CN101253688A - 具有电容开关功能的电子电路 - Google Patents

Abstract

一种电子电路，用于检测两个不同的接触电容器(C1，C2)电容变化，包括能够将常规脉冲发生器产生的、经过滤波器(R1，C1－R2，C2)滤波的信号转换为方波的装置，其中的各个电容器(C1，C2)就是上述的接触电容器，这些电容器的各有一个终端接到公共的地(G)；所述装置还能够产生各自的由方波脉冲序列形成的信号，能够比较所述两个信号并提供取决于对所述信号进行比较的结果的输出信号。所述输出信号依赖于所述两个方波脉冲序列的脉冲之间的差异。

Description

具有电容开关功能的电子电路

技术领域

本发明涉及改良型的、能够影响电子电路行为的电容传感器，特别是依据所述传感器检测到的电容的变化而作为开关工作的类型。

背景技术

在接下来的描述中，会特别提到用于控制家用电器的电容式传感器，但是应该理解，本发明适用于任何使用电容式“接触控制”传感器的工作应用。

众所周知，普遍需要不使用开关、按钮等或其它类型的机械控制来操作家用电器，有很多原因：

-一个原因在于费用；由于电子装置成本的不断降低，机械装置作为开关已经变得越来越不具竞争力；

-第二个原因来自于功能可靠性；作为事实，在潮湿以及一些不很清洁的环境中，家庭环境通常是这样，尘土很容易进入机械装置中，这最后可能会危及正常的工作。

-第三个原因与外部尺寸有关；众所周知，工业生产的机械装置呈现出的尺寸不能被缩减太多，这可能不利于审美以及一般的器具结构。

为了消除这些不利因素，已经开发出一些“接触控制”指令，其工作方式在于通过适当的电容传感器检测电容的变化，而这种变化影响预定的开关/选择电路的操作。

所述电容变化是由使用者对适当的家用表面进行简单的接近或接触所产生的，从而在下层的设备上对应地产生上述的电容变化。

在本领域中已知很多能检测电容变化的电路，它们可以按照电路类型被分为“分压器”、“桥接”电路、或者基于适当的多频振荡器的频率变化的电路。

这种电路通常是有效的，而且从工作的观点来看也是可靠的；然而，它们也确实表现出共同的缺点，它们很昂贵而且会受到更多问题的影响，例如它们容易不平衡和不能校准。

此外，由于环境中可能产生静电电压，以及所使用的低电压电子元件的特性，会碰到一些显著的安全问题，因此导致整体的可靠性问题。

例如，日本专利(申请)10154037使用了稳压二极管以及其它元件来解决接触传感器上可能的电压过高所引起的问题；然而，该专利要使用大量很昂贵的电子元件；而且这个专利并不能解决可能产生的有害的不平衡问题。

美国6583676 B2公开了一种能够检测接近/接触信号的电路，设有能够执行自动校准的设备和工作模式；然而，即使在该案例中自动校准并不能完全避免所述电路偶然的不平衡，因此有启动有害输出信号的风险。

发明内容

基于前述的考虑，本发明的目的在于，提供一种能够自动地、从本质上补偿驱动电容的水平的任何无意的变化。

而且，这样的电路必须能容易地利用现有的技术生产，并在最终的成本以及执行的可靠性上具有竞争力。

这些目的通过一种特殊类型的电路得以实现，该电路设有此类的工作装置及控制装置，并且根据后附的权利要求中详述的特性进行工作。

附图说明

本发明可以根据其优选的、但并非唯一的实施例实现，下面将参照附图仅仅通过非限制性的实例详细地描述和说明，在图中：

图1是本发明的电路的实现方式的整体原理图，

图2示出了人体相对于环境中设置的电容传感器的电容性连接的简化的示意性电路，

图3示出了图1的电路的优选实施例的一般原理图，

图4示出了图3的传感器的放大图，

图5在同一图表中象征性地示出了理想方波电路(squaring circuit)的工作原理，

图6示出了一些表示分别在两个工作阶段在本发明的电路的各个点检测到的脉冲波形的图表。

具体实施方式

本发明的主要目的是构建一种“桥接”电路，即典型的对称电路，其中通过适当的比较装置对两个名义上类似的电学量进行比较，能够产生与所述比较的结果相对应的信号。

已知在待命(stand-by)情况下，也就是当基本上对称的“桥接”电路在两个对称点收到两个类似的电信号，会产生正常编码且低水平的信号，这种情况已经被认识到并同样可以通过被下达了合适指令利用电路进行处理。

相反，所述的两个信号不同，则产生不同的信号，并且可以充分地理解和利用这样的差异。

“桥接”电路的优点在于，如果两个被比较的输入信号通过类似的方式修改，例如由于相关电路中使用元件的特性有相同的偏离，那么特征在于比较两个输入信号的“桥接”电路就不再能够检测到这些信号之间的相对的修改，于是继续产生好像所述两个输入信号没有修改的情况所对应的信号。

总之，“桥接”电路记录并检测输入信号之间的相对变化，并提供与所述差异相对应的输出信号。

参照图2，本发明是基于“电容耦合”的原理在这里得以说明。处于与电容传感器2接触或者靠近于电容传感器2的位置的人体改变了所述传感器所测得的电容。

现代的电容技术是基于“电荷转移”原理。手指接触玻璃(塑料、石头、陶瓷以及大多数的木头)会吸收一些电荷耦合并减少耦合的电荷。然后，传感器的处理电路的信号由处理器读取。足够的传感器信号变化会指示出接触。

参照图1，根据本发明的电路包括：

-脉冲发生器1，

-两个输入电阻或阻抗R1、R2，它们分别有末端与所述脉冲发生器连接，

-两个输入电容器C1、C2，它们分别有末端接地(G)，而另外的末端TP2、TP1分别与每个所述输入电阻各自的另外的末端连接；

-两个脉冲信号的方波电路或逻辑触发器S1、S2，它们的输入连接与所述另外的末端2、3相连并适于按照后面将要解释的功能进行工作，

-装置“D”，能够比较所述两个脉冲方波电路S1、S2的两个输出信号，并可以在各自的输出端“TP3”上提供各自的输出信号。

因此，所述比较器电路是已知为“XOR”的电路，并且例如通过类型为74HC86的设备制成。

至于所述两个逻辑电路S1和S2(触发器)，它们可以由具有生成并将具有预定幅度的方波脉冲信号转换为输出的性能的逻辑电路组成，其时间长度对应于具有不规则形状的近似脉冲的输入信号达到、超过以及保持在预定的阈值水平的时间间隔；应该理解，当所述输入信号返回到低于所述阈值时，方波输出信号终止。

参照图5，在通常的逻辑门的输出特性中，高水平和低水平之间的过渡区域是非常不确定的，因为相关的信号不可能非常陡峭。

相反，本领域公知的Schmitt触发器则显示出两个非常陡峭的开关阈值。

从零输入电压Vi开始，触发器的输出Vo保持在高水平，直到Vi超过所谓的较高阈值Vt。只有当输入电压下降到低于较低阈值Vs时，输出才从低水平返回到高水平。

图5的图表中的两幅图明显示出，Schmitt触发器被用作有效的方波装置，即将任意形状的信号转换成方波。

电路“D”为比较电路，例如74HC86型；其功能是产生脉冲输出信号，其中任意输出脉冲的前沿与来自两个方波电路中预定的一个的脉冲的前沿同步，而且其后沿与来自另一个方波电路的脉冲的前沿同步。

通过这种方式，该比较电路“D”产生脉冲序列，其时间长度仅取决于来自方波电路的脉冲之间的时间间隔或延迟。

图1示出了完全对称的电路，在比较器的上游。

图3则示出了实际的电路，其中可以看出阻抗R1和R2呈现出不同的值(2.2k和10M)。这是由于两个电容器C1和C2具有不同的电容，同样通过不对称的方式实现。

事实上，电容器C1由类似环形的第一电极4和第二电极5构成，第一电极4基本上是平面的，为内部开口的环形物，第二电极5由设置在所述第一电极4的周界内侧的平面构成。

电容器C2由放置在所述第一和第二电极4、5之间的环形的第三电极6构成，C2的另一个电极同样由C1的外侧类似环形的电极4提供，于是该电极形成两个电容器共用的电极。

然后，所述外侧类似环形的电极4接地G。

由于相关的结构很不相同，因此C1和C2的电容显然不同。

然而，这样的结构布局是有用的，而且是仅通过使用者的动作以非对称的方式同时改变两个电容的强制性要求；事实上，如果手指接近所述电容器的中心区域，即接近电极5，由于前面解释过的原因，这样操作确实使两个电容器C1和C2的电容都发生了改变，但是这种变化在它们之间是有差别的。

现在参照图6，左栏中的图表以象征性的方式描绘了使用者的手指没有接近两个电容器C1和C2时，指定的点处的脉冲的形状，即这时两个电容器的电容仅依赖于其几何布置；右栏中的图表示出了当两个电容器C1和C2的电容改变时，例如当手指接触中心的电极5时，对应的脉冲如何变化，当然是在相同的测量点。

因此，没有接触两个电容器C1和C2时，来自于脉冲发生器1的脉冲序列在点TP1和TP2生成两个几乎直线上升的脉冲序列(由于R1和R2值的差异至少部分地补偿了电容器之间的电容差异)，因此两个对应的方波脉冲序列在点TP4和TP5(左栏)同样几乎直线上升。

这些信号经过比较电路“D”处理后，生成一列时间长度t1非常有限的脉冲“H”。

相反，如果手指接近两个电容器的中心区域，则(图6，右栏)C1和C2的两个电容以不同的方式变化，并且由于阻抗R1和R2保持不变，点TP1和TP2处各自的脉冲序列发生变化，至少它们前沿的形状会发生变化。

因此，两个方波电路S1和S2生成两个各自的方波信号，两个信号在除相位，即起始时间，之外的所有特征上都极其类似，而且在比较电路“D”中引入的这些方波信号生成由序列脉冲“K”构成的相关的输出信号，脉冲“K”具有比刚刚描述的脉冲“H”长的时间长度t2。

本领域技术人员能够认识到两个信号“H”和“K”之间的差异并可以根据公知的技术加以利用，利用已知的装置和步骤，通过这些信号激活对应的控制电路。

优选地，电路“D”产生的输出信号可以不仅是脉冲类型的，而是，参照图1，在比较器“D”的输出点TP3上设有常规的整流(levelling)电路C3-R3，其本身是公知的；这样的电路有效地整流输出信号，因此对应于刚说明过的两个工作阶段，在标记为“KEY”的点，提供了两个相应的信号，这两个信号均为常量，直流(D.C)但是具有不同的幅值，0.5V和1.5V，如图6中下部的两个图表所示，其它的无需进一步解释。

因此，现在根据本发明的电路的操作及工作方式应该是清楚的；手指不接触电极5时，C1和C2的电容保持其初始值，电路在点TP1和TP2处呈现出下述的脉冲，在电路S1和S2适当的方波转换动作之后，电路“D”进行随后的比较，产生时间长度为t1的脉冲序列“H”；当对电极进行实际接触时，产生了具有明显不同于t1的时间长度t2的脉冲序列“K”；利用这样的差异产生要发送到后面的控制器以及激活器的指令，所述控制器和激活器执行与接触特定电极5相对应的预定操作。

Claims (8)

1.一种电子电路，用于检测电容变化，特别用于家用电器，其特征在于，所述电子电路能够检测两个不同的接触电容器(C1，C2)的有差别的电容变化，所述电子电路包括能够将常规的脉冲发生器产生的、经过两个滤波器(R1，C1-R2，C2)滤波的信号转换为方波的装置，其中各个电容器(C1，C2)就是上述的接触电容器(C1，C2)，每个电容器的各有一个终端接到公共的地(G)，

而且，所述装置还能够比较所述方波脉冲序列(TP4，TP5)的两个信号，并且能够提供取决于所述信号比较结果的输出信号(KEY)。

2.根据权利要求1所述的电子电路，其特征在于，所述输出信号(KEY)取决于所述方波脉冲序列的脉冲(H，K)之间的相位差。

3.根据权利要求2所述的电子电路，其特征在于，所述电子电路包括：

脉冲发生器(1)，

两个输入阻抗(R1，R2)，每个阻抗具有各自的一个与所述脉冲发生器连接的终端，

两个接触电容器(C1，C2)，每个接触电容器具有各自的一个与公共的地(G)连接的终端，并且各自的另一个终端(5，6)与所述输入阻抗(R1，R2)的另一个终端连接，

两个能够将脉冲信号转换为方波的电路(S1，S2)，所述电路的输入端与所述输入阻抗(R1，R2)的各自的所述另一个终端(5，6)连接，

比较装置(D)，能够比较来自所述两个方波电路(S1，S2)的输出信号，而且能够在各个输出端(TP3)上提供输出信号(KEY)。

4.根据权利要求3所述的电子电路，其特征在于，所述比较装置(D)为能够比较两个脉冲输入信号的电路(XOR)，并且能够根据所述两个脉冲输入信号(TP4，TP5)之间是否存在预定水平的相位差来提供预定的逻辑信号(KEY)。

5.根据权利要求4所述的电子电路，其特征在于，所述输出端(TP3)通过与输出电容器(C3)串联的输出电阻(R3)连接到所述的地(G)，并且最后流出的电压(KEY)在所述输出电阻(R3)和所述输出电容器(C3)之间的位置提取。

6.根据上述权利要求中任意一项所述的电子电路，其特征在于，所述方波电路为两个Schmitt触发器。

7.根据权利要求2或3所述的电子电路，其特征在于，所述两个接触电容器(C1，C2)具有不同的电容值，两个输入阻抗(R1，R2)具有不同的值，而且这些值的大小使得各自产生的脉冲序列具有基本上类似的幅度以及相同的相位。

8.根据从权利要求2开始的任意权利要求所述的电子电路，其特征在于，所述两个接触电容器(C1，C2)包括各自的电极对，其中第一电容器(C1)由类似环形的第一电极(4)和第二电极(5)组成，所述第一电极基本上是平面的并且是内部开口的，所述第二电极由设置在所述第一电极(4)的周界内侧的平面构成，所述第二电容器(C2)由放置在所述第一和第二电极(4，5)之间的环形的第三电极(6)构成，而所述第二电容器(C2)的另一个电极同样由所述第一电容器(C1)的外侧类似环形的电极(4)构成，所述类似环形的外侧电极(4)接地(G)。

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