CH678976A5

CH678976A5 - Capacitive sensor evaluation circuit - periodically separates sensor from reference voltage source and transfers charge to reference capacitance

Info

Publication number: CH678976A5
Application number: CH3795/89A
Authority: CH
Inventors: Siegmar Rozek
Original assignee: Staefa Control System Ag
Priority date: 1989-10-19
Filing date: 1989-10-19
Publication date: 1991-11-29

Abstract

The evaluation circuit has a reference voltage source (14) coupled to the sensor (11) and a constant reference capacitance (17). The sensor is periodically disconnected from the reference voltage source with simultaneous transfer of the sensor charge to the reference capacitance, the voltage across which is evaluated. Pref. the sensor is coupled to the reference voltage source via a semiconductor switch controlled by the signal from an oscillator (16). USE - Provides output signal proportional to measured parameter value.

Description

       

  
 



  Die vorliegende Erfindung betrifft eine Auswerteschaltung an einem kapazitiven Sensor gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. 



  Eine Messgrösse, die die Kapazität eines kapazitiven Sensors verändern kann, kann beispielsweise eine Bewegung (geradlinig oder drehend) sein, die die für die Kapazität des Sensors massgebende Geometrie desselben verändert. Eine weitere Messgrösse kann durch die Veränderung der Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums zwischen den Elektroden des Sensors erfolgen. Es seien im vorliegenden Falle als "Messgrösse" alle Grössen verstanden, die geeignet sind, die Kapazität des Sensors zu verändern. 



  Bei bekannten Auswerteschaltungen der eingangs genannten Art sind der Sensor und die unveränderliche Bezugskapazität in einer Art Brückenschaltung zusammengeschaltet, und diese beiden Kapazitäten werden durch eine Wechselspannung als Bezugsspannung beaufschlagt. Bei solchen Auswerteschaltungen geht daher das zu erzeugende elektrische Ausgangssignal auf eine Messung oder zumindest auf einen Vergleich der Impedanzen des Sensors und der Bezugskapazität zurück. Abgesehen von einem nicht vernachlässigbaren Stromverbrauch, der für eine Impedanzmessung aufzuwenden ist, ist es praktisch kaum möglich, oder dann nur mit besonderem Aufwand, die bekannten Auswerteschaltungen voll zu einer integrierten Schaltung zu integrieren. 



  Es ist daher ein Zweck der Erfindung, eine Auswerteschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ohne eine Messung oder auch nur einen Vergleich von Impedanzen ein brauchbares, den Momentanwert der Messgrösse darstellendes Spannungssignal erzeugt. 



  Dieser Zweck wird bei der vorgeschlagenen Auswerteschaltung dadurch erreicht, dass sie die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 umschriebenen Merkmale aufweist. 



  Die vorgeschlagene Auswerteschaltung beruht somit im wesentlichen auf dem bekannten Gesetz, wonach die von einem Kondensator aufgenommene Ladung dem Produkt aus der Spannung mal der Kapazität des Kondensators entspricht. Durch die Umlagerung der vom Sensor unter der (konstanten) Bezugsspannung aufgenommenen Ladung auf die (konstante) Bezugskapazität, entsteht über dieser eine Spannung, die von der momentanen Kapazität des Sensors abhängig ist. 



  Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der vorgeschlagenen Auswerteschaltung sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben. 



  Nachstehend ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Auswerteschaltung näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt ein vereinfachtes Prinzipschema der Auswerteschaltung. 



  In der dargestellten Auswerteschaltung 10 erkennt man einen als variablen Kondensator dargestellten, kapazitiven Sensor 11, dessen eine Elektrode über einen Festkörperschalter 12 an eine konstante Bezugsspannung bezüglich  eines Erd- oder Masseleiters 13 führende Klemme 14 angeschlossen ist. Die Steuerelektrode 12 min  des Festkörperschalters 12 ist an den Ausgang eines astabilen Multivibrators 15 angeschlossen, der einem Oszillator 16 zugeordnet und von diesem angesteuert ist. 



  Die andere Elektrode des Sensors 11 ist an die eine Elektrode einer als Kondensator dargestellten Bezugskapazität 17 angeschlossen. Die Verbindung zwischen dem Sensor 11 und der Bezugskapazität ist an den Minus-Eingang eines Operationsverstärkers 18 geführt, deren Plus-Eingang einerseits mit dem Masseleiter 13 und andererseits mit einem in Serie mit dem Festkörperschalter 12 geschalteten, zweiten Festkörperschalter 19 verbunden ist. Die Steuerelektrode 19 min  dieses Festkörperschalters 19 ist direkt an den Oszillator 16 angeschlossen. Die Verbindung zwischen dem Sensor 11 und der Bezugskapazität 17 ist auch an einen dritten Festkörperschalter 20 angeschlossen, dessen Steuerelektrode 20 min  an den astabilen Multivibrator 15 angeschlossen ist. 



  In Serie mit dem Festkörperschalter 20 ist ein vierter Festkörperschalter 21 vorgesehen, dessen Steuerelektrode 21 min  direkt mit dem Oszillator 16 verbunden ist. Die Verbindung zwischen den beiden Festkörperschaltern 20 und 21 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 18 verbunden, wobei dieser Ausgang über einen fünften Festkörperschalter 22 einerseits an den Plus-Eingang eines als Impedanzwandler geschalteten Operationsverstärkers 23 und andererseits an die eine Elektrode eines Sample + Hold-Kondensators 24 geführt ist. Die andere Elektrode dieses Kondensators 24 ist mit dem Masseleiter 13 verbunden. Die  Steuerelektrode 22 min  des Festkörperschalters 22 ist direkt an den Oszillator 16 angeschlossen. 



  In Serie mit dem vierten Festkörperschalter 21 ist ein sechster Festkörperschalter 25 geschaltet, dessen Steuerelektrode 25 min  mit dem astabilen Multivibrator 15 verbunden ist. Die Verbindung zwischen den Festkörperschaltern 21 und 25 ist mit der anderen Elektrode der Bezugskapazität 17 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 23 ist einerseits an dessen Minuseingang zurückgeführt und andererseits an eine Ausgangsklemme 26, an der in bezug auf den Masseleiter 13 das Ausgangssignal der Schaltung 10 ansteht. 



  Die beschriebene Auswerteschaltung arbeitet im Prinzip in zwei abwechselnden und sich periodisch wiederholenden Phasen, wobei die Wiederholungsfrequenz durch die Frequenz des Oszillators 16 bestimmt ist. Diese Frequenz kann von 50 Hz bis zu einigen kHz betragen und hängt auch von der Zeitkonstante ab, mit der sich der Sensor 11 aufladen lässt. 



  In der ersten Phase sind die Festkörperschalter 12, 20 und 25 durch den astabilen Multivibrator 15 geschlossen, während die Festkörperschalter 19, 21 und 22 offen sind. Über den Festkörperschalter 12 wird der Sensor 11 auf die an der Klemme 14 anstehende, positive Bezugsspannung aufgeladen und nimmt daher eine von seiner momentanen Kapazität abhängige Ladung auf. Da der Plus-Eingang des Operationsverstärkers 18 an Masse liegt, ist am Minus-Eingang ein virtuelles Massepotential. Weil auch der Schalter 20 geschlossen ist, wird das virtuelle Massepotential über den  Ausgang des Operationsverstärkers 18 niederohmig.

  Die Verbindung zwischen dem Sensor 11 und der Bezugskapazität 17 ist somit niederohmig über den Schalter 20 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 18 verbunden. Über den ebenfalls geschlossenen Schalter 25 ist die in der Figur rechts erscheinende Elektrode der Bezugskapazität 17 direkt an Masse gelegt. Folglich wird die Bezugskapazität 17 in dieser ersten Phase entladen. 



   In der zweiten Phase sind die bisher offen gewesenen Schalter 19, 21 und 22 geschlossen, die bisher geschlossen gewesenen Schalter 12, 20 und 25 dagegen offen. Dadurch wird die bisher mit der Bezugsspannungsklemme 14 verbundene Elektrode des Sensors 11 über den nun geschlossenen Schalter 19 direkt an Masse gelegt. Damit erhält der Minus-Eingang des Operationsverstärkers 18 eine negative Spannung. Dadurch wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 18 positiv. Über den nun geschlossenen Schalter 21 wird die Ladung des Sensors 11, die während der vorangehenden Phase dort gespeichert war, mit Hilfe des Operationsverstärkers 18 auf die Bezugskapazität 17 umgelagert. Der Umlagerungsvorgang auf die Bezugskapazität 17 ist erst dann beendet, wenn im Sensor 11 die Ladungsdifferenz Null ist.

  In dieser zweiten Phase ist die Verbindung zwischen dem Sensor 11 und der Bezugskapazität 17 gegen den Masseleiter 13 hochohmig. Die Spannung über der Bezugskapazität 17 ist gleich der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 18 und wird über den geschlossenen Schalter 22 auf den Kondensator 24 gegeben, der diese speichert. Abgreifbar ist diese Spannung dann an der Ausgangsklemme 26 des als Impedanzwandler geschalteten Operationsverstärkers 23. 



  Nach dieser zweiten Phase erfolgt wieder eine erste Phase und nach dieser wieder eine zweite Phase. 



  Unter Vernachlässigung von Streukapazitäten und unter der Annahme, dass die vom Sensor 11 in der ersten Phase unter der Bezugsspannung UR aufgenommene Ladung verlustlos auf die Bezugskapazität 17 umgelagert wird, lässt sich die Arbeitsweise der beschriebenen Auswerteschaltung durch folgende Formel ausdrücken:
 
 UR.CX  SIMILAR   UA.CR
 
 wobei UR die an der Klemme 14 anstehende Bezugsspannung,
 CX die momentane Kapazität des Sensors 11,
 UA die Ausgangsspannung über dem Kondensator 24 und
 CR die (konstante) Kapazität der Bezugskapazität 17 bedeutet. 



   Daraus ergibt sich, dass 
EMI6.1
 



  ist. 



  Die Vorteile der beschriebenen Auswerteschaltung sind evident. Von diesen seien erwähnt: Die Schaltung lässt sich voll in einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit) integrieren; die Anforderungen an die Bauteile sind vergleichsweise gering; der Stromverbrauch ist gering; und das Ausgangssignal ist linear proportional zur Kapazitätsveränderung des Sensors. 



  
 



  The present invention relates to an evaluation circuit on a capacitive sensor according to the preamble of patent claim 1.



  A measured variable that can change the capacitance of a capacitive sensor can be, for example, a movement (straight or rotating) that changes the geometry of the sensor that determines the capacitance of the sensor. Another measurement variable can be made by changing the dielectric constant of the dielectric between the electrodes of the sensor. In the present case, all "quantities" that are suitable for changing the capacitance of the sensor are to be understood as "measured quantities".



  In known evaluation circuits of the type mentioned at the outset, the sensor and the unchangeable reference capacitance are connected together in a type of bridge circuit, and these two capacitances are acted upon by an alternating voltage as the reference voltage. In such evaluation circuits, the electrical output signal to be generated is based on a measurement or at least on a comparison of the impedances of the sensor and the reference capacitance. Apart from a not negligible power consumption, which is to be used for an impedance measurement, it is practically hardly possible, or then only with particular effort, to fully integrate the known evaluation circuits to form an integrated circuit.



  It is therefore a purpose of the invention to provide an evaluation circuit of the type mentioned at the outset which, without a measurement or even a comparison of impedances, generates a usable voltage signal representing the instantaneous value of the measured variable.



  This purpose is achieved in the proposed evaluation circuit in that it has the features described in the characterizing part of patent claim 1.



  The proposed evaluation circuit is thus essentially based on the known law, according to which the charge taken up by a capacitor corresponds to the product of the voltage times the capacitance of the capacitor. As a result of the rearrangement of the charge taken up by the sensor under the (constant) reference voltage to the (constant) reference capacitance, a voltage is generated across it, which is dependent on the current capacitance of the sensor.



  Features of preferred embodiments of the proposed evaluation circuit are described in the dependent claims.



  An exemplary embodiment of the proposed evaluation circuit is described in more detail below with reference to the drawing. The single figure shows a simplified schematic diagram of the evaluation circuit.



  The evaluation circuit 10 shown shows a capacitive sensor 11, shown as a variable capacitor, the one electrode of which is connected via a solid-state switch 12 to a constant reference voltage with respect to a ground or ground conductor 13, terminal 14. The control electrode 12 min of the solid-state switch 12 is connected to the output of an astable multivibrator 15, which is assigned to an oscillator 16 and is controlled by it.



  The other electrode of the sensor 11 is connected to the one electrode of a reference capacitance 17 shown as a capacitor. The connection between the sensor 11 and the reference capacitance is connected to the minus input of an operational amplifier 18, the plus input of which is connected on the one hand to the ground conductor 13 and on the other hand to a second solid-state switch 19 connected in series with the solid-state switch 12. The control electrode 19 min of this solid-state switch 19 is connected directly to the oscillator 16. The connection between the sensor 11 and the reference capacitance 17 is also connected to a third solid-state switch 20, the control electrode of which is connected to the astable multivibrator 15 for 20 minutes.



  A fourth solid-state switch 21 is provided in series with the solid-state switch 20, the control electrode 21 min of which is connected directly to the oscillator 16. The connection between the two solid-state switches 20 and 21 is connected to the output of the operational amplifier 18, this output via a fifth solid-state switch 22 on the one hand to the plus input of an operational amplifier 23 connected as an impedance converter and on the other hand to one electrode of a sample + hold capacitor 24 is performed. The other electrode of this capacitor 24 is connected to the ground conductor 13. The control electrode 22 min of the solid-state switch 22 is connected directly to the oscillator 16.



  A sixth solid-state switch 25 is connected in series with the fourth solid-state switch 21, the control electrode of which is connected to the astable multivibrator 15 for 25 minutes. The connection between the solid-state switches 21 and 25 is connected to the other electrode of the reference capacitance 17. The output of the operational amplifier 23 is fed back on the one hand to its negative input and on the other hand to an output terminal 26 at which the output signal of the circuit 10 is present in relation to the ground conductor 13.



  The evaluation circuit described works in principle in two alternating and periodically repeating phases, the repetition frequency being determined by the frequency of the oscillator 16. This frequency can range from 50 Hz to a few kHz and also depends on the time constant with which the sensor 11 can be charged.



  In the first phase, the solid-state switches 12, 20 and 25 are closed by the astable multivibrator 15, while the solid-state switches 19, 21 and 22 are open. Via the solid-state switch 12, the sensor 11 is charged to the positive reference voltage present at the terminal 14 and therefore takes up a charge which is dependent on its current capacity. Since the plus input of the operational amplifier 18 is grounded, there is a virtual ground potential at the minus input. Because switch 20 is also closed, the virtual ground potential becomes low-impedance via the output of operational amplifier 18.

  The connection between the sensor 11 and the reference capacitance 17 is thus connected to the output of the operational amplifier 18 in a low-resistance manner via the switch 20. Via the switch 25, which is also closed, the electrode of the reference capacitance 17 appearing on the right in the figure is connected directly to ground. As a result, the reference capacitance 17 is discharged in this first phase.



   In the second phase, the previously open switches 19, 21 and 22 are closed, while the previously closed switches 12, 20 and 25 are open. As a result, the electrode of the sensor 11 previously connected to the reference voltage terminal 14 is connected directly to ground via the now closed switch 19. The negative input of the operational amplifier 18 thus receives a negative voltage. As a result, the output voltage of the operational amplifier 18 becomes positive. Via the now closed switch 21, the charge of the sensor 11, which was stored there during the previous phase, is shifted to the reference capacitance 17 with the aid of the operational amplifier 18. The rearrangement process to the reference capacitance 17 is only completed when the charge difference in the sensor 11 is zero.

  In this second phase, the connection between the sensor 11 and the reference capacitance 17 has a high resistance to the ground conductor 13. The voltage across the reference capacitance 17 is equal to the output voltage of the operational amplifier 18 and is applied via the closed switch 22 to the capacitor 24, which stores it. This voltage can then be tapped at the output terminal 26 of the operational amplifier 23 connected as an impedance converter.



  After this second phase there is again a first phase and after this a second phase.



  Neglecting stray capacities and assuming that the charge picked up by the sensor 11 in the first phase under the reference voltage UR is transferred without loss to the reference capacitance 17, the mode of operation of the evaluation circuit described can be expressed by the following formula:
 
 UR.CX SIMILAR UA.CR
 
 where UR is the reference voltage at terminal 14,
 CX the current capacity of sensor 11,
 UA the output voltage across the capacitor 24 and
 CR means the (constant) capacity of the reference capacity 17.



   It follows that
EMI6.1
 



  is.



  The advantages of the evaluation circuit described are evident. Of these, the circuit can be fully integrated in an ASIC (Application Specific Integrated Circuit); the requirements on the components are comparatively low; the power consumption is low; and the output signal is linearly proportional to the change in capacitance of the sensor.

Claims

1. Evaluation circuit on a capacitive sensor (11), the capacitance of which can be changed by changing a measured variable, which circuit supplies an electrical signal characteristic of the measured variable, first means (12, 19, 20, 21, 25) being provided to measure the Connect sensor (11) to a reference voltage source (14) and the sensor is assigned an unchangeable reference capacitance (17), characterized in that the first means (12, 19, 20, 21, 25) are set up to periodically connect the Interrupt the sensor (11) to the reference voltage source (14) and at the same time transfer the charge of the sensor (11) to the reference capacitance (17), further means (22, 24) being provided in order to tap the voltage across the reference capacitance (17) .

2nd

Evaluation circuit according to claim 1, characterized in that the first means have a number of solid-state switches (12, 19, 20, 21, 25), of which one part (12, 20, 25) is periodically actuated in opposite directions to the other part (19, 21) are.

3. Evaluation circuit according to claim 2, characterized in that an oscillator (16) is provided for controlling the solid-state switch (12, 19, 20, 21, 25).

4. Evaluation circuit according to claim 3, characterized in that the other part of the solid-state switch (19, 21) is controlled directly by the oscillator (16) and the other part (12, 20, 25) via one connected to the oscillator (16) astable multivibrator (15) is controlled.

5.

Evaluation circuit according to one of Claims 1-4, characterized in that the further means for tapping the voltage of the reference capacitance (17) have a further capacitor (24) which acts as a memory.

6. Evaluation circuit according to claim 5, characterized in that the further capacitor (24) is connected via an operational amplifier (23) connected as an impedance converter to the output (26) of the evaluation circuit. 1. Evaluation circuit on a capacitive sensor (11), the capacitance of which can be changed by changing a measured variable, which circuit supplies an electrical signal characteristic of the measured variable, first means (12, 19, 20, 21, 25) being provided to measure the Connect sensor (11) to a reference voltage source (14) and the sensor is assigned an unchangeable reference capacitance (17), characterized in that the first means (12, 19, 20, 21, 25) are set up to periodically connect the Interrupt the sensor (11) to the reference voltage source (14) and at the same time transfer the charge of the sensor (11) to the reference capacitance (17), further means (22, 24) being provided in order to tap the voltage across the reference capacitance (17) . 2nd

Evaluation circuit according to claim 1, characterized in that the first means have a number of solid-state switches (12, 19, 20, 21, 25), of which one part (12, 20, 25) is periodically actuated in opposite directions to the other part (19, 21) are. 3. Evaluation circuit according to claim 2, characterized in that an oscillator (16) is provided for controlling the solid-state switch (12, 19, 20, 21, 25). 4. Evaluation circuit according to claim 3, characterized in that the other part of the solid-state switch (19, 21) is controlled directly by the oscillator (16) and the other part (12, 20, 25) via one connected to the oscillator (16) astable multivibrator (15) is controlled. 5.

Evaluation circuit according to one of Claims 1-4, characterized in that the further means for tapping the voltage of the reference capacitance (17) have a further capacitor (24) which acts as a memory. 6. Evaluation circuit according to claim 5, characterized in that the further capacitor (24) is connected via an operational amplifier (23) connected as an impedance converter to the output (26) of the evaluation circuit.