-
Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Kapazität bzw. einer
Kapazitätsänderung
eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements, mit einer Steuerungseinheit,
mit einer von der Steuerungseinheit angesteuerten monostabilen Kippschaltung
und mit einer Auswerteeinheit, wobei die monostabile Kippschaltung
einen an die Steuerungseinheit angeschlossenen ersten Eingang, einen
mit dem kapazitiven Schaltungs- oder Bauelement verbundenen zweiten
Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei beim Ansteuern der monostabilen
Kippschaltung durch die Steuerungseinheit am Ausgang der monostabilen
Kippschaltung ein Ausgangssignal entsteht oder Ausgangssignale entstehen,
dessen bzw. deren Zeitdauer zur Kapazität der kapazitiven Schaltungs-
oder Baueinheit proportional ist, wobei das Ausgangssignal bzw.
die Ausgangssignale der monostabilen Kippschaltung in eine zu seiner
bzw. ihrer Zeitdauer proportionale Signalspannung umgewandelt wird
bzw. werden und wobei in der Auswerteeinheit aus der Signalspannung
ein der Kapazität
bzw. einer Kapazitätsänderung
des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements entsprechender Erfassungswert
gewonnen wird.
-
Im
Rahmen der Erfindung ist mit "Kapazität" der Kapazitätswert eines
kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements gemeint; eine "Kapazitätsänderung" meint folglich eine Änderung
des Kapazitätswertes
eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements. Mit "Erfassung" der Kapazität bzw. einer
Kapazitätsänderung
ist im Rahmen der Erfindung sowohl eine nur qualitative Erfassung
als auch eine quantitative Erfassung, also eine echte Messung, gemeint. "Kapazitives Schaltungs-
oder Bauelement" meint
im Rahmen der Erfindung jedes Schaltungselement und jedes Bauelement,
das kapazitive Eigenschaften hat, häufig auch als Kapazität bezeichnet wird,
wobei dann nicht der Kapazitätswert
gemeint ist. Ein "kapazitives
Schaltungs- oder Bauelement" ist insbesondere
ein Kondensator. Als "kapazitives Schaltungs-
oder Bauelement" wird
im Rahmen der Erfindung aber auch die Elektrode eines kapazitiven Näherungsschalter,
im Zusammenwirken mit einem Beeinflussungskörper, bezeichnet. "Kapazitives Schaltungs-
oder Bauelement" meint
im Rahmen der Erfindung z. B. aber auch die Kapazität, die miteinander
kapazitiv wirkende Leitungen darstellen. Nachfolgend wird statt
von einem "kapazitiven
Schaltungs- oder Bauelement" auch
von einem Sensorkondensator gesprochen, ohne daß damit eine Einschränkung auf
einen Kondensator im engeren Sinne verbunden ist.
-
Kippschaltungen
sind mitgekoppelte Digitalschaltungen (vergleiche Tietze/Schenk "Halbleiter-Schaltungstechnik", 12. Auflage, Seite
600). Sie unterscheiden sich von den mitgekoppelten Linearschaltungen
(Oszillatoren) dadurch, daß ihre
Ausgangsspannung sich nicht kontinuierlich ändert, sondern nur zwischen
zwei festen Werten hin und her springt. Der Umkippvorgang kann auf
verschiedene Weise ausgelöst
werden. Eine monostabile Kippschaltung, die zu der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gehört,
besitzt nur einen stabilen Zustand. Der zweite Zustand ist nur für eine bestimmte,
durch die Dimensionierung festgelegte Zeitdauer stabil. Nach Ablauf
dieser Zeitdauer kippt die Schaltung wieder von alleine in den stabilen
Zustand zurück.
Sie wird deshalb auch als Zeitschalter, Monoflop, Univibrator oder
Oneshot bezeichnet. Monostabile Kippschaltungen können ganz
unterschiedlich realisiert werden (siehe zum Beispiel Tietze/Schenk, aaO,
Seiten 603 und 604, 608 und 609 sowie 618 bis 620). Zu ihrer Realisierung
können
insbesondere logische Bauelemente miteinander verknüpft werden, zum
Beispiel XOR, Äquivalenz,
AND, NAND, NOR, OR oder/und ein Flip-Flop.
-
Bei
der bekannten Schaltungsanordnung, von der die Erfindung ausgeht
(vergleiche die
DE 102 58 417
B3 ), erzeugt die Steuerungseinheit, ein Taktgenerator,
eine niederfrequente Taktfolge, zum Beispiel mit einer Taktfrequenz
von 1 kHz, und ist dem Ausgang der monostabilen Kippschaltung ein
Tiefpaßfilter
nachgeschaltet, an dessen Ausgang die Signalspannung abgegriffen
werden kann.
-
Ausgehend
von der eingangs beschriebenen und zuvor ergänzend erläuterten Schaltungsanordnung
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte
Schaltungsanordnung anzugeben.
-
Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ist zunächst
und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang der monostabilen Kippschaltung
ein von ihrem Ausgangssignal bzw. ihren Ausgangssignalen steuerbarer
Kon stantstromgenerator nachgeschaltet ist und daß an den Konstantstromgenerator
ein den vom Konstantstromgenerator gelieferten Strom in die Signalspannung
umwandelnder Integrator angeschlossen ist.
-
Für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
gilt, wie für
die Schaltungsanordnung, von der die Erfindung ausgeht, daß am Ausgang
der monostabilen Kippschaltung ein Ausgangssignal entsteht oder
Ausgangssignale entstehen, dessen bzw. deren Zeitdauer zur Kapazität der kapazitiven
Schaltungs- oder Baueinheit proportional ist. Folglich wird der
erfindungsgemäß dem Ausgang
der monostabilen Kippschaltung nachgeschaltete Konstantstromgenerator
in Abhängigkeit
von der Zeitdauer des Ausgangssignals bzw. der Ausgangssignale gesteuert. Im
einfachsten Fall kann der Konstantstromgenerator durch das Ausgangssignal
bzw. die Ausgangssignale der monostabilen Kippschaltung für dessen
bzw. deren Zeitdauer eingeschaltet werden. Während der Zeitdauer, in der
der Konstantstromgenerator – durch das
Ausgangssignal bzw. die Ausgangssignale der monostabilen Kippschaltung – eingeschaltet
ist, liefert der Konstantstromgenerator Strom in den Integrator,
wodurch eine zur Zeitdauer des Ausgangssignals bzw. der Ausgangssignale
der monostabilen Kippschaltung proportionale Signalspannung entsteht.
Da die Zeitdauer des Ausgangssignals bzw. der Ausgangssignale der
monostabilen Kippschaltung proportional zur Kapazität der kapazitiven Schaltungs-
oder Baueinheit ist, ist die am Integrator abgreifbare Signalspannung
proportional der Kapazität
bzw. der Kapazitätsänderung,
die erfaßt
werden soll.
-
Zuvor
ist immer zum Ausdruck gebracht worden, daß beim Ansteuern der monostabilen
Kippschaltung durch die Steuerungseinheit am Ausgang der monostabilen
Kippschaltung ein Ausgangssignal entsteht oder Ausgangssignale entstehen.
Da es um ein Ausgangssignal oder um Ausgangssignale am Ausgang einer
monostabilen Kippschaltung geht, hängt die Frage, ob ein Ausgangssignal
oder Ausgangssignale entstehen, natürlich davon ab, wie die monostabile
Kippstufe – von
der Steuerungseinheit – angesteuert
wird; ein Ansteuersignal führt
zu einem Ausgangssignal, mehrere Ansteuersignale führen zu mehreren
Ausgangssignalen. Erfindungsgemäß kann sowohl
mit einem Ausgangssignal – und
folglich mit einem Ansteuersignal der Steuerungseinheit – als auch
mit mehreren Ausgangssignalen – und
folglich mit mehreren Ansteuersignalen der Steuerungseinheit – gearbeitet
werden. Die Steuerungseinheit ist natürlich entsprechend auszulegen.
-
Wenn
zuvor und im folgenden immer von einem Ausgangssignal oder von mehreren
Ausgangssignalen und von einem Ansteuersignal oder von mehreren
Ansteuersignalen gesprochen wird, so ist das immer bezogen auf einen
Erfassungszeitraum. Soll die Erfassung der Kapazität bzw. einer
Kapazitätsänderung
eines kapazitiven Schaltung- oder Bauelements kontinuierlich erfolgen,
so folgt auf jeden Erfassungszeitraum ein neuer Erfassungszeitraum, jedem
Ansteuersignal und jedem dadurch generierten Ausgangssignal im nächsten Erfassungszeitraum ein
neues Ansteuersignal und ein neues davon generiertes Ausgangssignal;
entsprechendes gilt, wenn in einem Erfassungszeitraum mit mehreren
Ansteuersignalen und mehreren davon generierten Ausgangssignalen
gearbeitet wird.
-
Unverzichtbare
Funktion der Steuerungseinheit ist das Generieren von mindestens
einem Ansteuersignal zum Ansteuern der monostabilen Kippschaltung.
Vorzugsweise ist die Steuerungseinheit so ausgeführt, daß sie ein rechteckförmiges Ansteuersignal
oder rechteckförmige
Ansteuersignale zur Verfügung
stellt. Dazu kann die Steuerungseinheit einen Oszillator aufweisen
und kann dann von der Oszillatorspannung – in vielfach bekannter Weise – das rechteckförmige Ansteuersignal
bzw. die rechteckförmigen
Ansteuersignale abgeleitet werden.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
kann die monostabile Kippschaltung so ausgeführt sein, daß nur die
ansteigende Flanke oder nur die abfallende Flanke des rechteckförmigen Ansteuersignals
bzw. der rechteckförmigen
Ansteuersignale der Steuerungseinheit bei der monostabilen Kippschaltung
den Kippvorgang auslöst
bzw. auslösen.
Insbesondere dann, wenn nur mit einem Ansteuersignal der Steuerungseinheit
und folglich einem Ausgangssignal der monostabilen Kippschaltung
gearbeitet wird, kann nur mit der ansteigenden Flanke oder nur mit
der abfallenden Flanke des rechteckförmigen Ansteuersignals gearbeitet
werden, weil nämlich
dann tatsächlich
am Ausgang der monostabilen Kippschaltung nur ein Ausgangssignal
entsteht. Insbesondere dann, wenn jedoch mit mehreren Ansteuersignalen
der Steuerungseinheit und folglich mehreren Ausgangssignalen am
Ausgang der mono stabilen Kippschaltung gearbeitet wird, kann es
sich empfehlen, die monostabile Kippschaltung so auszuführen, daß sowohl
die ansteigende Flanke als auch die abfallende Flanke der rechteckförmigen Ansteuersignale
der Steuerungseinheit bei der monostabilen Kippschaltung den Kippvorgang
auslösen.
Läßt man sowohl
die ansteigende Flanke als auch die abfallende Flanke des Ansteuersignals
der Steuerungseinheit bei der monostabilen Kippschaltung den Kippvorgang
auslösen,
so erhält
man auf einfache Weise bei einer bestimmten Anzahl von Ansteuersignalen der
Steuerungseinheit die doppelte Anzahl von Ausgangssignalen der monostabilen
Kippschaltung. Soll bei der monostabilen Kippschaltung also mit
der Taktfrequenz fT gearbeitet werden, so
genügt
eine Ansteuersignalfrequenz fA der Steuerungseinheit
von fT/2.
-
Weiter
oben ist ausgeführt,
daß vorzugsweise
die Steuerungseinheit einen Oszillator aufweist und von der Oszillatorspannung
das Ansteuersignal bzw. die Ansteuersignale abgeleitet werden. Ohne weiteres,
das heißt
ohne ergänzende
Maßnahmen, liegt
dann eine Folge von Ansteuersignalen vor, wobei die Ansteuersignalfrequenz
fA der Oszillatorfrequenz fO entspricht.
Wird das nicht gewünscht,
so kann schon in der Steuerungseinheit dafür gesorgt werden, daß Ansteuersignale
entstehen, deren zeitliche Folge nicht der zeitlichen Folge der
Oszillatorspannung entsprechen. Es kann aber auch dafür gesorgt
werden, daß in
der monostabilen Kippschaltung nur jedes n-te – n gleichbleibend oder variabel – Ansteuersignal
der Steuerungseinheit bei der monostabilen Kippschaltung den Kippvorgang
auslöst.
-
Im übrigen kann
es auch zweckmäßig sein, daß die Steuerungseinheit
als Ansteuersignal ein binäres
Zufallssignal oder ein Pseudo-Random-Noise-Signal zur Verfügung stellt.
Dadurch kann eine relativ niedrige EMV-Emission erreicht werden.
Zu der Problematik der EMV-Emission wird im übrigen ergänzend auf den Offenbarungsgehalt
der deutschen Patentschrift 198 13 013 verwiesen.
-
Weiter
oben ist ausgeführt,
daß unverzichtbare
Funktion der Steuerungseinheit das Generieren von mindestens einem
Ansteuersignal zum Ansteuern der monostabilen Kippschaltung ist.
Das deutet bereits an, daß die
Steuerungseinheit auch weitergehend eingesetzt werden kann.
-
In
bezug auf die zu der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gehörende Steuerungseinheit ist
eine weitere Lehre der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinheit – zusätzlich zu dem
Ansteuersignal bzw. den Ansteuersignalen – ein Konstantstromgeneratorbeeinflussungssignal
zur Verfügung
stellt, wobei mit dem Konstantstrombeeinflussungssignal die Stromstärke des
Konstantstromgenerators beeinflußt werden kann, insbesondere gesteuert
oder geregelt werden kann. Diese Beeinflussung der Stromstärke des
Konstantstromgenerators kann zunächst
außerhalb
eines Erfassungszeitraums erfolgen; dann kann also mit Hilfe des Konstantstromgeneratorbeeinflussungssignals
die Stromstärke
des Konstantstromgenerators eingestellt werden, die während des
Erfassungszeitraums wirksam sein soll. Möglich ist auch, durch das Konstantstromgeneratorbeeinflussungssignal
die Stromstärke
des Konstantstromgenerators während des
Erfassungszeitraums, aber außerhalb
des Zeitraums, in dem am Ausgang der monostabilen Kippschaltung
ein Ausgangssignal ansteht, zu beeinflussen, also einzustellen.
Schließlich
ist es aber auch möglich,
das Konstantstromgeneratorbeeinflussungssignal die Stromstärke des
Konstantstromgenerators während
seines Betriebes beeinflussen zu lassen, also während der Zeit, in der der
Konstantstromgenerator von einem Ausgangssignal der monostabilen
Kippschaltung angesteuert ist; bei dieser Variante liefert also
der Konstantstromgenerator – nur – einen
quasi-konstanten Strom.
-
Weiter
unten wird noch erläutert,
welchen Sinn es machen kann, durch die Steuerungseinheit ein Konstantstromgeneratorbeeinflussungssignal
zur Verfügung
stellen zu lassen und damit den Konstantstromgenerator zu beeinflussen,
insbesondere hinsichtlich der Stromstärke zu steuern oder zu regeln.
-
Wie
weiter oben ausgeführt,
kann die zu der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gehörende
monostabile Kippschaltung ganz unterschiedlich realisiert werden.
Nach einer weiteren Lehre der Erfindung ist sie jedoch vorzugsweise
an ihrem mit dem kapazitiven Schaltungs- oder Bauelement verbundenen
zweiten Eingang relativ niederohmig ausgeführt. "Relativ niederohmig" ist dabei zu reflektieren an dem relativ
hochohmigen Anteil der Impedanz des kapazitiven Schaltungs- oder
Bauelements, dessen Kapazität
bzw. Kapazitätsänderung
erfaßt
werden soll. Die zuvor beschriebene Ausführung der monostabilen Kippschaltung
führt dazu,
daß die
resistiven Anteile des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements
das Ergebnis der Erfassung nur wenig beeinflussen. Das ist z.B.
von Bedeutung bei Schaltungsanordnungen für Sensorkondensatoren mit einer
Ansprechelektrode und einer Bezugselektrode, wenn die Ansprechelektrode
der Türgriff
eines Kraftfahrzeugs ist und als resistiver Anteil Feuchtigkeit,
insbesondere Regen, von Bedeutung sein kann.
-
Wie
ausgeführt,
gehört
zu der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ein an den Konstantstromgenerator angeschlossener Integrator, der
den vom Konstantstromgenerator gelieferten Strom in die Signalspannung
umwandelt. Als Integrator ist vorzugsweise ein Kondensator vorgesehen.
Das bietet sich deshalb an, weil bekanntlich die Spannung an einem
Kondensator dem Integral des in den Kondensator fließenden Stromes über der
Zeit entspricht, bei einem in den Kondensator fließenden konstanten Strom
also die Spannung linear mit der Zeit ansteigt.
-
Unverzichtbare
Funktion der Auswerteeinheit ist das Generieren eines – hier und
nachfolgend – Erfassungswert
genannten Ansprechwertes bei einer nur qualitativen Erfassung bzw.
Meßwertes
bei einer quantitativen Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung
eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements. Unter der Voraussetzung, daß diese
Funktion sichergestellt ist, kann die Auswerteeinheit ganz unterschiedlich,
nahezu beliebig ausgeführt
sein. Eine bevorzugte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist jedoch dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit einen
Komparator aufweist, der die Signalspannung mit einem Schwellwert
vergleicht und dann, wenn die Signalspannung den Schwellwert erreicht hat,
ein Erfassungssignal ausgelöst
wird. Dabei – aber
auch unabhängig
davon – empfiehlt
es sich, die Auswerteeinheit eingangsseitig mit einem Analog/Digital-Wandler
zu versehen und mit dem Analog/Digital-Wandler an den Ausgang des
Integrators anzuschließen.
-
Innerhalb
der Auswerteeinheit kann die Erfassung der Kapazität oder Kapazitätsänderung
in unterschiedlicher Weise erfolgen. Eine Möglichkeit besteht darin, die
zu erfassende Kapazität
oder Kapazitätsänderung
aus der Erfassungszeit zu bestimmen; mit Erfassungszeit ist die
Zeitdauer vom Beginn eines Erfassungszeitraums bis zum Auslösen des
Erfassungssignals gemeint. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die
zu erfassende Kapazität
oder Ka pazitätsänderung
aus der Erfassungsanzahl der Ansteuersignale zu bestimmen; mit Erfassungsanzahl ist
die Anzahl der Ansteuersignale vom Beginn eines Erfassungszeitraums
bis zum Auslösen
des Erfassungssignals gemeint.
-
Unverzichtbare
Funktion der Steuerungseinheit ist das Generieren mindestens eines
Ansteuersignals für
die monostabile Kippschaltung. Die Steuerungseinheit kann jedoch
auch für
weitere Funktionen ausgelegt sein. Das ist weiter oben schon einmal für eine erste
bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
erläutert
worden, bei der nämlich
die Steuerungseinheit – zusätzlich zu
dem Ansteuersignal bzw. den Ansteuersignalen – ein Konstantstromgeneratorbeeinflussungssignal
zur Verfügung
stellt.
-
Bei
einer in bezug auf die Ausgestaltung der Steuerungseinheit zweiten
bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
stellt die Steuerungseinheit – zusätzlich zu dem
Ansteuersignal bzw. den Ansteuersignalen – ein Zuschaltsignal zur Verfügung, mit
dem ein zweiter Konstantstromgenerator zuschaltbar ist, die im zugeschalteten
Zustand gleichsinnig oder gegensinnig zum ersten Konstantstromgenerator
auf den Integrator einwirkt.
-
Bei
einer in bezug auf die Ausgestaltung der Steuerungseinheit dritten
bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung stellt
die Steuerungseinheit – zusätzlich zu
dem Ansteuersignal bzw. den Ansteuersignalen – ein weiteres Zuschaltsignal
zur Verfügung,
ist ein zweiter Konstantstromgenerator oder ein Entladewiderstand
vorgesehen, ist mit dem zweiten Zuschaltsignal der zweite Konstantstromgenerator
gegensinnig zum ersten Konstantstromgenerator oder der Entladewiderstand
zuschaltbar und wird die zu erfassende Kapazität oder Kapazitätsänderung
aus der Entladezeit bestimmt; mit Entladezeit ist die Zeitdauer
vom Beginn der Entladung durch den zweiten Konstantstromgenerator
oder durch den Entladewiderstand bis zum Unterschreiten eines Schwellwerts
gemeint.
-
Bei
einer in bezug auf die Ausgestaltung der Steuerungseinheit vierten
bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung stellt
die Steuerungseinheit – zusätzlich zu
dem Ansteuersignal bzw. den Ansteuersignalen und ggf. zusätzlich zu
dem einen und/oder dem anderen zuvor erläu terten Zuschaltsignal – ein drittes
Zuschaltsignal zur Verfügung,
mit dem ein zweiter Integrator zuschaltbar ist, der im zugeschalteten
Zustand gleichsinnig oder gegensinnig zum ersten Integrator wirkt. Dabei
kann als zweiter Integrator wiederum ein Kondensator vorgesehen
sein. Der Kapazitätswert
des zweiten Kondensators kann in etwa dem Kapazitätswert des
ersten Kondensators entsprechen, der Kapazitätswert des zweiten Kondensators
kann aber auch klein sein gegenüber
dem Kapazitätswert
des ersten Kondensators.
-
Weiter
oben ist ausgeführt
worden, daß die Steuerungseinheit – zusätzlich zu
dem Ansteuersignal bzw. den Ansteuersignalen – ein Konstantstromgeneratorbeeinflussungssignal
zur Verfügung
stellen kann, mit dem der Konstantstromgenerator hinsichtlich der
Stromstärke
des von ihm gelieferten Stroms beeinflußt werden kann, insbesondere
gesteuert oder geregelt werden kann. Diese zusätzliche Lehre der Erfindung
und die zuvor aufgezeigten zusätzlichen
Lehren der Erfindung, nämlich
die Steuerungseinheit auch ein erstes Zuschaltsignal und ggf. ein zweites
Zuschaltsignal zur Verfügung
stellen zu lassen sowie ein zweiter Konstantstromgenerator vorzusehen
und ggf. einen zweiten Integrator vorzusehen, sind insbesondere
von Bedeutung für
die bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
bei der die Auswerteeinheit einen Analog/Digital-Wandler aufweist.
Bei Analog/Digital-Wandlern kommt es ja bekanntlich auf die Auflösung an.
Diese Auflösung
kann durch die zuvor angesprochenen Maßnahmen erhöht werden. Jede dieser Maßnahmen
für sich,
mehrere dieser Maßnahmen zusammen
und vor allem alle aufgezeigten Maßnahmen zusammen können so
eingesetzt werden, daß eine
maximale Auflösung
erreicht wird, daß also
das, was der jeweils eingesetzte A/D-Wandler – durch die Anzahl seiner Bits – kann,
auch ausgenutzt wird.
-
Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
weist gegenüber
der Schaltungsanordnung, von der die Erfindung ausgeht, erhebliche
Vorteile auf, die teilweise bereits durch die grundsätzliche Lehre
der Erfindung, teilweise bei den bevorzugten Ausführungsformen
erreicht sind. So erlaubt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zunächst eine
besonders schnelle Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung
eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements; Erfassungszeiten von
weniger als 100 μs
sind erreichbar. erreichbar ist auch eine relativ niedrige EMV-Emission, – ein Vorteil,
dem in der letzten Zeit zunehmend Bedeutung zugekommen ist und noch
weiter erhebliche Bedeutung zukommen wird. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ist nicht nur vorteilhaft in Bezug auf die Problematik der EMV-Emission in aktiver
Hinsicht, das heißt
in Bezug auf die Reduzierung oder Vermeidung von Störabstrahlungen
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
sie ist auch vorteilhaft in Bezug auf die Problematik der EMV-Emission in
passiver Hinsicht, das heißt
in Bezug auf Störeinstrahlungen.
Von erheblichem Vorteil ist auch die Tatsache, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
in besonders einfacher Weise so realisiert werden kann, daß resistive
Anteile des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements das Ergebnis
der Erfassung nur wenig oder gar nicht beeinflussen.
-
Erfindungsgemäß geht es
um eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Kapazität bzw. einer
Kapazitätsänderung
eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelement. Das, was zuvor erläutert worden
ist, macht die Lehre der Erfindung bei der Erfassung der Kapazität eines
kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements ohne weiteres nachvollziehbar. Dies
wird aber auch ohne weiters nachvollziehbar, wenn man sich für die Erfassung
einer Kapazitätsänderung
eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements vorstellt, daß der Kapazitätswert des
entsprechenden kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements zunächst als
Referenzwert gespeichert wird. Dann kann eine Kapazitätsänderung,
reflektiert an dem gespeicherten Referenzwert, ohne weiteres erfaßt werden.
-
Bei
bevorzugten Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
wird, wie ausgeführt,
die Stromstärke
des Konstantstromgenerators beeinfluß, insbesondere gesteuert oder
geregelt, wird ein zweiter Konstantstromgenerator vorgesehen und/oder
wird ein zweiter Integrator vorgesehen. Die Auswirkungen dieser
Maßnahmen,
die auf den ersten Blick die Erfassung der Kapazität bzw. einer
Kapazitätsänderung
eines kapazitiven Schaltungs- oder
Bauelements kompliziert erscheinen lassen, sind jedoch mit moderner
Technologie beherrschbar, zum Beispiel dann, wenn diese Auswirkungen
in der Auswerteeinheit berücksichtigt
werden, insbesondere durch Mikroprozessoren.
-
Im
Stand der Technik sind Meß-,
Steuer- und Regelgeräte
bekannt, bei denen eine Fensterfunktion realisiert ist. Es kann
auch vorteilhaft sein, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit
einer Fensterfunktion zu realisieren, also dafür zu sorgen, daß Ansteuersignale
der Steuerungseinheit oder/und Ausgangssignale der monostabilen
Kippschaltung nur während
eines – vorzugsweise
einstellbaren – Zeitfensters
wirksam sind. Das kann in ganz unterschiedlicher Weise realisiert
werden, beispielsweise dadurch, daß mit einem ersten Ansteuersignal
als Startsignal und einem zweiten Ansteuersignal als Fenstersignal
gearbeitet wird und das von dem ersten Ansteuersignal generierte
Ausgangssignal der monostabilen Kippschaltung und das Fenstersignal auf
eine Torschaltung gegeben werden.
-
Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
kann auch dann besonders vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die
Kapazität
bzw. eine Kapazitätsänderung
von mehreren kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementen erfaßt werden
soll. Dann kann nämlich
mit nur einer Steuerungseinheit, nur einer monostabilen Kippschaltung,
nur einem Konstantstromgenerator, nur einem Integrator und/oder
nur einer Auswerteeinheit gearbeitet werden, wenn für die einzelnen
Bauelemente nach dem Prinzip des Zeitmultiplexbetriebes gearbeitet
wird.
-
Zur
Verfeinerung der Ausmessung kann durch Mehrfachmessung nach der
Integration ein Oversampling durchgeführt werden, wozu die Signalspannung
langsam verändert
wird, zum Beispiel durch eine Entladung des Integrators.
-
Des
weiteren sei noch darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gleichsam
auch invers betrieben werden kann. Mit einem inversen Betrieb ist
hier gemeint, daß alle
Ladevorgänge,
das heißt
das Aufintegrieren des von dem Konstantstromgenerator gelieferten
Stroms, auch als Entladevorgänge
betrieben werden können.
-
Schließlich befaßt sich
eine weitere Lehre der Erfindung mit einer Schaltungsanordnung zur
Erfassung der Kapazitäten
bzw. Kapazitätsänderungen von
zwei – oder
mehreren – kapazitiven
Schaltungs- oder/und Bauelementen; nachfolgend wird immer von nur
zwei Schaltungs- oder/und Bauelementen ausgegangen. Diese Schaltungsanordnung
ist nach einer weiteren Lehre der Erfindung, der besondere Bedeutung
zukommt, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite von der Steuerungseinheit
angesteuerte monostabile Kippschaltung vorgesehen ist, die zweite
monostabile Kippschaltung einen mit dem zweiten kapazitiven Schaltungs-
oder Bauelement verbundenen zweiten Eingang aufweist, beim Ansteuern
der zweiten monostabilen Kippschaltung durch die Steuerungseinheit
am Ausgang der zweiten monostabilen Kippschaltung ein Ausgangssignal
entsteht oder Ausgangssignale entstehen, dessen bzw. deren Zeitdauer
zur Kapazität
der zweiten kapazitiven Schaltungs- oder Baueinheit proportional
ist, daß der
Ausgang der ersten monostabilen Kippschaltung und der Ausgang der
zweiten monostabilen Kippschaltung an ein Verknüpfungsglied angeschlossen sind
und daß der
Konstantstromgenerator an den Ausgang des Verknüpfungsglieds angeschlossen
ist. Bei dieser erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
kann also die einfache Summe, die einfache Differenz oder ein anderweitiges
Verknüpfen
der Kapazität
bzw. der Kapizitätsänderung
von zwei oder mehreren kapazitiven Schaltungs- oder/und Bauelementen
erfaßt
werden.
-
Im
einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird ergänzend verwiesen auf die dem
Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und auf die nachfolgende
Erläuterung
in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen die 1 bis 5 jeweils
in Form von Blockschaltbildern unterschiedliche Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
-
Die
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen
dienen der Erfassung der Kapazität
bzw. einer Kapazitätsänderung
eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelements. In den dargestellten
Ausführungsbeispielen
geht es jeweils um die – qualitative
oder quantitative – Erfassung
der Kapazität
eines Sensorkondensators 1. Dieser – in den Figuren als normaler
veränderlicher
Kondensator dargestellte – Sensorkondensator 1 kann
aus einer Ansprechelektrode und einer Bezugselektrode bestehen,
wobei die Bezugselektrode Masse sein kann. Die Ansprechelektrode
kann zum Beispiel der Türgriff
eines Kraftfahrzeugs sein. Dann dient die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zur qualitativen Erfassung der Kapazität des beschriebenen Sensorkondensators 1; beim Über- und Unterschreiten
eines vorgegebenen Kapazitätswerts
des Sensorkondensa tors 1 kann die Schaltungsanordnung "ansprechen", zum Beispiel ein Öffnen oder
Schließen
der Tür
eines Kraftfahrzeugs einleiten oder ermöglichen.
-
Zu
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gehört
jeweils eine Steuerungseinheit 2, eine von der Steuerungseinheit 2 angesteuerte
monostabile Kippschaltung 3 und eine Auswerteeinheit 4.
Die monostabile Kippschaltung 3 weist auf einen an die
Steuerungseinheit 2 angeschlossenen ersten Eingang 5,
einen mit dem Sensorkondensator 1 verbundenen zweiten Eingang 6 und
einen Ausgang 7. Beim Ansteuern der monostabilen Kippstufe 3 durch die
Steuerungseinheit 2 entsteht bzw. entstehen am Ausgang 7 der
monostabilen Kippschaltung 3 ein Ausgangssignal bzw. Ausgangssignale,
dessen bzw. deren Zeitdauer zur Kapazität des Sensorkondensators 1 proportional
ist. Das Ausgangssignal bzw. die Ausgangssignale der Kippschaltung 3 wird
bzw. werden in eine zu seiner bzw. ihrer Zeitdauer proportionale
Signalspannung umgewandet. In der Auswerteeinheit 4 wird
aus der Signalspannung ein der Kapazität des Sensorkondensators 1 entsprechender
Erfassungswert gewonnen.
-
Bei
allen in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Schaltungsanordnungen
ist dem Ausgang 7 der monostabilen Kippschaltung 3 ein
von ihrem Ausgangssignal bzw. ihren Ausgangssignalen steuerbarer
Konstantstromgenerator 8 nachgeschaltet und ist an den
Konstantstromgenerator 8 ein den vom Konstantstromgenerator 8 gelieferten
Strom in die Signalspannung umwandelnder Integrator 9 angeschlossen.
-
Dazu,
welche Form das bzw. die von der Steuerungseinheit 2 generierte
Ansteuersignal bzw. generierten Ansteuersignale haben, wie das Ansteuersignal
bzw. die Ansteuersignale gewonnen werden und wie das Ansteuersignal
bzw. die Ansteuersignale die monostabile Kippschaltung 3 ansteuern,
wird auf die weiter oben gemachten Ausführungen verwiesen.
-
Vorzugsweise
ist bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
als Integrator 9 ein Kondensator vorgesehen. Entsprechendes
zeigen folglich auch die 2 bis 5.
-
Für das in 3 dargestellte
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gilt ergänzend,
daß die
Steuerungseinheit 2 – zusätzlich zu
dem Ansteuersignal bzw. den Ansteuersignalen – ein Konstantstromgeneratorbeeinflussungssignal
zur Verfügung
stellt, mit dem die Stromstärke
des Konstantstromgenerators 8 beeinflußt werden kann, insbesondere
gesteuert oder geregelt werden kann. Das Konstantstromgeneratorbeeinflussungssignal
gelangt von der Steuerungseinheit 2 über die dargestellte Verbindung 10 zum
Konstantstromgenerator 8.
-
Für das in 4 dargestellte
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gilt, daß die
Steuerungseinheit 2 – zusätzlich zu dem
Ansteuersignal bzw. den Ansteuersignalen – ein Zuschaltsignal und daß ein zweiter
Konstantstromgenerator 11 vorgesehen ist, mit dem Zuschaltsignal der
zweite Konstantstromgenerator 11 zuschaltbar ist und der
zweite Konstantstromgenerator 11 im zugeschalteten Zustand
gleichsinnig oder – wie
dargestellt – gegensinnig
zum ersten Konstantstromgenerator 8 auf den Integrator 9 einwirkt.
Das ist in der 4 durch einen von der Steuerungseinheit 2 betätigbaren,
den zweiten Konstantstromgenerator 11 ein- bzw. ausschaltbaren
Schalter 12 dargestellt.
-
Für das in 5 dargestellte
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gilt, daß die
Steuerungseinheit 2 – zusätzlich zu dem
Ansteuersignal bzw. den Ansteuersignalen – ein weiteres Zuschaltsignal
zur Verfügung
stellt, daß ein zweiter
Integrator 13 vorgesehen ist, ausgeführt – wie der erste Integrator 9 – als Kondensator,
daß mit
dem weiteren Zuschaltsignal der zweite Integrator 13 zuschaltbar
ist und daß der
zweite Integrator 13 im zugeschalteten Zustand gleichsinnig
oder gegensinnig zum ersten Integrator 9 wirkt. Das ist
in der 5 durch einen von der Steuerungseinheit 2 betätigbaren,
den zweiten Integrator 13 zu- bzw. abschaltbaren Schalter 14 dargestellt.