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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausgehend von der eingangs beschriebenen und zuvor ergänzend erläuterten Schaltungsanordnung liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Schaltungsanordnung anzugeben.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang der monostabilen Kippschaltung ein von ihrem Ausgangssignal bzw. ihren Ausgangssignalen steuerbarer Konstantstromgenerator nachgeschaltet ist und daß an den Konstantstromgenerator ein den vom Konstantstromgenerator gelieferten Strom in die Signalspannung umwandelnder Integrator angeschlossen ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 monostabilen 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.
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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.
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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
DE 198 13 013 C2 verwiesen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Kapazitätsänderung aus der Erfassungsanzahl der Ansteuersignale zu bestimmen; mit Erfassungsanzahl ist die Anzahl der Ansteuersignale vom Beginn eines Erfassungszeitraums bis zum Auslösen des Erfassungssignals gemeint.
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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.
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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.
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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.
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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 erläuterten 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird ergänzend verwiesen auf die dem Schutzanspruch 1 nachgeordneten Schutzansprüche 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.
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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 Sensorkondensators 1 kann die Schaltungsanordnung ”ansprechen”, zum Beispiel ein Öffnen oder Schließen der Tür eines Kraftfahrzeugs einleiten oder ermöglichen.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung als Integrator 9 ein Kondensator vorgesehen. Entsprechendes zeigen folglich auch die 2 bis 5.
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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.
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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.
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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.
