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Technischer Hintergrund
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Diese
Erfindung betrifft die kapazitive Erfassung zum Erkennen des Vorhandenseins
oder der Berührung eines Objektes in der Nähe
eines Sensors. Insbesondere betrifft die Erfindung die kapazitive
Mehrkanal-Erfassung.
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Kapazitive
Sensoren sind in letzter Zeit in Benutzerschnittstellen und zur
Bedienung von Maschinen immer gebräuchlicher und üblicher
geworden, z. B. zum Vorsehen von berührungsempfindlichen
Tasten zum Aktivieren von Funktionen einer Einrichtung, die bedient
wird. Kapazitive Positionssensoren werden auch in Nicht-Schnittstellen-Anwendungen
eingesetzt, z. B. in Anwendungen zur Füllstandsmessung.
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1 zeigt
schematisch einen bekannten Typ eines kapazitiven Sensors
2,
der entsprechend der in
US 5,730,165 und/oder
US 6,466,036 beschriebenen
Ladungsübertragungstechnik betrieben werden kann. Der Sensor
dient zur Messung der Kapazität Cx einer Erfassungselektrode
4 gegenüber
einem System-Referenzpotenzial (Masse). Die von der Erfassungselektrode
zum System-Massepotenzial vorgesehene Kapazität kann somit
als äquivalent zu einem Kondensator betrachtet werden,
der die Kapazität Cx hat und bei dem ein Anschluss mit
Masse verbunden ist, und kann als Erfassungskondensator bezeichnet
werden.
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Die
spezifische Anwendung für den Sensor 2 ist für
die Zwecke dieser Beschreibung nicht bedeutsam. In diesem Beispiel
wird jedoch angenommen, dass der Sensor 2 dazu benutzt
wird, das Vorhandensein eines zeigenden Fingers 8 in der
Nähe der Erfassungselektrode 4 zu erkennen. Wenn
sich kein Finger in der Nähe der Erfassungselektrode 4 befindet,
ist ihre Kapazität gegenüber Masse relativ klein. Wenn
sich ein Finger in der Nähe der Erfassungselektrode 4 befindet
(wie in 1), wird die Kapazität der
Elektrode gegenüber Masse erhöht, da das zeigende
Objekt eine kapazitive Kopplung Cx zu einer virtuellen Masse vorsieht. Änderungen
der gemessenen Kapazität der Erfassungselektrode sind somit
ein Hinweis auf Änderungen des Vorhandenseins eines benachbarten
Objektes (z. B. eines Fingers bei einem berührungsempfindlichen
Bedienelement oder einer Flüssigkeit in einem Füllstandssensor).
Der Sensor in 1 ist ein Einkanal-Sensor dahingehend,
dass er in der Lage ist, die Kapazität einer einzelnen
Erfassungselektrode 4 zu messen.
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Zusätzlich
zur Erfassungselektrode 4 umfasst der Sensor 2 einen
Mikrocontroller 6 und einen Abtastkondensator Cs. Der Mikrocontroller 6 ist
ein programmierbares Allzweck-Bauelement, das konfiguriert ist,
die unten beschriebene Funktionalität vorzusehen.
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Das
Vorsehen des Erfassungskanals erfordert die Verwendung von zwei
Anschlüssen des Mikrocontrollers 6, und diese
sind in 1 mit P1 und P2 bezeichnet.
Die Anschlüsse P1 und P2 des Mikrocontrollers 6 können
in einer definierten Sequenz auf High-Pegel oder auf Low-Pegel gelegt
werden, wenn der Controller sein Programm auf die übliche
Weise ausführt. Dies wird in 1 schematisch
durch eine Reihe von Schaltern S1, S2, S3 und S4 im Mikrocontroller 6 dargestellt.
Schalter S1 verbindet Anschluss P1 wahlweise mit dem Betriebs-Logikpegel
+V des Mikrocontrollers – dies entspricht dem Anlegen eines High-Pegels
an den Anschluss P1. Der Schalter S2 verbindet Anschluss P1 wahlweise
mit dem System-Referenzpotenzial (Masse) des Mikrocontrollers – dies
entspricht dem Anlegen eines Low-Pegels an den Anschluss P1. Nur
einer oder der andere (oder keiner von beiden) von S1 und S2 kann
zu einem beliebigen Zeitpunkt geschlossen sein. Auf die gleiche Weise
legen die Schalter S3 und S4 wahlweise Anschluss P2 nach Bedarf
auf High- oder Low-Pegel.
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Zusätzlich
dazu, dass er in der Lage ist, Anschluss P1 entsprechend seiner
Programmbefehle auf High- oder Low-Pegel zu legen, ist der Mikrocontroller
auch in der Lage, einen Messungskanal M vorzusehen, der an Anschluss
P1 angeschlossen ist (d. h. Anschluss P1 ist ein I/O-Anschluss).
Der Messungskanal umfasst einen einfachen Komparator, der eingerichtet
ist, eine Eingangsspannung an Anschluss P1 mit einem Schwellwert-Pegel
Mthresh zu vergleichen. Typischerweise kann
der Schwellwert-Pegel die Hälfte der Betriebsspannung des
Mikrocontrollers sein (d. h. Mthresh = +V/2).
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Der
Abtastkondensator Cs ist an die Anschlüsse P1 und P2 angeschlossen.
Die Erfassungselektrode 4 ist an Anschluss P2 angeschlossen.
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2 zeigt
eine Tabelle, in der eine Schalter-Betätigungssequenz für
den Sensor aus 1 schematisch dargestellt ist,
um die Kapazität der Erfassungselektrode 4 gegenüber
System-Masse zu messen. Die Sequenz durchläuft eine Reihe
von Schritten beginnend bei Schritt 1, wie in der linken Spalte
gezeigt. Die Spalten mit der Überschrift S1 bis S4 zeigen
den Zustand der jeweiligen Schalter in jedem Schritt. Ein ”X” in
der Tabelle kennzeichnet, dass der entsprechende Schalter geschlossen
ist, während ein ”O” kennzeichnet, dass
der entsprechende Schalter geöffnet ist. Die Spalten mit
der Überschrift P1 und P2 zeigen den Spannungspegel der
entsprechenden Anschlüsse in jedem Schritt. Ein Tabelleneintrag ”LOW” kennzeichnet,
dass der entsprechende Anschluss auf Low-Pegel gelegt wird, ein
Tabelleneintrag ”HIGH” kennzeichnet, dass der
entsprechende Anschluss auf High-Pegel gelegt wird, wobei wenn der
Anschluss nicht auf High- oder Low-Pegel gelegt wird, sein ”freier” Spannungspegel
angegeben wird. Die letzte Spalte enthält kurze Kommentare
zu dem Schritt.
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Schritt
1 ist ein Initialisierungs-/Reset-Schritt. Die Schalter S2 und S4
sind geschlossen, so dass die Anschlüsse P1 und P2 beide
auf Low-Pegel gelegt werden. Hierdurch werden die Erfassungselektrode 4 auf
Masse gelegt und der Abtastkondensator Cs kurzgeschlossen, so dass
sich auf beiden keine Ladung befindet.
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Schritt
2 ist ein Aufladeschritt, in dem nur der Schalter S1 geschlossen
ist. Somit wird Anschluss P1 auf High-Pegel gelegt, während
Anschluss P2 potenzialfrei ist. Die an Anschluss P1 vorgesehene Spannung
+V lädt somit die Reihenschaltung des Abtastkondensators
Cs und des Erfassungskondensators Cx auf.
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Der
Abtastkondensator Cs und der Erfassungskondensator Cx sehen einen
kapazitiven Teiler zwischen +V und Masse vor. Die Spannung an Anschluss
P2 an der gemeinsamen Verbindung der Kondensatoren ist die Spannung über
Cx (d. h. V(Cx)). Diese ist von den relativen Kapazitäten
Cs und Cx abhängig. D. h. V(Cx) = V·Cs/(Cs + Cx)
entsprechend der bekannten Beziehung für einen kapazitiven
Spannungsteiler. Die Spannung über dem Abtastkondensator
Cs ist V(Cs), wobei V(Cs) = V – V(Cx). D. h. V(Cs) = V·(Cx/(Cs
+ Cx)).
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Schritt
3 ist ein Messungsschritt, in dem nur der Schalter S4 geschlossen
ist. Somit ist Anschluss P1 potenzialfrei, und Anschluss P2 wird
auf Low-Pegel gelegt. Das Anlegen des Low-Pegels an Anschluss P2
bedeutet, (i) dass die Ladung auf Cx entfernt wird (nach Masse abfließt),
und (ii) dass Anschluss P1 die Spannung V(Cs) erreicht, die während des
Aufladeschrittes 2 über dem Abtastkondensator angelegt
wurde. Somit ist die Spannung an Anschluss P1 V(Cs) = V·(Cx/(Cs
+ Cx)). Die Spannung an P1 hängt somit von der Kapazität
des Erfassungskondensators Cx ab, die von der Erfassungselektrode 4 vorgesehen
wird. Im Prinzip kann diese Spannung gemessen werden, um eine Angabe
für die Kapazität des Erfassungskondensators vorzusehen.
In der Praxis wird die durch den einzelnen Ladezyklus in Schritt
2 vorgesehene Spannung V(Cs) jedoch klein sein (weil Cx << Cs). Um eine stabilere Messung der
Kapazität Cx des Sensors 2 vorzusehen, ist der
Sensor in der Lage, die Schritte 2 und 3 wiederholt auszuführen
(d. h. ohne den Reset-Schritt 1 auszuführen). Bei jeder
Wiederholung der Schritte 2 und 3 wird die Ladung des Abtastkondensators
schrittweise erhöht. Somit erhöht sich die Spannung
V(Cs) nach jeder Wiederholung der Schritte 2 und 3 asymptotisch
in Abhängigkeit von der Größe des Erfassungskondensators
Cx (der Anstieg ist asymptotisch, weil in aufeinander folgenden
Wiederholungen wegen der bereits auf dem Abtastkondensator Cs befindlichen
Ladung weniger Ladung hinzugefügt wird).
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Nach
einer Anzahl dieser Ladezyklen (d. h. einer Impulsfolge) kann die
Spannung an Anschluss P1 gemessen und als eine Messgröße
für Cx genommen werden. Dies erfordert jedoch, dass der
Messkanal M des Mikrocontrollers 6, der Anschluss P1 zugeordnet
ist, die Fähigkeit aufweist, eine analoge Spannung zu messen.
Dies erfordert relativ komplizierte Schaltkreise. Somit ist es üblich,
nicht eine feste Anzahl von Impulsen auszugeben, sondern die Impulse
einfach solange auszugeben (d. h. die Schritte 2 und 3 zu wiederholen),
bis die Spannung V(Cs) einen Messungs-Schwellwert Mthresh erreicht,
wobei z. B. der Schwellwert typischerweise Mthresh =
V/2 ist. Die Anzahl von Ladezyklen, die erforderlich ist, damit die
Spannung über dem Abtastkondensator Cs den Messungs-Schwellwert überschreitet
(wie durch einen einfachen Komparator bestimmt) ist ein (inverses)
Maß für die Kapazität der Erfassungselektrode gegen
Masse, und ist somit eine Anzeige für die Nähe
oder sonstiges eines Objektes. Das Verfahren der ”variablen
Impulsfolgen-Länge” hat den Vorteil gegenüber
den Verfahren mit ”fester Impulsfolgen-Länge”,
dass ein Komparator anstelle einer komplizierteren Spannungsmessungs-Funktion
benutzt wird. Gleichwohl hat sich gezeigt, dass beide Verfahren
stabile und zuverlässige Messungen relativ kleiner Kapazitäten
vorsehen.
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Der
Sensor in 1 ist ein Einkanal-Sensor, der
in der Lage ist, die Kapazität einer einzelnen Erfassungselektrode
zu messen. In vielen Anwendungen besteht jedoch der Wunsch, die
Kapazitäten von zwei oder mehr Erfassungselektroden zu
messen, d. h. es besteht der Wunsch, einen kapazitiven Mehrkanal-Sensor
vorzusehen. Zum Beispiel wird der Entwickler eines Gerätes,
in dem eine Benutzerschnittstelle mit kapazitiven Sensoren eingesetzt
wird, typischerweise den Wunsch haben, mehr als eine berührungsempfindliche
Taste vorzusehen. Weiter ist es in anderen Anwendungen üblich,
einen Referenzkanal parallel zu einem ”echten” Erfassungskanal
vorzusehen. Zum Beispiel kann in einer Anwendung zur Füllstandsmessung
ein Referenzkanal mit einer Referenz-Erfassungselektrode verbunden
sein, die sich am Boden eines Behälters befindet, so dass
sich im Behälter immer Flüssigkeit in der Nähe
befindet. Eine Erfassungselektrode, die mit dem ”echten” Erfassungskanal
verbunden ist, kann in der Mitte des Behälters angeordnet
werden. Die gemessene Kapazität der Erfassungselektrode,
die mit dem ”echten” Erfassungskanal verbunden
ist, wird davon abhängig sein, ob sich die Flüssigkeit
im Behälter oberhalb oder unterhalb des Punktes in der
Mitte befindet (d. h. ob sie sich in der Nähe der Erfassungselektrode befindet
oder nicht). Die absoluten Messwerte der Kapazität werden
jedoch im Allgemeinen in Abhängigkeit von der Sensortoleranz,
Drift und den Eigenschaften der erfassten Flüssigkeit stark
variieren. Somit kann es schwierig sein, allein auf der Grundlage einer
absoluten Messung der Kapazität festzustellen, ob die Erfassungselektrode
des ”echten” Erfassungskanals sich in der Nähe
der Flüssigkeit im Behälter befindet oder nicht.
Durch Vorsehen des parallelen Referenzkanals kann jedoch die vom ”echten” Erfassungskanal
bestimmte Kapazität mit der vom Referenzkanal bestimmten
Kapazität verglichen werden. Wenn sie ähnlich
sind, kann angenommen werden, dass der Behälter mehr als
halb voll ist, wenn sie sich erheblich unterscheiden, kann angenommen
werden, dass der Behälter weniger als halb voll ist.
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3 zeigt
schematisch einen bekannten kapazitiven Zweikanal-Sensor 12.
Der Sensor 12 dient zur Messung erster und zweiter Kapazitäten Cx1,
Cx2 erster und zweiter Erfassungselektroden 14-1, 14-2 gegenüber
einem System-Referenzpotenzial (Masse). Der Zweikanal-Sensor 12 in 3 sieht zwei
Erfassungskanäle vor, indem er den Erfassungskanal aus 1 einfach
verdoppelt. Der Sensor 12 erfordert vier Anschlüsse
P1, P2, P3 und P4 eines geeignet programmierten Mikrocontrollers 16 und
zwei Abtastkondensatoren Cs1, Cs2. Die mit den jeweiligen Erfassungselektroden 14-1, 14-2 verbundenen
Erfassungskanäle sind tatsächlich vollständig unabhängig
voneinander, und jeder arbeitet einzeln auf die oben für
den in 1 gezeigten Sensor beschriebene Art und Weise.
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Sensoren,
die noch mehr Kanäle haben, können vorgesehen
werden, indem weitere Kopien des in 1 gezeigten
einzelnen Sensorkanals hinzugefügt werden. Die Erfinder
haben jedoch erkannt, dass es Nachteile hat, einfach n unabhängige
Kopien des einzelnen Sensorkanals aus 1 zu verwenden,
um einen kapazitiven m-Kanal-Sensor vorzusehen. Zum Beispiel erfordert
bei dieser Lösung jeder Sensorkanal zwei Verbindungen zum
Controller, so dass insgesamt 2 m Verbindungen, z. B. Mikrocontroller-Anschlüsse,
für einen m-Kanal-Sensor benötigt werden. Weiter
haben die Erfinder herausgefunden, dass die unabhängige
Beschaffenheit der Erfassungskanäle zu Problemen mit der
Konsistenz unter den Kanälen führen kann. Zum
Beispiel ist eine unterschiedliche Drift zwischen verschiedenen
Kanälen weit verbreitet, z. B. weil die Kanäle
ihre eigenen unterschiedlichen Abtastkondensatoren haben und diese
typischerweise relativ (und unterschiedlich) empfindlich gegen sich ändernde
Umgebungsbedingungen sind, wie z. B. Temperatur.
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In
manchen Fällen wird das sich unterschiedlich ändernde
Kanal-Ansprechverhalten, das mit bekannten Mehrkanal-Sensoren verbunden
ist, als nicht allzu problematisch betrachtet. Zum Beispiel könnte
dies der Fall sein, wo jeder Kanal hauptsächlich zur Erkennung
temporärer Änderungen seines eigenen Signals dient,
wie z. B. in einer einfachen Näherungssensor-Anwendung
mit zwei Zuständen. In diesen Fällen ist ein Vergleich
mit anderen Kanälen nicht erforderlich, und so ist das
sich ändernde relative Ansprechverhalten unterschiedlicher
Kanäle kein Problem. In manchen Fällen werden
jedoch die relativen Signale von einem Paar von Kanälen
der hauptsächlich interessierende Parameter sein. Zum Beispiel
dort, wo ein Kanal zum Vorsehen eines Referenzsignals zum Vergleich
mit einem anderen Kanal dient, wie es in einer Füllstandssensor-Anwendung
der Fall sein könnte.
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Folglich
besteht ein Bedarf an kapazitiven Mehrkanal-Sensoren, die eine verringerte
relative Drift zwischen Kanälen vorsehen und die auch bei steigender
Zahl von Kanälen weniger Verbindungen als bekannte Mehrkanal-Sensoren
erfordern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein kapazitiver Mehrkanal-Sensor
zum Messen der Kapazitäten einer Vielzahl von Erfassungselektroden
gegenüber einem System-Referenzpotenzial vorgesehen, wobei
der Sensor umfasst: einen Abtastkondensator, der einen ersten Anschluss
und einen zweiten Anschluss aufweist; eine erste Diode, die einen
ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators
gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer
ersten Erfassungselektrode gekoppelt ist; eine zweite Diode, die
einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des
Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist,
der mit einer zweiten Erfassungselektrode gekoppelt ist; und einen
Steuerungsschaltkreis, der in der Lage ist, ein Ansteuersignal an
den ersten Anschluss des Abtastkondensators anzulegen und ein Vorspannungssignal
an den zweiten Anschluss der ersten und/oder zweiten Diode anzulegen,
um wahlweise zu verhindern, dass die erste und/oder die zweite Diode
das Ansteuersignal durchlässt.
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Somit
können gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung die Kapazitäten von zwei oder mehr Erfassungselektroden
gemessen werden, wobei für jede Messung derselbe Abtastkondensator
und dieselben Ansteuerkanal-Schaltkreise verwendet werden. Dies
kann dazu beitragen, die Drift zwischen den Kanälen zu
verringern und so zum Beispiel einen zuverlässigeren Vergleich
zwischen gemessenen Kapazitäten erlauben.
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Die
ersten Anschlüsse der Dioden können Anoden und
die zweiten Anschlüsse können Kathoden sein, wobei
das Ansteuersignal ein relativ zum System-Referenzpotenzial auf
einen positiven Wert gehendes Signal umfasst. Hier kann das Vorspannungssignal
ein positives Signal umfassen, das an die Kathoden der jeweiligen
Dioden angelegt wird. Alternativ können die ersten Anschlüsse
der Dioden Kathoden und die zweiten Anschlüsse können
Anoden sein, wobei das Ansteuersignal ein relativ zum System-Referenzpotenzial
auf einen negativen Wert gehendes Signal umfasst. Hier kann das
Vorspannungssignal ein negatives Signal umfassen, das an die Anoden
der jeweiligen Dioden angelegt wird.
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Der
Steuerungsschaltkreis kann weiter in der Lage sein, die erste und/oder
zweite Erfassungselektrode temporär mit dem System-Referenzpotenzial zu
koppeln, um Ladung, die durch das Ansteuersignal mit der ersten
und/oder zweiten Erfassungselektrode gekoppelt wurde, wahlweise
zu entfernen. Dies erlaubt wiederholte Ladungs-Ansammlungs-Zyklen entsprechend
den allgemeinen Prinzipien einer auf Ladungstransfer beruhenden
kapazitiven Erfassung.
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Der
Steuerungsschaltkreis kann weiter in der Lage sein, an beide Anschlüsse
des Abtastkondensators temporär ein gemeinsames Reset-Signal
anzulegen, um Ladung zu entfernen, die durch das Ansteuersignal
auf dem Abtastkondensator angesammelt wurde. Hierdurch kann der
Sensor vor einer Kapazitätsmessung initialisiert werden.
Dies kann in Verbindung mit der Kopplung der ersten und/oder zweiten
Erfassungselektrode mit dem System-Referenzpotenzial durchgeführt
werden, um alle restliche Ladungen auf diesen Elementen zu entfernen.
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Der
Steuerungsschaltkreis kann weiter in der Lage sein, ein Signal zu
messen, das eine Angabe einer Ladungsmenge ist, die durch das Ansteuersignal auf
den Abtastkondensator gekoppelt wurde.
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Die
Steuerungseinheit kann in der Lage sein, den zweiten Anschluss des
Abtastkondensators mit dem System-Referenzpotenzial zu koppeln,
während das Signal gemessen wird, das eine Angabe einer Ladungsmenge
ist, die durch das Ansteuersignal auf den Abtastkondensator gekoppelt
wurde. Dies sieht eine einfache Art vor, zum Beispiel die Spannung über
dem Abtastkondensator zu messen.
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Das
Ansteuersignal kann ein oder mehrere Spannungsübergänge
umfassen. Der Steuerungsschaltkreis kann in der Lage sein, den zweiten
Anschluss des Abtastkondensators nach jedem Spannungsübergang
mit dem System-Referenzpotenzial zu koppeln.
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Das
Signal, das eine Angabe einer Ladungsmenge ist, die durch das Ansteuersignal
auf den Abtastkondensator gekoppelt wurde, kann ein Maß für die
Spannung am Abtastkondensator sein, nachdem die Steuerung eine vorher
festgelegte Anzahl von Spannungsübergängen angelegt
hat. Alternativ kann das Signal, das eine Angabe einer Ladungsmenge ist,
die durch das Ansteuersignal auf den Abtastkondensator gekoppelt
wurde, ein Zählwert einer Anzahl von Spannungsübergängen
sein, die von dem Steuerungsschaltkreis angelegt wurden, bevor ein
Messwert der Spannung am Abtastkondensator einen Messungs-Schwellwert überschreitet.
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Der
Steuerungsschaltkreis kann weiter in der Lage sein, einen Messwert
der Kapazität der ersten Erfassungselektrode mit einem
Messwert der Kapazität der zweiten Erfassungselektrode
zu vergleichen.
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Der
Steuerungsschaltkreis kann weiter in der Lage sein, ein Ausgangssignal
vorzusehen, das eine Angabe für einen Messwert der Kapazität
der ersten und/oder zweiten Erfassungselektrode ist, und/oder ein
Signal, das eine Angabe für einen Vergleich eines Messwerts
der Kapazität der ersten Erfassungselektrode mit einem
Messwert der Kapazität der zweiten Erfassungselektrode
ist.
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Der
kapazitive Mehrkanal-Sensor kann weiter eine dritte Diode enthalten,
die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss
des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss
aufweist, der mit einer dritten Erfassungselektrode gekoppelt ist,
wobei der Steuerungsschaltkreis weiter in der Lage ist, ein Vorspannungssignal an
den zweiten Anschluss der dritten Diode anzulegen, um wahlweise
zu verhindern, dass die dritte Diode das Ansteuersignal durchlässt.
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Allgemeiner
kann der kapazitive Mehrkanal-Sensor ferner mindestens eine weitere
Diode enthalten, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem
zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen
zweiten Anschluss aufweist, der mit einer aus einer entsprechenden
mindestens einen weiteren Erfassungselektrode gekoppelt ist, wobei
der Steuerungsschaltkreis weiter in der Lage ist, ein Vorspannungssignal
an eine oder mehrere aus der mindestens einen weiteren Diode anzulegen, um
wahlweise zu verhindern, dass die mindestens eine weitere Diode
das Ansteuersignal durchlässt.
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Der
Steuerungsschaltkreis kann einen Mikrocontroller umfassen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Einrichtung vorgesehen, die
einen Mehrkanal-Sensor gemäß dem ersten Aspekt
der Erfindung enthält.
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Die
Einrichtung kann zum Beispiel eine berührungsempfindliche
Benutzerschnittstelle enthalten, wobei die Erfassungselektroden
berührungsempfindliche Flächen vorsehen. In einem
weiteren Beispiel kann der Sensor in einer Anwendung zur Füllstandsmessung
eingesetzt werden. Zum Beispiel kann die Einrichtung einen Behälter
zur Aufnahme einer variablen Menge eines Materials aufweisen, und der
Mehrkanal-Sensor kann angeordnet sein, dass die Kapazität
der ersten Erfassungselektrode von einem Stand des Materials in
dem Behälter abhängt, und die Kapazität
der zweiten Erfassungselektrode nicht von einem Stand des Materials
in dem Behälter abhängt, wodurch eine Messung
der Kapazität der zweiten Erfassungselektrode eine Referenzmessung zum
Vergleich mit einer Messung der Kapazität der ersten Erfassungselektrode
vorsieht.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen der Kapazitäten
einer Vielzahl von Erfassungselektroden gegenüber einem
System-Referenzpotenzial vorgesehen, wobei das Verfahren umfasst:
Vorsehen eines Abtastkondensators, der einen ersten Anschluss und
einen zweiten Anschluss aufweist; Vorsehen einer ersten Diode, die
einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des
Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der
mit einer ersten Erfassungselektrode gekoppelt ist; Vorsehen einer
zweiten Diode, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem
zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen zweiten
Anschluss aufweist, der mit einer zweiten Erfassungselektrode gekoppelt
ist; Anlegen eines Ansteuersignals an den ersten Anschluss des Abtastkondensators;
und Anlegen eines Vorspannungssignals an den zweiten Anschluss der
ersten und/oder zweiten Diode, um wahlweise zu verhindern, dass
die erste und/oder die zweite Diode das Ansteuersignal durchlässt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Für
ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen,
wie diese verwirklicht werden kann, wird nun als Beispiel Bezug
auf die begleitende Zeichnung genommen.
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1 zeigt
schematisch einen bekannten kapazitiven Einkanal-Sensor;
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2 ist
eine Tabelle, in der eine Schalter-Betätigungssequenz für
den kapazitiven Sensor aus 1 schematisch
dargestellt ist;
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3 zeigt
schematisch einen bekannten kapazitiven Zweikanal-Sensor;
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4 zeigt
schematisch einen kapazitiven Zweikanal-Sensor gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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5 ist
eine Tabelle, in der eine Schalter-Betätigungssequenz für
den kapazitiven Sensor aus 4 schematisch
dargestellt ist;
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6 zeigt schematisch den kapazitiven Sensor
aus 4 in verschiedenen Stufen der Schalter-Betätigungssequenz
aus 5; und
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7 zeigt
schematisch einen kapazitiven Vierkanal-Sensor gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Genaue Beschreibung
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4 zeigt
schematisch einen kapazitiven Mehrkanal-Sensor 22 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Sensor 22 in
diesem Beispiel ist ein Zweikanal-Sensor. Ein Zweikanal-Sensor ist die
einfachste Form eines Mehrkanal-Sensors, und so wird sich hier für
eine leichte Erklärung auf ihn konzentriert. Es ist jedoch
einzusehen, dass Ausführungsbeispiele der Erfindung erweitert
werden können, um größere Anzahlen von
Erfassungskanälen einzuschließen, wie im Folgenden
weiter erläutert wird.
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Der
Sensor 22 dient zur Messung der Kapazitäten erster
und zweiter Erfassungselektroden 24-1, 24-2 gegenüber
einem System-Referenzpotenzial (Masse). Die durch diese jeweiligen
Erfassungselektroden vorgesehenen Kapazitäten gegenüber System-Masse
können als äquivalent zu Kondensatoren betrachtet
werden, welche die Kapazitäten Cx1, bzw. Cx2 aufweisen,
wobei bei jedem Kondensator einen seiner Anschlüsse mit
einer virtuellen Masse verbunden ist. Diese Kondensatoren können als
Erfassungskondensatoren bezeichnet werden. Zusätzlich zu
den Erfassungselektroden 24-1, 24-2 umfasst der
Sensor 22 einen Mikrocontroller 26, einen Abtastkondensator
Cs und erste und zweite Dioden D1, D2. Der Mikrocontroller 26 ist
ein programmierbares Allzweck-Bauelement, das konfiguriert ist, in
Verbindung mit dem Abtastkondensator Cs und den Dioden D1, D2, die
unten beschriebene Funktionalität zum Vorsehen von Signalen
vorzusehen, die eine Angabe der Kapazitäten der Erfassungselektroden 24-1, 24-2 sind.
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Die
spezifische Anwendung für den Sensor 22 ist für
die Zwecke dieser Beschreibung nicht bedeutsam. In diesem Beispiel
wird jedoch angenommen, dass der Sensor 22 in einer Anwendung
zur Füllstandserfassung verwendet wird, in der der erste Erfassungskanal
(mit der ersten Erfassungselektrode verbunden) eingerichtet ist,
einen Kanal zur Erfassung eines Flüssigkeitsstandes vorzusehen,
und der zweite Erfassungskanal (mit der zweiten Erfassungselektrode
verbunden) eingerichtet ist, einen Referenzkanal vorzusehen. Somit
kann in einem Ausführungsbeispiel die erste Erfassungselektrode
so angeordnet sein, dass ihre Kapazität gegenüber
Masse von dem Pegel einer Flüssigkeit in einem Behälter abhängt,
z. B. Benzin in einem Benzintank, während die zweite Erfassungselektrode
so angeordnet ist, dass ihre Kapazität gegenüber
Masse nicht von dem Pegel einer Flüssigkeit in dem Behälter
abhängt. Z. B. kann in einer einfachen Anwendung die erste
Erfassungselektrode in der Mitte einer Seitenwand des Behälters
angeordnet sein. Die Kapazität der Elektrode ist davon
abhängig, ob sich Flüssigkeit in der Nähe
der Elektrode befindet – d. h. ob der Behälter mehr
oder weniger als halb voll ist. Die zweite Erfassungselektrode kann
auf einer unteren Wand des Behälters angeordnet sein. Die
Kapazität dieser Elektrode ist dieselbe, unabhängig
davon ob der Behälter mehr oder weniger als halb voll ist
(solange der Behälter nicht völlig leer ist).
Das Vorsehen des Referenzkanals vermeidet es, sich auf eine absolute
Messung der Kapazität der ersten Elektrode verlassen zu müssen.
Dies ist von Vorteil, da wie oben erwähnt eine absolute
Kapazitätsmessung abhängig von den Toleranzen
der Schaltkreiselemente, sich ändernden Umgebungsbedingungen
und von der Beschaffenheit der erfassten Flüssigkeit beträchtlich
variieren kann. Somit wird der Vergleich der Messung eines vom Flüssigkeitsstand
abhängigen Signals mit einer Messung eines vom Flüssigkeitsstand
unabhängigen Signals (Referenzsignal) von einem Referenzkanal bevorzugt.
Der Grund dafür ist, dass durch Vorsehen des parallelen
Referenzkanals die vom Füllstands-Erfassungskanal bestimmte
Kapazität mit der vom Referenzkanal bestimmten Kapazität
verglichen werden kann. Wenn die beiden Kapazitäten gleich sind
(oder nahe an einem erwarteten Verhältnis liegen, das von
der Elektroden-Geometrie abhängig ist), kann man annehmen,
dass der Behälter mehr als halb voll ist, wenn sie sich
beträchtlich unterscheiden (oder weit entfernt vom für
einen vollen Behälter erwarteten Verhältnis liegen),
kann man annehmen, dass der Behälter weniger als halb voll
ist.
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Wie
oben erwähnt, ist die spezifische Anwendung für
den Sensor 22 jedoch nicht allzu sehr bedeutsam. Zum Beispiel
könnte der Zweikanal-Sensor 22 aus 4 ebenso dazu
benutzt werden, zwei ”berührungsempfindliche Tasten” analog
zur Anwendung des in 3 gezeigten Sensors 12 vorzusehen. Allgemein
können Sensoren gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung Anwendung in allen der Arten finden, auf die bekannte
kapazitive Sensoren eingesetzt werden können. Das heißt,
kapazitive Sensoren gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung können unter allen Bedingungen eingesetzt
werden, in denen bekannte kapazitive Sensoren benutzt werden. Außerdem
können, soweit irgendein externer Schaltkreis betroffen
ist (z. B. eine übergeordnete Steuerung einer Einrichtung,
in der der kapazitive Sensor implementiert ist), kapazitive Sensoren
gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung
auf dieselbe Weise mit dem externen Schaltkreis gekoppelt werden
wie bei einem herkömmlichen kapazitiven Sensor.
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Das
Vorsehen der beiden Erfassungskanäle erfordert die Verwendung
von vier Anschlüssen des Mikrocontrollers 16,
und diese sind in 4 mit P1, P2, P3 und P4 bezeichnet.
Die Anschlüsse des Mikrocontrollers 16 können
in einer definierten Sequenz auf High-Pegel oder auf Low-Pegel gelegt werden,
wenn der Controller ein Programm auf die übliche Weise
ausführt. Dies wird in 4 schematisch
durch eine Reihe von acht Schaltern S1 bis S8 im Mikrocontroller 16 dargestellt.
Schalter S1 verbindet Anschluss P1 wahlweise mit dem Betriebs-Logikpegel
+V des Mikrocontrollers – dies entspricht dem Anlegen eines
High-Pegels an den Anschluss P1. Der Schalter S2 verbindet Anschluss
P1 wahlweise mit dem System-Referenzpotenzial (Masse) des Mikrocontrollers – dies
entspricht dem Anlegen eines Low-Pegels an den Anschluss P1. Nur
einer oder der andere (oder keiner von beiden) von S1 und S2 kann zu
einem beliebigen Zeitpunkt geschlossen sein. Die Schalter S3 und
S4, S5 und S6 und S7 und S8 legen auf die gleiche Weise die Anschlüsse
P2, P3 und P4 nach Bedarf auf High- oder Low-Pegel.
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Zusätzlich
dazu, dass er in der Lage ist, Anschluss P1 entsprechend seiner
Programmbefehle auf High- oder Low-Pegel zu legen, ist der Mikrocontroller
auch in der Lage, einen Messungskanal M vorzusehen, der an Anschluss
P1 angeschlossen ist (d. h. Anschluss P1 ist ein I/O-Anschluss).
Der Messungskanal umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen
einfachen Komparator, der eingerichtet ist, eine Eingangsspannung
an Anschluss P1 mit einem Schwellwert-Pegel Mthresh zu
vergleichen. Typischerweise kann der Schwellwert-Pegel die Hälfte
der Betriebsspannung des Mikrocontrollers sein (d. h. Mthresh =
+V/2)
-
Der
Abtastkondensator Cs hat einen ersten Anschluss 23 und
einen zweiten Anschluss 24. Der erste Anschluss 23 ist
mit Anschluss P1 des Mikrocontrollers verbunden, und der zweite
Anschluss 24 ist mit Anschluss P2 verbunden.
-
Die
erste Diode D1 hat einen ersten Anschluss 27 und einen
zweiten Anschluss 28. In diesem Beispiel ist der erste
Anschluss die Anode und der zweite Anschluss ist die Kathode. Die
Anode 27 der ersten Diode D1 ist mit dem zweiten Anschluss 24 des
Abtastkondensators elektrisch gekoppelt, z. B. direkt verbunden
(und ist daher auch mit Anschluss P2 des Mikrocontrollers 16 gekoppelt).
Die Kathode 28 der ersten Diode D1 ist mit der ersten Erfassungselektrode 24-1 und
auch mit Anschluss P3 des Mikrocontrollers 16 gekoppelt.
-
Die
zweite Diode D2 hat einen ersten Anschluss 29 und einen
zweiten Anschluss 30. In diesem Beispiel ist der erste
Anschluss die Anode und der zweite Anschluss ist die Kathode. Die
Anode 29 der zweiten Diode D2 ist elektrisch mit dem zweiten Anschluss 24 des
Abtastkondensators gekoppelt (und ist daher auch mit Anschluss P2
des Mikrocontrollers 16 und der Anode 27 der ersten
Diode gekoppelt). Die Kathode 30 der zweiten Diode D2 ist
mit der zweiten Erfassungselektrode 24-2 und auch mit Anschluss
P4 des Mikrocontrollers 16 gekoppelt.
-
Das
dem Zweikanal-Sensor 22 aus 4 zugrunde
liegende allgemeine Prinzip ist, dass der Controller 16 wahlweise
Vorspannungssignale über die Anschlüsse P3 und
P4 an die entsprechenden Dioden D1 und D2 anlegen kann, so dass
wahlweise verhindert werden kann, dass die Dioden ein über Anschluss
P1 vorgesehenes Ansteuersignal durchlassen. In der Tat erlaubt dies,
einen einzelnen Ansteuerkanal (vorgesehen über Anschluss
P1 auf allgemein herkömmliche Weise für einen
auf Ladungstransfer beruhenden kapazitiven Sensor) und einen einzelnen
Abtastkondensator Cs für die Messung der Kapazitäten
mehrerer Erfassungselektroden zu verwenden. Das Ansteuersignal kann
mit einer ausgewählten einzelnen Erfassungselektrode gekoppelt werden,
um die Kapazität der Elektrode zu messen, indem die Diode
der anderen Elektrode so mit einer Vorspannung versorgt wird, dass
sie das Ansteuersignal nicht durchlässt. Die Kapazitäten
der verschiedenen Erfassungselektroden können der Reihe
nach mit einer geeigneten Vorspannungsversorgung der verschiedenen
Dioden gemessen werden. Zweckmäßigerweise und
anders als bei dem in 3 gezeigten Sensor 12 beruhen
die verschiedenen Messungen der verschiedenen Kapazitäten
der verschiedenen Erfassungselektroden jeweils auf dem selben Abtastkondensator
und Ansteuerkanal. Das Vorsehen eines erhöhten Grades an
Gemeinsamkeit der Schaltkreiselemente hilft auf diese Weise dabei,
eine verringerte Drift zwischen den Kanälen vorzusehen. Zum
Beispiel werden die Auswirkungen von Unterschieden der Temperaturabhängigkeiten
der Kapazitäten der beiden Abtastkondensatoren Cs1 und
Cs2 im Sensor 12 in 3 in Ausführungsbeispielen
der Erfindung vermieden.
-
Außerdem
und wie weiter unten erläutert wird, wird durch Verwendung
eines einzigen gemeinsamen Abtastkondensators für jeden
Erfassungskanal die zusätzliche Anzahl von Steuerungsschaltkreis-Verbindungen
(Mikrocontroller-Anschlüssen) verringert, die pro zusätzlichem
Erfassungskanal benötigt werden. Das Hinzufügen
eines dritten Erfassungskanals zum Mehrkanal-Sensor 12 des
herkömmlichen Typs in 3 erfordert
zwei weitere Anschlüsse. Das Hinzufügen eines
dritten Erfassungskanals zu einem Mehrkanal-Sensor gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung kann unter Verwendung nur einer zusätzlichen
Verbindung/eines Anschlusses erfolgen (d. h. eine Verbindung zum
Vorsehen des Vorspannungssignals für die dritte Diode/des
Reset-Signals für die dritte Erfassungselektrode).
-
5 zeigt
eine Tabelle, die schematisch eine Schalter-Betätigungssequenz
für den Sensor 22 aus 4 zum Messen
der Kapazitäten der Erfassungselektroden 24-1, 24-2 gegenüber
System-Masse gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellt. Die Sequenz durchläuft eine Reihe
von Schritten beginnend bei Schritt 1, wie in der linken Spalte
gezeigt. Die Spalten mit der Überschrift S1 bis S8 zeigen
den Zustand der jeweiligen Schalter in jedem Schritt. Ein ”X” in
der Tabelle kennzeichnet, dass der entsprechende Schalter geschlossen
ist, während ein ”0” kennzeichnet, dass
der entsprechende Schalter geöffnet ist. Die Spalten mit
der Überschrift P1–P2 zeigen den Spannungspegel
der entsprechenden Controller-Anschlüsse in jedem Schritt.
Ein Tabelleneintrag ”LOW” kennzeichnet, dass der
entsprechende Anschluss vom Controller auf Low-Pegel gelegt wird,
ein Tabelleneintrag ”HIGH” kennzeichnet, dass
der entsprechende Anschluss vom Controller auf High-Pegel gelegt
wird, wobei wenn der Anschluss nicht auf High- oder Low-Pegel gelegt
wird, sein ”freier” Spannungspegel angegeben wird.
Die letzte Spalte enthält kurze Kommentare zu dem Schritt.
Die 6A bis 6E zeigen
schematisch den Sensor 22 aus 4 in verschiedenen
Schritten in der Schalterbetätigungs-Sequenz, wie nun erläutert
wird. In diesem Beispiel wird angenommen, dass die Kapazität
der ersten Erfassungselektrode zuerst gemessen wird und die Kapazität
der zweiten Erfassungselektrode als zweites gemessen wird.
-
Schritt
1 (dargestellt in 6A) ist ein Initialisierungs-/Reset-Schritt.
Die Schalter S2, S4, S6 und S8 sind geschlossen, so dass die Anschlüsse
P1, P2, P3 und P4 alle auf Low-Pegel gelegt werden. Hierdurch werden
beide Erfassungselektroden 24-1, 24-2 auf Masse
gelegt und der Abtastkondensator Cs kurzgeschlossen, so dass sich
auf beiden keine Ladung befindet.
-
Schritt
2 (dargestellt in 6B) ist ein Aufladeschritt für
den ersten Erfassungskanal, der mit der ersten Erfassungselektrode
verbunden ist. In diesem Schritt sind die Schalter S1 und S7 geschlossen.
Alle anderen Schalter sind geöffnet. Somit werden die Anschlüsse
P1 und P4 auf High-Pegel gelegt, während P2 und P3 potenzialfrei
sind. Die an Anschluss P1 vorgesehene Spannung +V lädt
somit die Reihenschaltung des Abtastkondensators Cs und des ersten
Erfassungskondensators Cx1 auf, der durch die Kapazität
der ersten Erfassungselektrode gegenüber Masse vorgesehen
ist. Dieses Aufladen beruht auf dem Leiten des Ansteuersignals (d.
h. dem Spannungsübergang an Anschluss P1 vom System-Referenzpotenzial
(Masse) auf +V) durch die erste Diode D1. Das Ansteuersignal wird
von der zweiten Diode D2 nicht durchgelassen, da Anschluss P4 auf High-Pegel
gelegt ist, um ein Vorspannungssignal vorzusehen, das verhindert,
dass die zweite Diode D2 das Ansteuersignal in Vorwärtsrichtung
durchlässt.
-
Somit
sehen der Abtastkondensator Cs und der erste Erfassungskondensator
Cx1 in diesem Schritt einen kapazitiven Spannungsteiler zwischen +V
und Masse vor, wobei ein zusätzlicher Spannungsabfall Vd mit der in Vorwärtsrichtung leitenden ersten
Diode D1 verbunden ist. Im Allgemeinen wird Vd wegen
der beteiligten relative kleinen Ströme relativ klein sein.
Die Spannung an Anschluss P3 ist die Spannung an Cx1. Diese hängt
von den relativen Kapazitäten Cs und Cx1 ab. (D. h. V(Cx1)
= (V – Vd)·Cs/(Cs + Cx1)).
Im Allgemeinen wird auch eine Abhängigkeit von der Kapazität
zwischen den Anschlüssen P2 und P3 und Masse vorliegen,
z. B. durch interne kapazitive Kopplung im Chip und andere Streukapazitäten.
Für die Zwecke dieser Erklärung wird jedoch angenommen,
dass diese Streukapazitäten klein sind und ignoriert werden
können. Das Vorhandensein dieser Streukapazitäten
hat keinen wesentlichen Einfluss auf den Gesamt-Betrieb von Ausführungsbeispielen
der Erfindung. D. h. die Spannung an Anschluss P3 (Spannung an Cx1)
kann vernünftigerweise als V(Cx1) ≈ V·Cs/(Cs
+ Cx1) bezeichnet werden, wobei andere Schaltkreis-Kapazitäten
und der Spannungsabfall Vd ignoriert werden. Die
Spannung an Anschluss P2 ist die Spannung an Cx1 plus der Spannungsabfall
der ersten Diode D1 (D. h. V(P2) = (V(Cx1) + V). Die Spannung über
dem Abtastkondensator Cs ist V(Cs), wobei V(Cs) = V – V(P2).
D. h. V(Cs) = (V – Vd)·(Cx/(Cs
+ Cx)). Diese Spannung wird durch die Kapazität Cx2 der
zweiten Erfassungselektrode 24-2 nicht beeinflusst, da
die in Sperrrichtung geschaltete zweite Diode D2 eine Blockierungs-Wirkung
hat, was durch das Vorspannungssignal verursacht wird, das durch
Anschluss P4 angelegt wird, der auf High-Pegel gelegt ist.
-
Schritt
3 (dargestellt in 6C) ist ein Messungsschritt
für die erste Erfassungselektrode 24-1. In Schritt
3 bleibt Schalter S7 geschlossen, um die Vorspannung für
den nicht leitenden Zustand der zweiten Diode D2 aufrecht zu erhalten.
Die einzigen anderen geschlossenen Schalter in diesem Schritt sind
die Schalter S4 und S6. Somit ist Anschluss P1 potenzialfrei, die
Anschlüsse P2 und P3 werden auf Low-Pegel gelegt, und Anschluss
P4 bleibt auf High-Pegel. Das Anlegen eines Low-Pegels an Anschluss
P3 bedeutet, dass die Ladung auf Cx1 entfernt wird (nach Masse abgeleitet
wird). Das Anlegen eines Low-Pegels an Anschluss P2 bedeutet, dass P1
die Spannung V(Cs) erreicht, die sich während des Aufladeschrittes
2 über dem Abtastkondensator Cs aufgebaut hat. Somit ist
die Spannung an Anschluss P1 V(Cs) = (V – Vd)·(Cx1/(Cs
+ Cx1)). Die Spannung an P1 ist somit abhängig von der
Kapazität des Erfassungskondensators Cx1, der durch die erste
Erfassungselektrode 24-1 vorgesehen wird. Auf eine Weise,
die ähnlich der oben für den Einkanal-Sensor 2 aus 1 beschriebenen
ist, könnte diese Spannung an Anschluss P1 prinzipiell
gemessen werden, um eine Angabe der Kapazität des ersten
Erfassungskondensators vorzusehen. In der Praxis wird die durch
den einzelnen Ladezyklus in Schritt 2 vorgesehene Spannung V(Cs)
jedoch klein sein (weil Cx1 << Cs). Um eine stabilere
Messung der Kapazität Cx1 vorzusehen, ist der Sensor 2
in der Lage, die Schritte 2 und 3 wiederholt auszuführen
(d. h. ohne den Reset-Schritt 1 auszuführen). Bei jeder Wiederholung
der Schritte 2 und 3 wird die Ladung des Abtastkondensators schrittweise
erhöht. Somit erhöht sich die Spannung V(Cs) nach
jeder Wiederholung der Schritte 2 und 3 asymptotisch in Abhängigkeit
von der Größe des Erfassungskondensators Cx1 (der
Anstieg ist asymptotisch, weil in aufeinander folgenden Wiederholungen
wegen der bereits auf dem Abtastkondensator Cs befindlichen Ladung
weniger Ladung hinzugefügt wird). Während dieser schnellen
Folge von Ladezyklen wird die zweite Diode im nicht leitenden Zustand
gehalten (Schalter S7 geschlossen, um Anschluss P4 auf High-Pegel
zu legen). Somit hat die Kapazität der zweiten Erfassungselektrode
keine Wirkung auf die Übertragung von Ladung zum Abtastkondensator
bei den Übergängen des Ansteuersignals, und nur
die Kapazität der ersten Erfassungselektrode beeinflusst
dies.
-
In
manchen Ausführungsbeispielen kann die Spannung an Anschluss
P1 gemessen und als Angabe für Cx1 genommen werden, nachdem
eine feste Anzahl von Ladezyklen (d. h. eine Folge von Wiederholungen
der Schritte 2 und 3) ausgeführt wurde. Dies kann gut funktionieren,
erfordert aber, dass der Messungskanal M des Mikrocontrollers 16 über
die Fähigkeit verfügt, eine analoge Spannung zu
messen. Somit ist in diesem Ausführungsbeispiel der Controller
konfiguriert, statt eine feste Anzahl von Zyklen/Spannungsübergängen
auszugeben, die Impulse solange auszugeben (d. h. die Schritte 2
und 3 zu wiederholen), bis die Spannung V(Cs) einen Messungs-Schwellwert
Mthresh erreicht. Der Messungs-Schwellwert
Mthresh kann zum Beispiel ungefähr
die Hälfte des Spannungshubes betragen, der mit den Ansteuersignal-Übergängen
verbunden ist, z. B. Mthresh = V/2. Die
Anzahl von Ladezyklen, die erforderlich ist, damit die Spannung über
dem Abtastkondensator Cs den Messungs-Schwellwert überschreitet
(wie durch einen einfachen Komparator bestimmt) ist ein (inverses)
Maß für die Kapazität der ersten Erfassungselektrode
gegen Masse. Dieses Verfahren der ”variablen Impulsfolgen-Länge” hat den
Vorteil gegenüber den Verfahren mit ”fester Impulsfolgen-Länge”,
dass ein Komparator anstelle einer komplizierteren Spannungsmessungs-Funktion benutzt
wird. Gleichwohl können beide Verfahren gleichermaßen
benutzt werden.
-
Somit
werden, wie in der Tabelle in 5 gezeigt,
die Schritte 2 und 3 wiederholt, bis V(Cs) den Schwellwert Mthresh übersteigt (wie durch einen
Komparator im Messungskanal M festgestellt). Wenn dies n1 Zyklen
benötigt (d. h. 2n1 Schritte in Wiederholung, was äquivalent
zu 1 + 2n1 Schritten insgesamt mit dem anfänglichen Reset-Schritt
1 ist), liefert n1 ein inverses Maß der Kapazität
der ersten Erfassungselektrode gegenüber Masse. Hierdurch
wird die Messung der Kapazität der ersten Erfassungselektrode
gegenüber Masse abgeschlossen (zumindest für den
aktuellen Erfassungszyklus). Im Allgemeinen wird der Wert n1 einfach
als ein inverser Stellvertreter für die Kapazität
behandelt, z. B. zur Benutzung bei der Feststellung, ob die gemessene Kapazität
sich gegenüber einer vorherigen Erfassungs-Iteration geändert
hat, oder zum Vergleich mit einer anderen gemessenen Kapazität
von einem anderen Messungskanal. Das heißt, es wird im
Allgemeinen nicht der Versuch unternommen, den gemessenen Parameter
n1, der als Angabe für die Kapazität gegenüber
einem völlig kalibrierten Kapazitätswert genommen
wird, umzuwandeln, z. B. in die Einheit Farad. Die Einzelheiten
der speziellen Verwendung und jeder nachfolgenden Verarbeitung der
gemessenen Parameter, die eine Angabe der Kapazitäten der
Erfassungselektrode sind, werden von der vorliegenden Anwendung
abhängen und sind für das Verständnis
der Erfindung nicht von Bedeutung.
-
Nachdem
er die Kapazität Cx1 der ersten Erfassungselektrode gemessen
hat (d. h. nachdem er einen Parameter (n1) gemessen hat, der von
der Kapazität abhängt), fährt der Sensor 22 mit
der Messung der Kapazität Cx2 der zweiten Erfassungselektrode
fort. Die Messung der Kapazität Cx1 der ersten Erfassungselektrode
benötigt 1 + 2n1 Schritte (d. h. n1 wiederholte Ladungs-Messungszyklen
mit zwei Schritten pro Zyklus plus den anfänglichen Reset-Schritt
1). Mit Bezug auf die in 5 gezeigte Tabelle beginnt die
Messung der Kapazität Cx2 der zweiten Erfassungselektrode
somit bei Schritt 1 + 2n1 + 1 (d. h. der erste Schritt nach Beendigung
der Messung der Kapazität der ersten Elektrode).
-
Die
Messung der Kapazität der zweiten Elektrode spiegelt die
Messung der Kapazität der ersten Erfassungselektrode eng
wider. Bei der Messung der Kapazität der zweiten Erfassungselektrode
arbeiten die Schalter S1 bis S4 in der selben Reihenfolge wie in
den entsprechenden Schritten bei der Messung der Kapazität
der ersten Elektrode, aber die Sequenzen der Schalter S5 und S6
sind jedoch mit den Sequenzen der Schalter S7 und S8 vertauscht.
-
Somit
ist Schritt 1 + 2n1 + 1 (identisch zu Schritt 1 und in 6A dargestellt)
ein weiterer Initialisierungs-/Reset-Schritt. Die Schalter S2, S4,
S6 und S8 sind geschlossen, so dass die Anschlüsse P1,
P2, P3 und P4 alle auf Low-Pegel gelegt werden. Hierdurch werden
beide Erfassungselektroden 24-1, 24-2 auf Masse
gelegt und der Abtastkondensator Cs kurzgeschlossen, so dass auf
keinem der Kondensatoren eine restliche Ladung bleibt.
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Schritt
1 + 2n1 + 2 (dargestellt in 6D) ist ein
Aufladeschritt für den zweiten Erfassungskanal, der mit
der zweiten Erfassungselektrode verbunden ist. In diesem Schritt
sind die Schalter S1 und S5 geschlossen. Alle anderen Schalter sind
geöffnet. Somit werden die Anschlüsse P1 und P3
auf High-Pegel gelegt, während P2 und P4 potenzialfrei
sind. Die an Anschluss P1 vorgesehene Spannung +V lädt
somit die Reihenschaltung des Abtastkondensators Cs und des zweiten
Erfassungskondensators Cx2 auf, der durch die Kapazität
der zweiten Erfassungselektrode gegenüber Masse vorgesehen
ist. Dieses Aufladen beruht auf dem Leiten des Ansteuersignals durch
die zweite Diode D2. Das Ansteuersignal wird von der ersten Diode
D1 nicht durchgelassen, da Anschluss P3 auf High-Pegel gelegt ist,
um ein Vorspannungssignal vorzusehen, das verhindert, dass die erste
Diode D1 das Ansteuersignal in Vorwärtsrichtung durchlässt.
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Somit
sehen in Schritt 1 + 2n1 + 2 der Abtastkondensator Cs und der zweite
Erfassungskondensator Cx2 einen kapazitiven Spannungsteiler zwischen
+V und Masse vor (in Reihe mit einem zusätzlichen Spannungsabfall
Vd, der mit der in Vorwärtsrichtung
leitenden zweiten Diode D2 verbunden ist – von dem hier
angenommen wird, dass er derselbe ist wie bei der ersten Diode).
Die Spannung an Anschluss P4 ist die Spannung an Cx2. Dies hängt
von den relativen Kapazitäten Cs und Cx2 ab. (D. h. V(Cx2)
= (V – Vd)·Cs/(Cs + Cx2)).
Die Spannung an Anschluss P2 ist die Spannung an Cx2 plus der Spannungsabfall
der zweiten Diode D2 (D. h. V(P2) = (V(Cx2) + Vd).
Die Spannung über dem Abtastkondensator Cs ist V(Cs), wobei
V(Cs) = V – V(P2). D. h. V(Cs) = (V – Vd)·(Cx2/(Cs + Cx2)). Diese Spannung wird
durch die Kapazität Cx1 der ersten Erfassungselektrode 24-1 nicht
beeinflusst, da die in Sperrrichtung geschaltete erste Diode D1
eine Blockierungs-Wirkung hat, was durch das Vorspannungssignal
verursacht wird, das durch Anschluss P3 angelegt wird, der auf High-Pegel
gelegt ist.
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Schritt
1 + 2n1 + 3 (dargestellt in 6E) ist ein
Messungsschritt für die zweite Erfassungselektrode 24-2.
In Schritt 1 + 2n1 + 3 bleibt Schalter S5 geschlossen, um die Vorspannung
für den nicht leitenden Zustand der ersten Diode D1 aufrecht
zu erhalten. Die einzigen anderen geschlossenen Schalter in diesem
Schritt sind die Schalter S4 und S8. Somit ist Anschluss P1 potenzialfrei,
die Anschlüsse P2 und P4 werden auf Low-Pegel gelegt, und
Anschluss P3 bleibt auf High-Pegel. Das Anlegen eines Low-Pegels
an Anschluss P4 bedeutet, dass die Ladung auf Cx2 entfernt wird
(nach Masse abgeleitet wird). Das Anlegen eines Low-Pegels an Anschluss
P2 bedeutet, dass P1 die Spannung V(Cs) erreicht, die sich während
des Aufladeschrittes 2n + 2 über dem Abtastkondensator
Cs aufgebaut hat. Somit ist die Spannung an Anschluss P1 (Cs) =
(V – Vd)·(Cx2/(Cs + Cx2)).
Die Spannung an P1 hängt somit von der Kapazität
des Erfassungskondensators Cx2 ab, die von der ersten Erfassungselektrode 24-2 vorgesehen wird.
Auf eine Weise, die der oben für den ersten mit der ersten
Erfassungselektrode verbundenen Erfassungskanal beschriebenen ähnelt,
ist der Sensor 22 in der Lage, die Schritte 2n + 2 und
2n + 3 wiederholt auszuführen (ohne den Reset-Schritt 2n
+ 1 zu wiederholen). Bei jeder Wiederholung wird die Ladung des
Abtastkondensators schrittweise erhöht. Während
dieser schnellen Folge von Ladezyklen wird die erste Diode im nicht
leitenden Zustand gehalten (Schalter S5 geschlossen, um Anschluss
P3 auf High-Pegel zu legen). Somit hat die Kapazität der ersten
Erfassungselektrode keine Wirkung auf die Übertragung von
Ladung zum Abtastkondensator bei den Übergängen
des Ansteuersignals, und nur die Kapazität der zweiten
Erfassungselektrode beeinflusst dies.
-
Der
Controller ist wieder konfiguriert, die Impulsfolge weiter auszugeben
(d. h. die Schritte 1 + 2n1 + 2 und 1 + 2n1 + 3 weiter zu wiederholen),
bis die Spannung V(Cs) den Messungs-Schwellwert Mthresh erreicht.
Somit werden, wie in der Tabelle in 5 gezeigt,
die Schritte 1 + 2n1 +2 und 1 + 2n1 + 3 wiederholt, bis V(Cs) den
Schwellwert Mthresh übersteigt
(wie durch einen Komparator im Messungskanal M festgestellt). Angenommen,
dies benötigt n2 Zyklen (d. h. 2n2 Schritte), liefert n2
ein inverses Maß der Kapazität der zweiten Erfassungselektrode
gegenüber Masse. Hierdurch wird die Messung der Kapazität
der zweiten Erfassungselektrode gegenüber Masse abgeschlossen
(für den aktuellen Erfassungszyklus). Folglich wurden nach
1 + 2n1 + 1 + 2n2 Schritten beide Kapazitäten Cx1 und Cx2
gemessen, und der aktuelle Messungs-Erfassungszyklus ist beendet.
Die Anzahl der Schritte von 1 + 2n1 + 1 + 2n2 ergibt sich durch
die n1 und n2 Wiederholungs-Zyklen für die erste und die
zweite Erfassungselektrode plus zwei Reset-/Initialisierungs-Schritte.
-
Somit
ist, wie oben beschrieben, der Sensor 22 aus 4 in
der Lage, die Kapazität erster und zweiter Erfassungselektroden
unter Verwendung der allgemeinen Prinzipien von Ladungstransfer-Verfahren
zu messen. Dies erfolgt jedoch auf eine modifizierte Art und Weise,
wobei ein einziger Abtastkondensator und ein einziger Ansteuerkanal
für beide Messungskanäle benutzt werden. Abhängig
von der vorliegenden speziellen Anwendung kann der Mikrocontroller
konfiguriert sein, die Signale an eine übergeordnete Steuerung
einer Einrichtung auszugeben, in der der Sensor implementiert ist,
und dann entweder sofort oder nach einer Verzögerung die
Kapazitätsmessungen in einem anderen Erfassungszyklus zu
wiederholen.
-
Es
ist einzusehen, dass die einzelnen Messungen der Kapazität
für jeden Kanal in vieler Hinsicht ähnlich der
Art und Weise sind, in der herkömmliche Verfahren für Ladungstransfer-Kapazitätsmessungen
arbeiten. Folglich ist zu verstehen, dass viele Eigenschaften der
Ladungstransfer-Erfassung, die hier aus Gründen einer kurzen
Beschreibung nicht beschrieben werden, leicht in Verbindung mit
Ausführungsbeispielen der Erfindung benutzt werden können.
Zum Beispiel können beliebige bekannte Signalverarbeitungsverfahren,
z. B. zur Driftkompensation, Filterung, usw. und Verfahren, wie
automatisches Ein-/Ausschalten und so weiter, gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung eingesetzt werden. Weiter werden die typischen Überlegungen
bei der Bestimmung der Werte von Schaltkreiskomponenten und Timings
aus der herkömmlichen Ladungstransfer-Technologie gut verstanden,
zum Beispiel wie in
US 5,730,165 und
US 6,466,036 beschrieben,
die beide in ihrer Gesamtheit hier durch Verweis mit aufgenommen
werden.
-
Eine
typische Anwendung eines Zweikanal-Sensors der in 4 gezeigten
Art kann die Messung einer Kapazität in der Größenordnung
von Cx1 = Cx2 = 4 pF sein und einen Abtastkondensator verwenden,
der einen Wert Cs = 2 nF hat. Die Dioden können herkömmliche
Kleinsignaldioden sein, wie z. B. die Dioden 1N4148. Der Controller
kann ein geeignet programmierter Mikrocontroller Tiny44 sein, der von
Atmel Corporation erhältlich ist. Die Spannung des High-Pegels
+V kann typischerweise 3 V sein. Der Messungs-Schwellwert Mthresh kann typischerweise 1,5 V sein. Die
Dauer jedes Schrittes in der Timing-Sequenz kann typischerweise
ungefähr 5 μs für Laden und Messen und
ungefähr 500 μs für Reset sein. Die Anzahl
von Zyklen, die erforderlich sind, in einer einzelnen Kapazitätsmessung
den Schwellwert zu erreichen, ist offensichtlich von der gemessenen Kapazität
abhängig, kann aber typischerweise in der Größenordnung
von 300 liegen. Somit kann eine einzelne Kapazitätsmessung
ungefähr 3 ms dauern.
-
Es
ist einzusehen, dass der Mikrocontroller in der Praxis konfiguriert
sein kann, eine kurze Unterbrechung zwischen den Schritten vorzusehen.
Dies ist so, damit während dieser Unterbrechung Schalter, die
vom vorherigen Schritt geschlossen sind, geöffnet werden
können, bevor offene Schalter für den nächsten
Schritt geschlossen werden. Dies kann dazu beitragen, sicherzustellen,
dass zum Beispiel mit Bezug auf 5 der Abtastkondensator
Cs zwischen Schritt 2 und 3 nicht versehentlich komplett auf +V
aufgeladen wird, wenn Schalter S4 schließt bevor Schalter
S1 öffnet.
-
Es
ist einzusehen, dass die oben beschriebenen Prinzipien auf Mehrkanal-Sensoren
erweitert werden können, die mehr als zwei Erfassungskanäle haben.
-
7 zeigt
schematisch einen kapazitiven Mehrkanal-Sensor 42 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Sensor 42 in
diesem Beispiel ist ein Vierkanal-Sensor, kann aber eigentlich unendlich
auf größere Zahlen an Kanälen erweitert
werden, wie durch den Pfeil unten in der Figur schematisch angedeutet.
-
Der
Sensor 42 dient somit zur Messung der Kapazitäten
erster bis vierter Erfassungselektroden 44-1 bis 44-4 gegenüber
einem System-Referenzpotenzial (Masse). Dieser Vierkanal-Sensor 42 ist
eine Erweiterung des in 4 bis 6 gezeigten
Zweikanal-Sensors 22, und seine grundlegende Funktion wird
aus der oben angegebenen Beschreibung des Zweikanal-Sensors 22 verstanden.
Zusätzlich zu den vier Erfassungselektroden 44-1 bis 44-4 umfasst
der Sensor 42 einen Mikrocontroller 46, einen
Abtastkondensator Cs und erste bis vierte Dioden D1–D4.
Wie zuvor ist der Mikrocontroller 46 ein programmierbares
Allzweck-Bauelement, das in Verbindung mit dem Abtastkondensator
Cs und den Dioden D1–D4 konfiguriert ist, Signale vorzusehen,
die eine Angabe für die Kapazitäten jeder der
vier Erfassungselektroden sind.
-
Das
Vorsehen der vier Erfassungskanäle erfordert die Verwendung
von sechs Anschlüssen des Mikrocontrollers 46.
-
Diese
sind in 7 mit P1 bis P6 bezeichnet. Wie
zuvor können die Anschlüsse des Mikrocontrollers 46 auf
High- oder Low-Pegel gelegt werden. Dies wird in 7 schematisch
durch eine Reihe von zwölf Schaltern S1 bis S12 im Mikrocontroller 46 dargestellt.
Die Anschlüsse P1 bis P4 sind mit dem Abtastkondensator
Cs, der ersten und zweiten Diode D1, D2 und der ersten und zweiten
Erfassungselektrode 44-1, 44-2 auf dieselbe Art
und Weise gekoppelt, wie diese Elemente im Zweikanal-Sensor 22 in 4 miteinander
gekoppelt sind.
-
Die
dritte Diode D3 hat einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss.
In diesem Beispiel ist der erste Anschluss die Anode, und der zweite
Anschluss ist die Kathode. Die Anode der dritten Diode ist elektrisch
mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt (und
folglich auch mit Anschluss P2 des Mikrocontrollers 46 und
den Anoden der anderen Dioden D1, D2, D4). Die Kathode der dritten
Diode D3 ist mit der ersten Erfassungselektrode 44-1 und
auch mit Anschluss P5 des Mikrocontrollers 46 gekoppelt.
-
Die
vierte Diode D4 hat einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss.
In diesem Beispiel ist der erste Anschluss die Anode, und der zweite
Anschluss ist die Kathode. Die Anode der vierten Diode D4 ist elektrisch
mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt (und
folglich auch mit Anschluss P2 des Mikrocontrollers 46 und
den Anoden der anderen Dioden D1 bis D3). Die Kathode der vierten
Diode D4 ist mit der vierten Erfassungselektrode 44-4 und
auch mit Anschluss P6 des Mikrocontrollers 46 gekoppelt.
-
Der
Vierkanal-Sensor 42 misst die Kapazitäten der
entsprechenden Erfassungselektroden der Reihe nach. Die ersten beiden
werden in der Tat auf dieselbe Weise gemessen, wie oben für
den Zweikanal-Sensor beschrieben und unter Verwendung der in 5 für
diese Elektroden dargestellten Sequenz. Während dieser
ersten beiden Messungen werden die dritten und vierten Dioden (zusammen
mit der relevanten der ersten und zweiten Dioden, abhängig davon,
welche Kapazität gemessen wird) mit einem Vorspannungssignal
versorgt, so dass sie das Ansteuersignal nicht zu ihren entsprechenden
Erfassungselektroden durchlassen (d. h. die Anschlüsse P5
und P6 werden auf High-Pegel gehalten).
-
Die
Kapazitäten der zusätzlichen Erfassungselektroden
werden entsprechend denselben Prinzipien gemessen. Um die Kapazität
der dritten Erfassungselektrode zu messen, werden somit die Anschlüsse
P1 bis P3 auf dieselbe Weise wie zur Messung der Kapazität
der zweiten Elektrode angesteuert (siehe Einstellung der Schalter
S1 bis S6 Schritt 1 + 2n +1 bis 1 + 2n + 3 in 5).
Wenn die Kapazität der dritten Erfassungselektrode abgetastet wird,
wird jedoch Anschluss P4 auf High-Pegel gehalten (um zu verhindern,
dass die zweite Diode D2 leitet), und Anschluss P5 wird auf dieselbe
Weise angesteuert wie Anschluss P4 angesteuert wird, wenn die Kapazität
der zweiten Erfassungselektrode gemessen wird (d. h. Schalter S9
und S10 werden entsprechend der Einstellung für die Schalter
S7 und S8 in den Schritten 1 + 2n + 1 bis 1 + 2n + 3 in 5 aktiviert).
Anschluss P6 wird durchgehend auf High-Pegel gehalten (Schalter
S11 geschlossen), um zu verhindern, dass die vierte Diode D4 leitet.
-
Auf
die gleiche Weise werden, um die Kapazität der vierten
Erfassungselektrode zu messen, die Anschlüsse P3 bis P6
alle auf High-Pegel gehalten, um zu verhindern, dass die erste bis
dritte Diode D1 bis D3 leitet, die Anschlüsse P1 und P2
werden auf dieselbe Weise angesteuert wie beim Messen der anderen
Kapazitäten, und Anschluss P6 wird auf dieselbe Weise angesteuert
wie Anschluss P4 angesteuert wird, wenn die Kapazität der
zweiten Erfassungselektrode gemessen wird (d. h. Schalter S11 und
S12 sind entsprechend der Einstellung für die Schalter
S7 und S8 in den Schritten 1 + 2n + 1 bis 1 + 2n + 3 in 5 aktiviert.)
-
Dieses
Prinzip kann erweitert werden, so dass es eine beliebige Anzahl
von Messungskanälen umfasst. Jeder zusätzliche
Kanal erfordert nur eine weitere Steuerschaltkreis-Verbindung/Mikrocontroller-Anschluss
(d. h. eine Verbindung zum Anlegen eines Vorspannungssignals für
die Diode des zusätzlichen Schaltkreises und zum Ableiten
der Ladung der zusätzlichen Erfassungselektrode nach Masse.)
Somit ist für einen m-Kanal-Sensor die Gesamtzahl von Steuerschaltkreis-Verbindungen
2 + m. Mit einem herkömmlichen Mehrkanal-Sensor der in 2 gezeigten
Art erfordert jeder Kanal jedoch unabhängig zwei Steuerschaltkreis-Verbindungen.
Somit erfordert ein herkömmlicher m-Kanal-Sensor eine Gesamtzahl
von 2 m Steuerschaltkreis-Verbindungen. Somit benötigt
ein Sensor mit drei Kanälen (und mehr) gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung weniger Steuerschaltkreis-Verbindungen
als ein entsprechender Mehrkanal-Sensor, bei dem herkömmliche
Techniken eingesetzt werden. Dies ist ein wesentlicher Vorteil in
vielen Anwendungen, in denen es oft wünschenswert ist,
so viel Funktionalität wie möglich aus so wenigen
Steuerschaltkreis-Verbindungen (z. B. Mikrocontroller-Anschlüssen)
wie möglich zu erhalten. Zum Beispiel kann ein Mikrocontroller,
der acht verfügbare Anschlüsse zur Kapazitätsmessung
aufweist, vier Erfassungskanäle gemäß herkömmlicher
Technik vorsehen, kann aber sechs Erfassungskanäle gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung vorsehen. Somit kann zum Beispiel eine kompliziertere
Benutzerschnittstelle durch denselben Mikrocontroller unterstützt
werden, der gemäß Ausführungsbeispielen
der Erfindung arbeitet, da mehr ”Tasten” (d. h.
sechs Tasten gegenüber vier Tasten) vorgesehen werden können.
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Es
ist einzusehen, dass die oben angegebene Beschreibung hinsichtlich
Schaltern hauptsächlich im Kontext eines Mikrocontrollers
erfolgt, der verschiedene Ausgangsanschlüsse vorsieht,
die auf High- oder Low-Pegel gelegt werden können. Prinzipiell
könnte jedoch ein Schaltkreis benutzt werden, in dem diskrete
Schalter (Transistoren) benutzt werden. Es wird darauf hingewiesen,
dass in diesem Fall nicht alle in 4 dargestellten
Schalter benötigt würden. Zum Beispiel wird Schalter
S3 nie geschlossen, da Anschluss P2 nur immer auf Low-Pegel gelegt
oder potenzialfrei gelassen wird. Schalter S3 ist trotzdem in 4 gezeigt,
um sich an die Tatsache zu halten, dass eine Mikrocontroller-Implementation
generell die Fähigkeit hat, Anschluss P2 auf High-Pegel
zu legen, auch wenn es in diesem Ausführungsbeispiel nicht
erforderlich ist. Bei einer Implementation mit diskreten Schaltkreiselementen
kann man Schalter S3 einfach weglassen.
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Es
ist einzusehen, dass obwohl die oben angegebenen Beispiele sich
auf Ansteuersignale konzentriert haben, die auf positive Pegel gehen,
Ausführungsbeispiele der Erfindung ebenso auf Ansteuersignalen
beruhen können, die auf negative Pegel gehen, d. h. vom
System-Referenzpotenzial auf –V. Dies kann erzielt werden,
indem die Richtungen der Dioden umgekehrt werden und als Vorspannungssignal
ein Signal –V vorgesehen wird.
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Somit
wurde ein kapazitiver Mehrkanal-Sensor zur Messung der Kapazitäten
einer Vielzahl von Erfassungselektroden gegenüber einem
System-Referenzpotenzial beschrieben. Der Sensor umfasst einen Abtastkondensator,
der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist,
eine erste Diode, die einen ersten Anschluss aufweist, der mit dem
zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt ist, und einen
zweiten Anschluss aufweist, der mit einer ersten Erfassungselektrode
gekoppelt ist, und eine zweite Diode, die einen ersten Anschluss
aufweist, der mit dem zweiten Anschluss des Abtastkondensators gekoppelt
ist, und einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer zweiten Erfassungselektrode
gekoppelt ist. Der Abtastkondensator und die Dioden sind mit einem
Steuerungsschaltkreis gekoppelt, der z. B. in einem Mikrocontroller
implementiert ist. Der Steuerungsschaltkreis ist in der Lage, ein
Ansteuersignal an den ersten Anschluss des Abtastkondensators anzulegen,
z. B. eine Reihe von Spannungsimpulsen, während er gleichzeitig
ein Vorspannungssignal an den zweiten Anschluss einer oder der anderen
der Dioden anlegt, um zu verhindern, dass die Diode das Ansteuersignal
durchlässt. Somit können Ladungstransfer-Verfahren
benutzt werden, um mehrere Kapazitäten zu messen, wobei ein
gemeinsamer Abtastkondensator verwendet wird. Dies trägt
dazu bei, die Drift zwischen den Kanälen zu verringern.
Weitere Messungskanäle können hinzugefügt
werden, indem weitere Dioden und entsprechende Erfassungselektroden
vorgesehen werden. Bei drei oder mehr Kanälen benötigt
das System nur eine zusätzliche Steuerschaltkreis-Verbindung
pro zusätzlichen Kanal.
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Es
ist weiter einzusehen, dass oben in Verbindung mit Aspekten der
Erfindung beschriebene Eigenschaften oft ebenso auf andere Aspekte
der Erfindung anwendbar sein werden und mit ihnen kombiniert werden
können. Insbesondere können Eigenschaften von
Ausführungsbeispielen der Erfindung auf jede geeignete
Weise kombiniert werden und nicht nur in den speziellen, in den
beigefügten Ansprüchen angegebenen Kombinationen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5730165 [0003, 0071]
- - US 6466036 [0003, 0071]