CH679623A5

CH679623A5 -

Info

Publication number: CH679623A5
Application number: CH430389A
Authority: CH
Inventors: Thomas Iten
Original assignee: Dynalab Ag
Priority date: 1989-12-01
Filing date: 1989-12-01
Publication date: 1992-03-13
Also published as: DE4035261A1

Description

1 1

CH 679 623 A5 CH 679 623 A5

2 2nd

Beschreibung description

Für gewisse Anwendungen - insbesondere für das Arbeiten in aggressiver oder hochreinen Umgebung - ist eine Steuerung elektronischer Schaltungen, insbesondere diejenigen von Computern, durch piezoelektrische Tasten erwünscht. Zu diesem Zweck müssen die von Piezoelementen abgegebenen Signale durch entsprechende Schaltungen aufbereitet werden. Diese arbeiten in der Regel dif-ferentiell, d.h. sie werden durch Änderungen des elektrischen Zustandes gesteuert, nicht durch diesen Zustand selbst. Dies ist insbesondere bei piezoelektrischen Tasten erwünscht, denn auf diese Weise können Störsjgnale, welche infoige Temperatur- und Luftdruck-Änderung und dergleichen auftreten, unterdrückt werden. Andererseits eignen sich die bekannten Schaltungen zur Verarbeitung der durch piezoelektrische Tasten abgegebenen Signale jedoch relativ schlecht zur zeitlich genauen Erfassung von länger dauernden Betätigungen einer piezoelektrischen Taste. Ausserdem benötigen die bekannten Schaltungen verhältnismässig viele elektronische Elemente, die nicht oder schlecht integrierbar sind, wie etwa Widerstände und Kondensatoren. Deren Anzahl sollte aber aus Platz- und Kostengründen möglichst eingeschränkt werden, wie auch die Anzahl der nötigen IC-Anschlüsse. Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung diese Nachteile zu beheben. Zu diesem Zweck ist die Erfindung, wie in Anspruch 1 beschrieben, definiert. For certain applications - in particular for working in an aggressive or high-purity environment - it is desirable to control electronic circuits, in particular those of computers, by means of piezoelectric keys. For this purpose, the signals emitted by piezo elements must be processed by appropriate circuits. These usually work differentially, i.e. they are controlled by changes in the electrical state, not by this state itself. This is particularly desirable in the case of piezoelectric keys, since in this way interference signals which change the temperature and air pressure and the like can be suppressed. On the other hand, the known circuits for processing the signals emitted by piezoelectric keys are, however, relatively poorly suited for the timely detection of long-term actuations of a piezoelectric key. In addition, the known circuits require a relatively large number of electronic elements which cannot be integrated or are difficult to integrate, such as resistors and capacitors. However, their number should be limited as much as possible due to space and cost reasons, as well as the number of necessary IC connections. The aim of the present invention is to overcome these drawbacks. To this end, the invention is defined as described in claim 1.

Es soll die Erfindung nunmehr durch die Beschreibung einer bekannten Schaltung und von Ausführungsformen der Erfindung, anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen: The invention will now be explained in more detail by the description of a known circuit and of embodiments of the invention, with reference to the drawings. Show it:

Fig. 1 das Prinzipschema einer Schaltung bekannter Art, 1 shows the basic diagram of a circuit of a known type,

Fig. 2 das Prinzipschema einer Ausführungsform der Erfindung, 2 shows the basic diagram of an embodiment of the invention,

Fig. 3 das Prinzipschema einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Fig. 3 shows the schematic diagram of a further embodiment of the invention.

Die Fig. 1 zeigt das Prinzipschema eines sogenannten Ladungsverstärkers, welches die wohl üblichste Schaltung für die Signalverarbeitung am Ausgang eines Piezosensors ist. Darin bezeichnet 1 diesen Piezo-Sensor, in der Folge oft einfach Taste genannt, 2 einen damit in Serie geschalteten Schutzwiderstand, 3 einen parallel zum Sensor geschalteten Eingangswiderstand, mit einem Wert, der höher als derjenige des Widerstandes 2 ist, 4 einen Kondensator und 5 einen Operationsverstärker. Der Buchstabe E bezeichnet den gemeinsamen An-schluss (sog. «Erde») der Schaltung, und S ihren Ausgang, an welchem ein den Zustand der Taste kennzeichnendes Signal abgegriffen werden kann. Am Eingang R des Verstärkers 5 ist die Referenzspannung E angelegt die von einer nicht gezeigten Quelle geliefert wird. 1 shows the basic diagram of a so-called charge amplifier, which is probably the most common circuit for signal processing at the output of a piezo sensor. Therein 1 designates this piezo sensor, hereinafter simply called a button, 2 a protective resistor connected in series therewith, 3 an input resistor connected in parallel to the sensor, with a value higher than that of resistor 2, 4 a capacitor and 5 an operational amplifier. The letter E denotes the common connection (so-called “earth”) of the circuit, and S its output, from which a signal characterizing the state of the button can be tapped. Reference voltage E, which is supplied by a source, not shown, is applied to input R of amplifier 5.

Die Schaltung der Fig. 1 funktioniert wie folgt. Solange die Taste 1 nicht betätigt wird, werden eventuell am Piezoelement auftretende störende Ladungen über den verhältnismässig grossen (in der Grös-senordnung einiger Megohm liegenden) Widerstand The circuit of Fig. 1 works as follows. As long as the key 1 is not pressed, any interfering charges that may occur on the piezo element become over the relatively large (in the order of a few megohms) resistance

3 abgeführt, wobei der kleinere Schutzwiderstand 2 keine wesentliche Rolle spielt. Durch das Betätigen der Taste 1 wird der Kondensator 4 aufgeladen; dadurch sinkt die Spannung am Ausgang des Verstärkers 5 und ein an diesem Ausgang angeschlossener Schmitt-Trigger 9 kippt in seinen aktiven Zustand. Am Ausgang S der Schaltung tritt somit ein Signal auf und bleibt solange erhalten, wie die Taste 1 betätigt wird. Beim Loslassen derselben wird der Kondensator 4 entladen und die Spannung am Eingang des Verstärkers sinkt entsprechend, wodurch bewirkt wird, dass der Schmitt-Trigger 9 in den passiven Zustand zurückkippt. Allerdings verlangt dies, dass die Taste schnell genug losgelassen wird, um durch die dabei auftretende Ladungsverschiebung den Kondensator 4 hinreichend zu entladen. Andernfalls bleibt der Verstärker aktiv und das Signal am Ausgang S signalisiert auch nach dem Loslassen der Taste 1 fälschlicherweise weiterhin eine Betätigung derselben, was äusserst unerwünscht ist. 3 dissipated, the smaller protective resistor 2 does not play an important role. By pressing the button 1, the capacitor 4 is charged; as a result, the voltage at the output of the amplifier 5 drops and a Schmitt trigger 9 connected to this output tilts into its active state. A signal thus occurs at the output S of the circuit and remains as long as the key 1 is pressed. When the same is released, the capacitor 4 is discharged and the voltage at the input of the amplifier drops accordingly, which causes the Schmitt trigger 9 to tip back into the passive state. However, this requires that the button be released quickly enough to sufficiently discharge the capacitor 4 due to the charge shift that occurs. Otherwise, the amplifier remains active and the signal at output S incorrectly continues to signal actuation even after the button 1 is released, which is extremely undesirable.

Aus Kosten- und Platzgründen sind üblicherweise möglichst viele Schaltungselemente in integrierter Form ausgeführt. Da dies in der Regel für den Kondensator 4 nicht sinnvoll durchführbar ist, müssen für je ein Piezosensor drei Trennstellen, d.h. IC-Anschlüsse (sogenannte «pins» der integrierten Schaltung) vorgesehen werden, z.B. an den Stellen TA, TE und TX. Lässt man die, fallweise vielen Piezoelementen gemeinsame Trennstelle TE ausser Betracht, dann umfasst der für eine solche Schaltung notwendige Gesamtaufwand pro Taste drei nichtin-tegrierbare elektronische Elemente (die beiden Widerstände 2,3 und den Kondensator 4) sowie zwei IC-Anschlüsse (TA und TX). For cost and space reasons, as many circuit elements as possible are usually implemented in an integrated form. Since this is generally not feasible for capacitor 4, three separation points must be provided for each piezo sensor, i.e. IC connections (so-called «pins» of the integrated circuit) are provided, e.g. in places TA, TE and TX. If the disconnection point TE, which is common to many piezo elements, is disregarded, the total effort required for such a circuit includes three non-integrable electronic elements (the two resistors 2, 3 and the capacitor 4) and two IC connections (TA and TX).

Die Fig. 2 zeigt das Prinzipschema einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Sofern vorhanden, werden Elemente, welche analog zu solchen der Fig. 1 sind, in Fig. 2 durch dieselben Referenz-Zeichen identifiziert. Es bezeichnet wiederum 1 den Piezosensor, und 2, 3 die zugehörigen Schutz- und Eingangswiderstände, welche ähnliche Werte wie in Fig. 1 haben können. Ein Komparator 16 liegt mit seinem Eingang am gemeinsamen Anschluss der beiden Widerstände, während sein Ausgang mit dem Ausgang S der Schaltung sowie mit einem Eingang eines Tores 17 verbunden ist, dessen Ausgangssignal einen zwischen dem Eingangswiderstand 3 und dem gemeinsamen Anschluss E geschalteten Feldeffekt-Transistor 11 steuert. Der andere Eingang des Tores 17 empfängt ein Signal eines Oszillators 18, der auf weiter unten beschriebene Weise die Aufgabe einer Zeitbegrenzungs-Schaltung erfüllt, um zu verhindern, dass die Schaltung bei einer Dauerbetätigung der Taste 1 unbeschränkt lange ein Ausgangssignal erzeugt. 2 shows the basic diagram of a first embodiment of the invention. If present, elements which are analogous to those of FIG. 1 are identified in FIG. 2 by the same reference symbols. It again designates 1 the piezo sensor, and 2, 3 the associated protective and input resistances, which can have values similar to those in FIG. 1. A comparator 16 has its input connected to the common connection of the two resistors, while its output is connected to the output S of the circuit and to an input of a gate 17 whose output signal is a field effect transistor 11 connected between the input resistor 3 and the common connection E. controls. The other input of the gate 17 receives a signal from an oscillator 18, which in the manner described below fulfills the function of a time limit circuit in order to prevent the circuit from generating an output signal for an unlimited period when the button 1 is pressed continuously.

Die Schaltung der Fig. 2 funktioniert wie folgt: Im Ruhezustand der Taste 1 leitet der Transistor 11; er führt eventuell am Piezoelement auftretende Störladungen, wie im Fall der Fig. 1, über den Widerstand 3 ab. Bei Betätigung der Taste 1 aktiviert die am Piezoelement auftretende Spannung den Komparator 16. Dessen Ausgangssignal wird über das Tor 17 zum Transistor 11 geleitet und hält diesen offen, solange am anderen Eingang des Tores 17 kein Signal anliegt. Infolge des geöffneten Transistors 11 kann The circuit of FIG. 2 works as follows: in the idle state of the key 1, the transistor 11 conducts; it dissipates any interfering charges that may occur on the piezo element, as in the case of FIG. 1, via the resistor 3. When button 1 is pressed, the voltage occurring at the piezo element activates the comparator 16. Its output signal is passed via gate 17 to transistor 11 and keeps it open as long as no signal is present at the other input of gate 17. As a result of the opened transistor 11 can

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

2 2nd

3 3rd

CH 679 623 A5 CH 679 623 A5

4 4th

keine Ladung des Piezoelementes über den Widerstand 3 abfliessen. Folglich bleibt die Polarisation des Piezoelementes praktisch unbeschränkt lange erhalten, bis sie durch das Loslassen der Taste neutralisiert wird. Falls man aus praktischen Gründen die maximale Dauer, während welcher am Ausgang S der Schaltung eine Betätigung der Taste gemeldet werden soll, beschränken will, wird einem Eingang des Tores 17 durch einen Oszillator 18 periodisch ein Zeitbegrenzungs-Signal zugeführt, welches das Tor 17 zusammen mit dem an seinem anderen Eingang anliegenden Ausgangssignal des Verstärkers 16 steuert, um den Transistor 11 periodisch kurzzeitig zu schliessen. Es fliesst dann die durch das Piezo-Element aufgebaute Ladung nach und nach ab, der nicht mehr aktivierte Verstärker 16 liefert schliesslich kein Signal an den Eingang des Tores 17 mehr, und dieses hält den Transistor 11 unabhängig von dem durch den Oszillator 18 gelieferten Signal geschlossen, bis die Taste 1 wieder aktiviert wird. no charge of the piezo element flows through the resistor 3. Consequently, the polarization of the piezo element remains practically indefinitely until it is neutralized by releasing the button. If, for practical reasons, the maximum duration during which an actuation of the key is to be reported at the output S of the circuit is to be limited, an input of the gate 17 is periodically supplied with a time limit signal by an oscillator 18 which the gate 17 together with controls the output signal of the amplifier 16 present at its other input in order to periodically close the transistor 11 briefly. The charge built up by the piezo element then gradually flows away, the amplifier 16, which is no longer activated, finally no longer delivers a signal to the input of the gate 17, and this keeps the transistor 11 closed, regardless of the signal supplied by the oscillator 18 until key 1 is reactivated.

Da die Widerstände 2 und 3 fast notwendig ausserhalb der die anderen Schaltelemente umfassenden integrierten Schaltung liegen müssen, verlangt diese Ausführungsform IC-Anschlüsse an den Stellen TA, TB und TE. Die Anzahl nötiger Trennstellen pro Taste ist somit dieselbe, wie bei bekannten Ausführungen. Hingegen sind hier nur noch zwei nicht-integrierbare elektronische Elemente (die Widerstände 3, 4) pro Piezo-Element notwendig, da der Feldeffekt-Transistor 11 integriert werden kann. Since the resistors 2 and 3 are almost necessarily outside the integrated circuit comprising the other switching elements, this embodiment requires IC connections at the points TA, TB and TE. The number of separating points required per key is therefore the same as in known designs. On the other hand, only two non-integrable electronic elements (the resistors 3, 4) per piezo element are necessary here, since the field-effect transistor 11 can be integrated.

Die Fig. 3 zeigt das Prinzip-Schema einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei für die Referenzzeichen dasselbe wie in Fig. 2 gilt. Es sind hier der Schutzwiderstand 2 und der Eingangswiderstand 3 durch einen einzigen Widerstand 23 ersetzt, dessen Wert in der Regel zwischen denjenigen der Widerstände 2 und 3 der vorangehenden Figuren liegt. Der Widerstand 23 liegt zwischen einem Anschluss des Piezo-Elementes und einem Eingang eines Komparators 25 an dessen anderem Eingang R eine von einer nichtgezeigten Schaltung erzeugte Referenzspannung anliegt. FIG. 3 shows the principle diagram of a further embodiment of the invention, the same as in FIG. 2 applying to the reference symbols. The protective resistor 2 and the input resistor 3 are replaced by a single resistor 23, the value of which is generally between those of the resistors 2 and 3 of the preceding figures. The resistor 23 is between a connection of the piezo element and an input of a comparator 25 at the other input R of which a reference voltage generated by a circuit, not shown, is present.

Der Ausgang des Komparators 25 ist mit dem D-Eingang eines Latch-Schalters 20 sowie mit einem Eingang eines Tores 28 verbunden. Dessen anderer Eingang sowie der G-Eingang des Latch-Schal-ters 20 sind je mit einem Ausgang eines Oszillators 18' verbunden. Ein weiterer Ausgang dieses Oszillators sowie der Ausgang des Tores 28 sind je mit einem Eingang eines Tores 27 verbunden, dessen Ausgang einen Transistor 21 steuert, der dem Transistor 11 der Fig. 2 entspricht. The output of the comparator 25 is connected to the D input of a latch switch 20 and to an input of a gate 28. Whose other input and the G input of the latch switch 20 are each connected to an output of an oscillator 18 '. Another output of this oscillator and the output of the gate 28 are each connected to an input of a gate 27, the output of which controls a transistor 21 which corresponds to the transistor 11 in FIG. 2.

Solange die Taste 1 nicht betätigt wird, wird der Transistor 21 ausschliesslich durch die vom Oszillator 18' über die Leitung L ausgegebenen ersten Signale gesteuert, die z.B. getaktet sind, um den Transistor 21 über das Tor 27 so zu steuern, dass er während einem Bruchteil 1/B der Zeit (z.B. während 1/8 derselben) geschlossen wird. Während dieser Zeit können zufällige Störladungen des Piezoelementes abfliessen, d.h. der für das Piezo-Element wirksame mittlere Eingangswiderstand der Schaltung beträgt ungefähr das Achtfache des Wertes des Widerstandes 23, ohne dass dafür ein zweiter Widerstand nach der Art von Widerstand 3 in Fig. 2 nötig wäre. Mit derselben Frequenz, wie die an das Tor 27 abgegebenen ersten Signale, sendet der Oszillator 18' dazu phasenverschobene zweite Signale an den G-Eingang des Latch-Schalters 20, so dass dieser den an seinem anderen Eingang anliegenden Zustand von einem Signal zum nächsten festhält und an seinem Ausgang S anzeigt. As long as key 1 is not actuated, transistor 21 is controlled exclusively by the first signals output by oscillator 18 'via line L, which e.g. are clocked to control transistor 21 via gate 27 so that it closes for a fraction 1 / B of the time (e.g., 1/8 thereof). During this time, random interference charges from the piezo element can flow off, i.e. the average input resistance of the circuit which is effective for the piezo element is approximately eight times the value of the resistor 23 without a second resistor of the type of resistor 3 in FIG. 2 being necessary for this. With the same frequency as the first signals delivered to the gate 27, the oscillator 18 'sends phase-shifted second signals to the G input of the latch switch 20 so that the latter records the state present at its other input from one signal to the next and displays S at its output.

Wird die Taste betätigt, dann spricht der Komparator 25 an und öffnet über die Tore 28 und 27, den Transistor 21, so dass der Eingangswiderstand der Schaltung für das Piezo-Element äusserst hoch wird. Um dennoch eine definierte Eingangsimpedanz zu erhalten, erzeugt der Oszillator 18' eine dritte Folge von Signalen, die mit den ersten synchronisiert ist, aber eine um einen Faktor 1/K kleinere Frequenz besitzt. Diese Signale werden einem Eingang des Tores 28 zugeführt und bewirken, dass für das aktivierte Piezo-Element die mittlere Impedanz der Schaltung einen hohen, aber bestimmten Wert annimmt, nämlich: B-K- (Wert des Widerstandes 23). If the button is pressed, the comparator 25 responds and opens the transistor 21 via the gates 28 and 27, so that the input resistance of the circuit for the piezo element becomes extremely high. In order to nevertheless obtain a defined input impedance, the oscillator 18 'generates a third sequence of signals which is synchronized with the first, but has a frequency which is lower by a factor of 1 / K. These signals are fed to an input of the gate 28 and have the effect that the average impedance of the circuit assumes a high but certain value for the activated piezo element, namely: B-K- (value of the resistor 23).

Es bewirkt dies eine Langzeitbegrenzung des bei ununterbrochener Betätigung der Taste 1 am Ausgang der Schaltung auftretenden Signales, indem nach Ablauf einer gewissen, durch passende Variation der Werte der Schaltelemente einstellbare, Anzahl Perioden der dritten Signalfolge so viel von der durch das Piezo-Element erzeugten Ladung über den Transistor 21 abgeflossen ist, dass der Komparator 25 nicht mehr anspricht und die Schaltung in den Ruhezustand zurückkehrt. This results in a long-term limitation of the signal that occurs at the output of the circuit when the key 1 is pressed continuously, by exposing as much of the charge generated by the piezo element after a certain number of periods of the third signal sequence that can be adjusted by suitable variation of the values of the switching elements has flowed through the transistor 21 that the comparator 25 no longer responds and the circuit returns to the idle state.

Bei dieser Ausführungsform können alle Schalt-Elemente ausser dem Widerstand 23 in integrierter Form ausgeführt werden, und es werden nur noch zwei IC-Anschlüsse (TC und TE) benötigt. Da die Trennstelle TE den gemeinsamen Anschluss (Erde) betrifft, und auch bei einer viele Tasten aufweisenden Tastatur nur einmal vorkommt, ist dann die Anzahl Trennstellen in der Ausführung nach Fig. 3 praktisch die Hälfte derjenigen in den vorangehenden Beispielen, was eine wesentliche Einsparung bedeutet. Auch die Anzahl nicht oder nur schwer integrierbarer Widerstände ist in der zuletzt beschriebenen Ausführungsform nur halb so gross wie in der nach Fig. 2. In this embodiment, all switching elements except the resistor 23 can be implemented in an integrated form, and only two IC connections (TC and TE) are required. Since the separation point TE relates to the common connection (earth), and also occurs only once in a keyboard with many keys, the number of separation points in the embodiment according to FIG. 3 is practically half that in the preceding examples, which means a substantial saving . The number of resistors that are difficult or impossible to integrate is also only half as large in the last-described embodiment as in that of FIG. 2.

Claims

1. Circuit for processing the signals emitted by the piezo element of a piezo button, characterized in that the terminating circuit between the connections of the piezo element has at least one resistor and an electronic switch in series therewith, which is controlled by an oscillator to be open at least temporarily when the button is pressed.

2. Circuit according to claim 1, characterized in that a smaller protective resistor and a larger terminating resistor are in series in the terminating circuit, that the input of an operational amplifier is connected to the electrical connection between these resistors and that the switch is connected by the output

5

10th

15

20th

25th

30th

35

40

45

50

55

60

65

CH 679 623 A5

signal of the amplifier is controlled to remain open when the piezo button is pressed at least until a time limit signal is received.

3. A circuit according to claim 2, characterized in that the value of the larger resistor is between 2 and 100 times the value of the smaller one.

4. Circuit according to claim 2 or 3, characterized in that the switch is controlled by a gate, at one input of which the 10 output signal of the amplifier is located, while at another input of the gate is a time limit signal.

5. Circuit according to claim 1, characterized in that the terminating circuit contains only a resistor that an input of a comparator is connected to the electrical connection between the resistor and a connection of the piezo element and another input of the comparator to a reference voltage is and 20 that the switch is controlled by the output signal of the comparator and by at least a first periodic signal to be open at least for a fraction of the time both when the button is pressed and when the button is not pressed, this fraction being greater when the button is pressed than when the button is not pressed.

6. Circuit according to claim 5, characterized in that the switch is controlled by a Boolean combination of the output signal of the comparator 30 with the first periodic signal and with a second, with the first synchronized, periodic signal of a different frequency, at least even when the key is pressed to be closed for a fraction of the time. 35

7. Circuit according to one of claims 5 or 6, characterized by a D-latch circuit, at the D input of which the output signal of the comparator is present, and at whose G input there is a signal of the same frequency which is synchronized with the first signal .

45

50

55

60

u

1

65

4th