CN107210736B - 操作电容传感器的脉冲发生器的方法及脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种操作脉冲发生器(1)的方法，脉冲发生器(1)用于生成具有10ns至200ns范围内的可调脉冲时间的电容传感器的测量脉冲，脉冲发生器(1)具有可控制的延迟电路(2)，可控制的延迟电路(2)包括第一积分RC组合(RT1/CT1)和第二积分RC组合(RT2/CT2)；具有两个输入端和一个输出端的逻辑组合元件(3)；初始化电路(5)和控制单元(4)，其中逻辑组合元件(3)的第一输入端接收时钟信号以及逻辑组合元件(3)的第二输入端从延迟电路(2)的输出端接收模拟设置信号SSE，其中生成两个同步时钟信号，其中第一时钟信号(T1)没有延迟地引导到逻辑组合元件(3)的第一输入端，并且第二时钟信号(T2)通过延迟电路(2)延迟并引导到逻辑组合元件(3)的第二输入端；借助于时变预加载信号(VL)生成时变输出脉冲，其中延迟电路(2)的输出端通过初始化开关(5)在每个测量脉冲之后被放电或充电。

Description

操作电容传感器的脉冲发生器的方法及脉冲发生器

技术领域

本发明涉及一种操作根据权利要求1的前序部分的电容传感器的脉冲发生器的方法，以及一种电容传感器的脉冲发生器。

此外，提供了包括根据本发明的脉冲发生器的电容传感器的所谓的前电路。

背景技术

电容传感器不仅在自动化技术中广泛传播，而且最近也在汽车行业中得到广泛应用，其中除其他外，它们可应用于行李箱或开门器或座椅占用检测。

它们具有可从外部受到影响的至少一个电极电容，其电极被提供有高频交流电。由进入交流电场的对象引起的电容变化通常被转换为可变长度的脉冲，以便改进另外的处理。这种装置也是由申请人制造和销售的。

为了避免错误的操作，使用多个电极，这可以更准确地分析情况。例如，雨，雪或落叶或无意的人类影响，如路过的人，必须以限定的方式与接近的手或脚进行明确区分。

包括充电脉冲输出的这种电容传感器装置在文献中被称为前端电子装置。

对于其操作，它需要用于生成短电脉冲的脉冲发生器。在DE 103 59 441A1中示出合适的脉冲发生器。

然而，这里，脉冲持续时间是不可调节的，这不利于实现具有不同脉冲长度的不同测量任务。

此外，该电路不适用于驱动数字组件，这也被认为是缺点。

称为“脉宽定时电路”的用于调节微处理器的时钟信号的脉宽的电路在US 2011/0080 201 A1中示出。这里，方波输入信号被提供给两个互补的RC元件。在本文中，互补意味着电容可以经由第一电阻路径快速再充电并且经由反向作用的第二电阻路径缓慢地再充电。在上述文献中，可变延迟时间由可变电容来设置以及脉冲持续时间由可变电容和/或电阻来设置。可调谐的电阻和电容被认为是不利的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于生成电容传感器的可变脉冲的方法，以及具有可调脉冲持续时间的脉冲发生器，这通常可用于避免这些缺点的各种测量任务。特别地可以省略可变电阻和电容。此外，脉冲发生器也应适用于驱动数字组件。

该目的根据权利要求1的特征部分实现。权利要求2涉及脉冲发生器。从属权利要求涉及本发明的有利实施例。

本发明的基本思想是生成时钟信号并将该时钟信号在两个不同的信号路径T1，T2提供给逻辑门3，其中第一信号路径T1不会显著延迟时钟信号和第二信号路径T2包括延迟电路2。延迟电路2包括在10ns和200ns之间的时间范围内具有短延迟时间常数RT1，CT1的第一积分RC元件。此外，延迟电路2包括具有第二较长预充电时间常数RT2，CT2(具有大于1μs的值)的第二积分RC元件。该RC元件通过预充电信号VL进行预充电，从而产生可控制的偏置电压，由此产生的脉冲持续时间变得时间可控制。延迟电路通过在其输出端的初始化开关S1分别循环放电和充电，以恢复限定的初始状态。

逻辑门3具有两个输入端和一个输出端LVA，在该输出端处产生要生成的脉冲。

因此，根据本发明的脉冲发生器适用于用于电容地检测对象的距离、速度或位置的所谓的前电路。这具有彼此耦合的至少两个电极电容，其电荷以已知的方式传送到充电脉冲输出。

在机动车辆中，这可以是座椅占用传感器、电容开门器或甚至后挡板开启器。

测量的值可用于生成二进制开关信号或生成可通过总线接口传输的二进制或模拟诊断信号。

附图说明

将参照附图更详细地解释本发明。

图1示出根据本发明的脉冲发生器1；

图2示出根据本发明的具有脉冲发生器的电容传感器的前电路；

图3至图10示出适用于实现本发明方法的脉冲发生器；和

图11示出图1中示出的脉冲发生器1的脉冲图。

具体实施方式

根据本发明的脉冲发生器1具有以下特征或组件：

-生成两个同步时钟信号的时钟生成单元，

-具有两个输入端和一个输出端的逻辑门3，

-第一时钟信号输入端连接到逻辑门3的第一输入端，

-第二时钟信号输入端连接到延迟电路的第一输入端，

-延迟电路包括以下子组件：

о具有在10ns至200ns的时间范围内的第一较短积分延迟时间常数RC1，CT1的第一RC元件；

о具有在大于1μs的时间范围内的第二较大积分预充电时间常数RT2，CT2的第二RC元件，其由可调节预充电信号VL进行预充电，

-延迟电路2的输出端连接到逻辑门3的第二输入端，

-逻辑门3的第二输入端配置成操作为阈值开关，

-逻辑门3的输出端连接到电容传感器电路的对应控制输入端，

-用于循环恢复限定的初始状态的初始化开关S1，

-提供以下输出信号的控制单元4(微控制器)：

о连接到输入端T1的至少一个时钟信号，

о可选地，连接到输入端T2的另外的时钟信号，

о连接到延迟电路的输入端VL的预充电信号，

о连接到初始化开关的控制输入端的初始化开关的控制信号IS，

о可选地，指定初始化开关的电压电位的控制信号IP。

第二时钟信号可以由控制单元4直接生成，或者可选地通过第一时钟信号的简单逻辑反相生成。根据本发明1的脉冲发生器1的操作的基本模式不会由此改变。

也用5表示的初始化开关S1可以被实施为分立的组件，例如作为模拟开关或开关晶体管，或者可以被内部集成在控制单元中。在这种情况下，初始化开关S1的控制信号仅在控制单元4的内部生成。然而，在下面的图中，为了说明功能，该开关被示为组件。

朝向地或朝向操作电压的初始化开关S1的操作的设置方向取决于脉冲发生器1的特定配置，即取决于AND门，NAND门，NOR门，EXOR门或更复杂的逻辑功能被选择用于逻辑门，响应于其他控制信号而生成期望行为的逻辑状态是不同的。通过使用适当的门类型而可变地控制输入端IP，可以生成正和负输出脉冲。

然而，在以下示例性实施例中，选择被限制为在图3至8中使用类型NAND施密特触发器的逻辑门，或图9和10中NAND门和在NAND门的输入端的施密特触发器的复合类型。

一起形成延迟时间常数的第一RC元件的组件RT1，CT1可以彼此一个接一个直接布置，如图1、3、5、7和9中示出的。

然而，在另一优选实施例中，组件RT1，CT1可以被布置，使得它们在功能上形成延迟时间常数，而不直接物理地彼此连接，如图4、6、8和10中示出的。在这里更靠近检查时，当然，获得CT2和CT1的串联电路用于延迟时间常数。然而，如果CT2的电容基本上大于CT1的电容，则两个实施例相对于效果几乎彼此不同，使得RT1，CT1基本上仍然是延迟时间常数的限定组件。

对于图4、6、8和10中的预充电时间常数RT2，CT2，在更靠近检查时，得到CT2和CT1的并联电路。然而，如果CT2的电容基本上大于CT1的电容，则两个实施例相对于效果几乎彼此不同，使得RT2，CT2仍然基本上是预充电时间常数的限定组件。

图4、6、8和10中优选示例性实施例的优点从所需的RT1，CT1的相对较短的预期脉冲时间和短的延迟时间常数产生，其可能在几纳秒的范围内。结果，通过在几千欧姆范围内的RT1的可靠地可应用的电阻值，获得在几个皮法范围内的相对小的电容值，这可能已经由寄生输入电容产生，以及因此是较差可限定的。因此，只有通过CT1和CT2的串联电路来实现期望的延迟时间常数所需的单独电容值的大小倾向于略大，才是有益的。

此外，逻辑门和放电开关的寄生输入电容无论如何都不可避免地平行于CT1，这甚至可以使电容器CT1在非常短的延迟时间可省去，使得CT1的功能已经通过寄生电容实现。这是特别成本有效的。

具有在模拟和数字技术领域以及EMC领域经验的专家能够自己获取根据图1、3、5、7和9或者根据图4、6、8和10选择两种布置变型的其他方面。

图2中示出的电路用于确定由9和10指定的电极E1和E2对地的电容。电容器Cu表示两个电极的互电容11。当然，可能还有测量电极。

电荷被转换成具有可变电荷量的脉冲，并转移到也被指定为电荷输出端12的较大且更容易读取的电容器CL。

两个电极电容9和10还分别包括电容器C7和C8，分别经由这里简化示出的330Ω电阻器(有用范围：50Ω...1kΩ)连接到电容器C10和C11。

电极电容9和10可以经由两个模拟开关S2和S3连接到充电脉冲输出端12的充电电容器CL或多路复用器7(74HC157)的输出端。

多路复用器7由单个脉冲发生器1提供必要的测量脉冲。脉冲发生器1和多路复用器7由有利地被实现为微控制器的控制和评估单元4控制。模拟开关S2和S3可以被容纳在例如集成电路LVC1G53中。多路复用器7可以是例如IC74(A)HC157。因此，可以将两个电极E1和E2同相或反相控制并进行评估。由此产生的结果可以例如经由总线接口6输出为二进制开关或诊断信号或者为其他模拟或数字“决定信号”。图2中示出的电路特别适用为机动车辆的开门器，例如，还可作为行李箱或后挡板开启器。

图3示出根据本发明的具有可调脉冲持续时间的脉冲发生器1作为图2中示出的电容传感器的前电路的一部分。根据本发明的脉冲发生器1用于生成上述电路的在10ns至200ns的时间范围内的测量脉冲。如在图11中示出的，测量脉冲的脉冲持续时间ti1，ti2可以通过控制和评估单元7可变地调节。为此，需要两个时钟信号：初始化开关的控制信号和时间可调节的预充电信号。预充电时间在0...20μs的范围内。

该电路的优点在于，上述时钟和控制信号仍然可以通过使用具有小于20MHz的时钟频率的商业可得到的微控制器来精确地生成。

由控制和评估单元4生成的第一时钟信号T1被提供给逻辑门3的第一输入端。在该情况中第二反相时钟信号T2在延迟电路2的输入端被提供，并且基本上被时间常数RT1，CT1转换成积分E函数，所述积分E函数出现在延迟电路2的输出端处并从那里引导到逻辑门3的第二输入端。延迟电路2具有另外较大的时间常数RT2，CT2，其中通过电阻器RT2和预充电输入端VL为电容器CT2提供时变预充电信号。

在逻辑门3的输出端LVA处生成测量脉冲。由于第二时间常数RT2，CT2大于第一时间常数CT1，RT1，逻辑门3的第二输入端的可调节的偏置电压通过该第二较慢的充电过程来生成。

也由控制和评估单元4控制的初始化开关5在逻辑门3的输出端LVA循环发生的每个测量脉冲之后提供状态“LoZ”用于延迟电路的放电或充电。

图4示出了图3的基本电路，但具有CT1的优选的备选布置。

图5示出了根据本发明1的脉冲发生器1，其中由控制单元生成仅单个时钟信号T2，而在这种情况下需要反相的第二时钟信号T1通过借助反相元件进行反相来获得。

图6示出了图5的基本电路，但具有CT1的优选的备选布置。

图7示出根据本发明的脉冲发生器1，其中提供给延迟电路2的信号被反相(T2)，而非延迟时钟信号T1由控制单元生成并被直接引导到逻辑门3的输入端。

图8示出图7的基本电路，但具有CT1的优选的备选布置。

图9示出根据本发明的脉冲发生器1，其中使用两个同相时钟信号T1和T2，其中逻辑门3的逻辑功能在这种情况下包括反相输入端，其由反相施密特触发器实现。

图10示出图8的基本电路，但具有CT1的优选的备选布置。

图11示出了图1和3中示出的脉冲发生器1的脉冲图。

在每个新脉冲之前，延迟电路通过初始化开关5放电或充电，在作为时间的函数的最上面的信号线上示出输出状态(LoZ＝低阻抗，HiZ＝高阻抗)。

在预充电信号VL正下方的第二信号线中示出延迟电路被预充电。预充电信号可以是可变的。示出具有不同长度的两个预充电信号，根据本发明，其在延迟电路的输出端和逻辑门3的阈值开关输入端的节点SSE处生成不同的偏置电压。

通过作为“时钟信号T1”的图的第三信号线中示出的第一时钟信号T1的正边沿，逻辑门3的输出端LVA从“高”转换到“低”，这在“阈值开关输出端ti”处第六信号线中示出。同时，作为“时钟信号T2”的图的第四信号线中示出的第二时钟信号T2开始经由RT1对CT1放电，这在第五信号线中示出。取决于延迟时间常数RT1，CT1，在逻辑门3的阈值开关输入端的节点SSE处，逻辑门3的“阈值低”指定的阈值电平被下冲，如在第六信号线中示出的，将其输出状态再次从低变为高。

通过可变的预充电信号VL，延迟电路在节点SSE处接收可变的偏置电压，由此开关阈值被下冲的时间也变化，从而生成期望的可变的脉冲持续时间。如可以从通过不同预充电示出的两个示例看出，CT1的近似指数放电过程的增加或减小导致不同的脉冲长度，其在此由两个时间ti1和ti2示出。随后，由初始化开关5对延迟电路的输出端进行再充电，以恢复限定的初始状态。

限定用于操作脉冲发生器1的方法

-生成两个同步时钟信号T1，T2，

-第一时钟信号T1驱动逻辑门3的第一输入端，

-第二时钟信号T2驱动延迟电路的第一输入端，

-延迟电路取决于积分延迟时间常数RC1，CT1将第二时钟信号转换为模拟输出信号，从而生成在10ns至200ns的时间范围内时间延迟，

-延迟电路的输出端被引导到操作为阈值开关的逻辑门3的第二输入端，

-延迟电路在第二输入端处接收时变预充电信号VL，其中积分预充电时间常数RT2，CT2在大于1μs的时间范围内，使得延迟电路由可调节的预充电信号预充电，

-逻辑门3的输出端LVA以可变脉冲持续时间驱动电容传感器电路的对应控制输入端，

-初始化开关对延迟电路2的输出端进行充电和放电，用于循环恢复限定的初始状态，

-控制器(微控制器)4提供以下输出信号：

о至少第一时钟信号Takt_1或T1，

о可选地，另一时钟信号Takt_2或T2，

о驱动延迟电路2的预充电输入端的时变预充电信号VL，

о驱动初始化开关S1的控制输入端的控制信号IS，

о可选地，限定初始化开关5(S1)1的电压电位的控制信号IP。

参考标号列表

1 用于生成测量脉冲的脉冲发生器

2 可控制的延迟电路，其中RC组合RT1，CT1，RT3，CT2

3 逻辑门，例如具有触发输入端的NAND门

4 控制和评估单元，(微控制器)

5 初始化开关，S1

6 总线接口

7 多路复用器

9 测量电极E1的电容

10 测量电极E2的电容

11 测量电极的互电容

12 充电脉冲输出

Claims (6)

1.一种操作脉冲发生器(1)的方法，所述脉冲发生器(1)用于生成具有10ns至200ns范围内的可调脉冲持续时间的电容传感器的测量脉冲，所述脉冲发生器(1)包括可控制的延迟电路(2)，所述可控制的延迟电路(2)包括第一积分RC组合RT1/CT1和第二积分RC组合RT2/CT2；具有两个输入端和一个输出端的逻辑门(3)；初始化开关(5)和控制单元(4)，其中所述逻辑门(3)的第一输入端接收第一时钟信号T1以及其第二输入端从延迟电路(2)的输出端接收模拟调节信号SSE，其特征在于，

生成同步的第二时钟信号T2，其中第一时钟信号T1没有延迟地提供给所述逻辑门(3)的所述第一输入端，并且第二时钟信号T2通过所述延迟电路(2)延迟并作为所述模拟调节信号SSE提供给所述逻辑门(3)的第二输入端；

通过用于对所述第二积分RC组合RT2/CT2预充电的时变预充电信号VL，生成具有可变的脉冲持续时间的在所述逻辑门的所述输出端的所述测量脉冲，其中所述延迟电路(2)的所述输出端通过所述初始化开关(5)在每个测量脉冲之后被放电或充电。

2.用于执行根据权利要求1所述的方法的脉冲发生器(1)。

3.根据权利要求2所述的脉冲发生器(1)，其特征在于，第二积分RC组合RT2/CT2的第二时间常数大于第一积分RC组合RT1/CT1的第一时间常数。

4.根据权利要求2或3所述的脉冲发生器(1)，其特征在于，应用在电容传感器中，其中，所述控制单元(4)用于评估测量信号并输出二进制开关信号和/或诊断信号。

5.根据权利要求2或3所述的脉冲发生器(1)，其特征在于，应用于在电容传感器中，其中，所述控制单元(4)用于评估测量信号，并且经由总线接口(6)输出二进制开关信号和/或诊断信号。

6.根据权利要求2或3所述的脉冲发生器(1)，其特征在于，应用在机动车辆中的电容传感器中。

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