接该参考电容cref的第二端的第二端及一接收该第一逻辑信号out1的控制端，且根据该第一逻辑信号切换于导通与不导通间。

第三开关63具有一输出该第二电荷的第一端、一电连接该参考电容cref的第二端的第二端及一接收该第二控制信号ψ2的控制端，且根据该第二控制信号ψ2切换于导通与不导通间。

第四开关64具有一接收一参考电压vref的第一端、一电连接该参考电容cref的第一端的第二端及一接收一第二控制信号ψ2的控制端，且根据该第二控制信号ψ2切换于导通与不导通间。

第五开关65具有一接地的第一端、一电连接该参考电容cref的第一端的第二端及一接收该第二逻辑信号out0的控制端，且根据该第二逻辑信号out0切换于导通与不导通间

第六开关66具有一接收该参考电压vref的第一端、一电连接该参考电容cref的第二端的第二端及一接收一该第二逻辑信号的控制端，且根据该第二逻辑信号out0切换于导通与不导通间。

当数字信号为逻辑1且第一控制信号ψ1为逻辑1时，第一及第二开关61、62导通，第五及第六开关65、66不导通。当数字信号为逻辑0且第一控制信号ψ1为逻辑1时，第一及第二开关61、62不导通，第五及第六开关65、66导通。

积分单元70电连接该侦测阻抗单元4、该偏移阻抗单元5及该参考阻抗单元6，以接收该第一电荷、该第二电荷及该参考电荷，并于每一周期时间据以加总转换成一积分电压。该积分单元70包括一个第一运算放大器op1及一个积分电容cint。

第一运算放大器op1具有一接收第一电荷、该第二电荷及该参考电荷的反相输入端(－)、一接收该参考电压vref的非反相输入端(+)，及一提供该积分电压的输出端。

积分电容cint电连接该第一运算放大器op1的反相输入端(－)与输出端间。

电压转数码单元71电连接该积分单元70以接收该积分电压，且于每一周期时间判断该积分电压的大小以产生一数字信号。

该电压转数码单元71包括一个比较器op2及一个正反器df。在本实施例中，该比较器是一第二运算放大器op2。

第二运算放大器op2具有一接收该积分电压的反相输入端(－)、一接收该参考电压vref的非反相输入端(+)，及一输出一比较信号的输出端，该比较信号的逻辑准位相关于该积分电压是否大于该参考电压vref。

正反器df具有一电连接该第二运算放大器op2的输出端以接收该比较信号的资料端、一接收一时钟信号的时脉端、一提供该数字信号的反相输出端及一提供反相的数字信号的输出端(q)。

运算单元72电连接该电压转数码单元71以接收一由多个数字信号所形成的逻辑序列，且据以进行平均运算以产生一序列平均值。该运算单元72预存一转换表，该转换表记录不同序列平均值与不同阻抗值的对应转换，该运算单元72根据该序列平均值及该转换表，以产生一指示所对应阻抗值的数字。在本实施例中，该阻抗值为电容值，数字是呈数字形式。

信号产生器73产生该输入电压、该偏移电压、该参考电压vref、时钟信号、该第一控制信号ψ1及该第二控制信号ψ2。参阅图4为本实施例的时序图，在前三个时钟信号的周期中，由于积分电压小于参考电压，所以比较信号皆为逻辑1、数字信号皆为逻辑0，使参考阻抗单元6于的第一及第二开关61、62于第一控制信号ψ1为逻辑1时不导通，而第五及第六开关65、66于第一控制信号ψ1为逻辑1时导通，因此，积分电压递增三个单位δv1(单位δv1的个数相关于一模拟信号的设定，在本实施例中，该模拟信号是一参考电压，但不限于此)直到积分电压大于参考电压时，比较信号转为逻辑0、数字信号转为逻辑1，使参考阻抗单元6于的第一及第二开关61、62于第一控制信号ψ1为逻辑1时导通，而第五及第六开关65、66于第一控制信号ψ1为逻辑1时不导通，而使积分电压减少一个单位δv2。其中：

参数vin1、vin2、vref分别是输入电压值、偏移电压值、参考电压值，参数cfb、csen、csub、cref分别是积分电容值、待测电容值、偏移电容值、参考电容值。

根据电荷平衡原理，数字信号在n个周期中在逻辑1、0间变化，将待侦测电容cs、偏移电容csub与参考电容cref上电荷转移n次到积分电容cint上，可推得式(一)：

式(一)的参数n为总周期数，参数z为数字信号为逻辑1的周期数。

该序列平均值如下式(二)：

参阅图5，为本实施例的序列平均值与电容值的对应关系图，电容阻抗值的范围如下：

阻抗值的侦测范围的中心值为阻抗值的灵敏度正比于在多个周期时间的数字信号的序列平均值正比于该待侦测阻抗的阻抗值，该序列平均值转换成所对应阻抗值的侦测范围的中心值是相关于该偏移电压值与该输入电压值的比例，该序列平均值转换成所对应阻抗值的灵敏度是相关于该输入电压值与该参考电压值的比例。

本实施例的阻抗至数字转换装置执行一种阻抗至数字转换方法，包含以下步骤：

步骤(a)利用该信号产生器73调整该偏移信号与该输入信号的比例以改变该序列平均值转换成所对应阻抗值的侦测范围的中心值，如图5所示为本实施例的一动态调整电容侦测范围图。

步骤(b)利用该信号产生器调整该输入信号与该参考信号的比例以改变该序列平均值转换成所对应阻抗值的灵敏度，在本实施例中，偏移信号包括一偏移电压、输入信号包括一输入电压，该参考信号包括一参考电压，如图6所示，为本实施例的一动态调整灵敏度图。

如图8、9所示分别为本实施例调整参数vref，vin1与vin2的一模拟图。

<第二实施例>

参阅图10，本发明阻抗至数字转换装置2的一第二实施例，其与第一实施例的差别在于更可动态调整偏移电容值与参考电容值。具体作法为：

该偏移阻抗单元5包括多个并联的偏移阻抗电路51～5n及一偏移选择器50，该偏移选择器串接于该多个并联的偏移阻抗电路51～5n与该积分单元70间，用来切换那几个偏移阻抗电路电连接至该积分单元70。每一偏移阻抗电路51～5n包括一个偏移阻抗zsub、第一至第四开关51～54。

偏移阻抗zsub包括一个偏移电容csub。偏移电容csub具有一第一端及一第二端。第一开关51具有一接收该偏移电压的第一端、一电连接该偏移电容的第一端的第二端及一接收一第一控制信号的控制端，且根据该第一控制信号ψ1切换于导通与不导通间。第二开关52具有一接地的第一端、一电连接该偏移电容csub的第二端的第二端及一接收该第一控制信号ψ1的控制端，且根据该第一控制信号ψ1切换于导通与不导通间。第三开关53具有一接收一参考电压的第一端、一电连接该偏移电容csub的第一端的第二端及一接收一第二控制信号ψ2的控制端，且根据该第二控制信号ψ2切换于导通与不导通间。第四开关54具有一输出该第二电荷的第一端、一电连接该偏移电容csub的第二端的第二端及一接收该第二控制信号ψ2的控制端，且根据该第二控制信号ψ2切换于导通与不导通间。

该参考阻抗单元6包括多个并联的参考阻抗电路61～6n及一参考选择器60，该参考选择器60串接于该多个并联的参考阻抗电路61～6n与该积分单元70间，用来切换那几个偏参考阻抗电路电连接至该积分单元70。

每一参考阻抗电路61～6n包括一个参考阻抗zref、第一至第六开关61～66。

参考阻抗zref包括一参考电容cref。参考电容cref具有一第一端及一第二端。第一开关61具有一接收该参考电压vref的第一端、一电连接该参考电容cref的第一端的第二端及一接收一该第一逻辑信号out1的控制端，且根据该第一逻辑信号out1切换于导通与不导通。第二开关62具有一接地的第一端、一电连接该偏移电容csub的第二端的第二端及一接收该第一逻辑信号out1的控制端，且根据该第一逻辑信号out1切换于导通与不导通间。第三开关63具有一接收一参考电压vref的第一端、一电连接该参考电容cref的第一端的第二端及一接收一第二控制信号ψ2的控制端，且根据该第二控制信号ψ2切换于导通与不导通间。第四开关具有一输出该第二电荷的第一端、一电连接该参考电容cref的第二端的第二端及一接收该第二控制信号ψ2的控制端，且根据该第二控制信号ψ2切换于导通与不导通间。第五开关65具有一接收该参考电压vref的第一端、一电连接该参考电容cref的第二端的第二端及一接收一该第二逻辑信号out0的控制端，且根据该第二逻辑信号out0切换于导通与不导通间。第六开关66具有一接地的第一端、一电连接该偏移电容csub的第一端的第二端及一接收该第二逻辑信号out0的控制端，且根据该第二逻辑信号out0切换于导通与不导通间。

本实施例的阻抗至数字转换装置2执行一种阻抗至数字转换方法，包含以下步骤：

步骤(c)利用该信号产生器73产生的偏移选择信号调整该偏移电容csub的并联值以改变该序列平均值转换成所对应阻抗值的侦测范围的中心值。

步骤(d)利用该信号产生器73产生的参考选择信号调整该参考电容cref的并联值以改变该序列平均值转换成所对应阻抗值的灵敏度。

<第三实施例>

参阅图11，本发明阻抗至数字转换装置2的一第三实施例，其与第一实施例的差别在于是可用来侦测电阻性的元件，具体差异技术如下：该输入信号包括一输入电流，该待侦测阻抗zs包括一待测电阻rs，该待测电阻rs具有一第一端及一第二端，该侦测阻抗单元4还包括一个侦测电容csen(转换器内部的电容)，该侦测电容csen并联于该待测电阻rs，

参阅图12，为本实施例的序列平均值与电阻值的对应关系图，待测电阻的阻抗值范围如下：

由于可推得

参数vin2、vref分别是偏移电压值、参考电压值，参数rsen、csen、csub、cref分别是待测电阻值、侦测电容值、偏移电容值、参考电容值，阻抗值的侦测范围的中心值为阻抗值的灵敏度正比于参数rb为信号产生单元73内部的电阻值，通过调整参数vin1，可使阻抗值的最大侦测范围不受限于参数rb。

本实施例经由不同电阻值(rb)、电容值(csub、csen、cref)与电压值(vin1、vin2、vref)的调整先达到宽范围的电阻侦测，再进一步在小范围内进一步地提高电阻数字转换的灵敏度。通过不同的电压与电容比例可以延伸电阻转换曲线的中心点，在有限的晶片面积下达到更大的侦测范围。如图13所示，为调整参考电压值vin2、偏移电容值csub的模拟图。

<第四实施例>

参阅图14，本发明阻抗至数字转换装置2的一第四实施例，其与第一实施例的差别在于是一种复合式阻抗侦测技术。具体技术差异为：用来侦测的该待侦测阻抗zs包括一复合式元件47。

该输入信号为电压形式与电流形式的其中的一，该复合式元件47具有一第一端及一第二端，该侦测阻抗单元5包括一个第一开关41、一个第二开关42、一个第三开关43、一个第四开关44、串联的一个第五开关45、一个感测电容csen及一个第六开关46。

第一开关41具有一接收该输入信号的第一端、一电连接该复合式元件47的第一端的第二端及一接收一第一控制信号φ1的控制端，且根据该第一控制信号ψ1切换于导通与不导通间。

第二开关42具有一接地的第一端、一电连接该复合式元件47的第二端的第二端及一接收该第一控制信号ψ1的控制端，且根据该第一控制信号ψ1切换于导通与不导通间。

第三开关43具有一接收一参考电压vref的第一端、一电连接该复合式元件47的第一端的第二端及一接收一第二控制信号ψ2的控制端，且根据该第二控制信号ψ2切换于导通与不导通间。

第四开关44具有一输出该第一电荷的第一端、一电连接该复合式元件47的第二端的第二端及一接收该第二控制信号ψ2的控制端，且根据该第二控制信号ψ2切换于导通与不导通间。

串联的一个第五开关45、一个感测电容csen及一个第六开关46，并联于该复合式元件47，且该第四开关44及该第六开关46受控制切换于导通与不导通间。

该复合式元件47包括并联的一待测电阻rs及一待侦测电容cs，当侦测一待测电阻rs时需要搭配侦测电容csen，此时第五及第六开关45、46导通。当侦测待侦测电容cs时则不需要搭配侦测电容csen，此时第五及第六开关45、46不导通。通过不同的选择与配置分别侦测电阻与电容即可完成复合式阻抗的侦测。

<第五实施例>

参阅图15，本发明阻抗至数字转换装置2的一第五实施例，其与第三实施例的差别在于该偏移信号包括一偏移电流，该偏移阻抗单元5还包括一个并联该偏移电容csub的偏移电阻roff，具体差异技术如下：

该侦测阻抗单元4接收输入电流，感测电流流过待测电阻rs后会产生一储存在侦测电容csen上的电压。此电压值等效于第一实施例中执行电容转换的输入电压值(vin1＝isen×rsen，参数isen、rsen分别是输入电流值、待测电阻值)。本实施例利用不同的电压比例和电容比例来延展待测电阻值rsen的范围。将于下更进一步以公式说明。

偏移阻抗单元5接收偏移电流，偏移电流流过偏移电阻roff后会产生一储存在偏移电容csub上的电压，此电压等效于第一实施例中执行电容转换的偏移电压值(vin2＝ioff×roff，参数ioff、roff分别是偏移电流值、偏移电阻值)。

此时参考电压vref由一个参考电流流过一参考电阻产生。参阅图16，为本实施例的序列平均值与电阻值的对应关系图，待测电阻值的范围如下：

参数iref、rref分别是参考电流值、参考电阻值。

<第六实施例>

参阅图17，本发明阻抗至数字转换装置2的一第六实施例，其与第一实施例的差别在于是一种复合式阻抗侦测技术。具体技术差异为：该输入信号包括一输入电压及一输入电流，该待侦测阻抗47包括一第一端、一第二端、并联于该第一端及第二端间的一待测电阻rs与一待测电容cs，该侦测单元4包括一个多工器40、一个第一开关41、一个第二开关42、一个第三开关43、一个第四开关44、一个感测电容csen，及一切换器48。

多工器40具有一接收该输入电压的第一输入端、一接收该输入电流的第二输入端，及一输出端，且受控制以选择该第一及第二输入端的其中的一与该输出端导通。

第一开关41具有一电连接该多工器40的输出端的第一端、一第二端及一接收一第一控制信号ψ1的控制端，且根据该第一控制信号ψ1切换于导通与不导通间。

第二开关42具有一接地的第一端、一电连接该第一开关42的第二端的第二端及一接收该第一控制信号ψ1的控制端，且根据该第一控制信号ψ1切换于导通与不导通间。

第三开关43具有一接收一参考电压vref的第一端、一第二端及一接收一第二控制信号ψ2的控制端，且根据该第二控制信号ψ2切换于导通与不导通间。

第四开关44具有一输出该第一电荷的第一端、一电连接该第三开关43的第二端的第二端及一接收该第二控制信号ψ2的控制端，且根据该第二控制信号ψ2切换于导通与不导通间。该第一控制信号ψ1使该第一开关41导通的相位不重迭于该第二控制信号ψ2使该第三开关43导通的相位。

感测电容csen具有一第一端及第二端。

切换器48电连接于该多工器40的第二输入端、该第一至第二开关41～42的第二端、该感测电容csen的第一及第二端、该待侦测阻抗47的第一及第二端间，且受控制使该待侦测阻抗47的第一端与该多工器40的第二输入端切换于导通与不导通间，使该待侦测阻抗47的第一端与该第一开关41的第二端切换于导通与不导通间，使该待侦测阻抗47的第二端与该第二开关42的第二端切换于导通与不导通间，使该感测电容csen的第一端与该第一开关41的第二端切换于导通与不导通间，使该感测电容csen的第二端与该第二开关42的第二端切换于导通与不导通间，该多工器48包括第一至第六切换开关s1～s6。

第一切换开关s1具有一电连接该多工器40的第二输入端的第一端及一电连接该待侦测阻抗47的第一端的第二端，且受控制切换于导通与不导通间。

第二切换开关s2具有一电连接该待侦测阻抗47的第一端的第一端及一接地的第二端，且受控制切换于导通与不导通间。

第三切换开关s3具有一电连接该第一开关41的第二端的第一端及一电连接该待侦测阻抗47的第一端的第二端，且受控制切换于导通与不导通间。

第四切换开关s4具有一电连接该待侦测阻抗47的第二端的第一端及一电连接该第一开关41的第二端的第二端，且受控制切换于导通与不导通间。

第五切换开关s5具有一电连接该第一开关41的第二端的第一端及一电连接该感测电容csen的第一端的第二端，且受控制切换于导通与不导通间。

第六切换开关s6具有一电连接该第二开关42的第二端的第一端及一电连接该感测电容csen的第二端的第二端，且受控制切换于导通与不导通间。

如图18所示，当侦测待侦测电容cs时则不需要搭配侦测电容csen，此时第一切换开关s1、第二切换开关s2、第五切换开关s5及第六切换开关s6不导通，且此时第一控制信号φ1为逻辑1使第一及第二开关41、42导通，多工器48选择第一输入端上的输入电压对待侦测电容cs充电，序列平均值与待侦测电容cs的电容值的对应关系图如图5，待侦测电容cs的电容值的范围如下：

如图19所示，当侦测一待测电阻rs时需要搭配侦测电容csen，此时，切换器48的第一切换开关s1、第二切换开关s2、第五切换开关s5及第六切换开关s6导通，且此时第一控制信号φ1为逻辑1使第一及第二开关41、42导通，且多工器40选择第二输入端上的电压(vsen＝isen×rsen，isen为输入电流值且由输入电压值vin1与rb决定，isen＝(vin1/rb)，rb是信号产生单元的内部电阻值，rsen为待测电阻rs的电阻值)对侦测电容csen充电，序列平均值与电阻值的对应关系图如图12，待测电阻rs的电阻值范围如下：

综上所述，上述实施例具有以下优点：

1.如图5、6所示，同时兼顾高灵敏度与宽阻抗值(包含电容及电阻)侦测范围。

1.如图5、6所示，同时兼顾高灵敏度与宽阻抗值(包含电容及电阻)侦测范围。

2.改变该偏移信号与该输入信号的比例可动态调整阻抗值的侦测范围，该偏移信号与输入信号皆可以是电压或电流形式。

3.改变调整该输入信号与该参考信号的比例可动态调整灵敏度，该输入信号与参考信号皆可以是电压或电流形式。

4.阻抗最大侦测范围不受限于晶片内部阻抗大小。

5.阻抗侦侧的转换应用范围涵盖电容转数字、电阻转数字。

6.大幅提升应用范围，检验电容式感测器应用的各种产品中，从最早期的加速度计、压力检测器、湿度感测器到最新的穿戴型装置等，都可以看到其广泛的应用。不同的电容感测器的输出范围都不相同，且各种应用对灵敏度的要求也不相同，相较于成熟的半导体制程所制作出来的半导体晶片，感测器的稳定度相较于晶片较差，因此电容至数字转换器的转换曲线必须要可以在特定范围内做调整以补偿感测器的误差偏移，而本发明则利用改变电压在选定范围调整误差偏移。

7.可帮助穿戴装置开启市场，健康及健身是穿戴装置主要的诉求功能，因此健康相关的感测器在穿戴装置市场上相当重要。主要的健康感测器为脉搏、脉搏血氧计、皮肤保湿等感测器。环境感测器是具高市场潜力的感测器，目前主要环境感测器的为温度、湿度、紫外线、气体(如一氧化碳等)感测器等。愈来愈多的穿戴装置利用健康感测器及运动感测器来达成健康及健身监测的功能，利用麦克风可以对穿戴装置下达语音指令，而运动感测器可以达成姿势控制的功能。感测器是穿戴装置不可或缺的元件，通过各式各样的感测器可让穿戴装置拥有很多方便好用的功能，这些都是本发明未来的应用。

8.大幅降低产品的成本，目前消费电子产品较少采用环境感测器，将来温度、湿度、紫外线等环境感测器，将会是穿戴装置下一波热门的感测器元件。智慧型手表采用加速器、陀螺仪、mems麦克风及脉搏感测器多个感测器，对即将兴起的智慧型手表市场开启示范效应。不同的感测器具有不同的电容输出范围，使用本发明可以利用其宽侦测范围的优点达到高整合度的需求。所以确实能达成本发明的目的。