DE102013216639B4

DE102013216639B4 - Inductive proximity switch

Info

Publication number: DE102013216639B4
Application number: DE102013216639.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Spunt
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2033-08-23
Also published as: DE102013216639A1

Abstract

Induktiver Näherungsschalter mit einem Schwingkreis mit einer Sensorspule (1) und einem Schwingkreiskondensator (2), der von einer Oszillatorschaltung (3) angeregt wird, und einer Auswerteeinheit (4) zur Steuerung der Oszillatorschaltung (3) und zur Erzeugung eines binären Schaltsignals, wobei die Oszillatoramplitude mit einem digitalen Potentiometer (5) eingestellt wird, wobei das digitale Potentiometer (5) zwei parallel elektrisch geschaltete Teilpotentiometer (5a) und (5b) aufweist, die Bestandteil einer integrierten elektronischen Schaltung (6) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände innerhalb eines digitalen Teilpotentiometers (5a) oder (5b) gleiche Werte aufweisen, die digitalen Teilpotentiometer (5a) und (5b) jedoch unterschiedliche Widerstände aufweisen, deren Werte nicht ganzzahlig durcheinander teilbar sind, und aus den beiden parallelen Teilpotentiometern (5a) und (5b) ein exponentiell verlaufendes digitales Potentiometer (5) resultiert.Inductive proximity switch having a resonant circuit with a sensor coil (1) and a resonant circuit capacitor (2), which is excited by an oscillator circuit (3), and an evaluation unit (4) for controlling the oscillator circuit (3) and for generating a binary switching signal, the Oscillator amplitude with a digital potentiometer (5) is set, wherein the digital potentiometer (5) comprises two parallel electrically connected Teilpotentiometer (5a) and (5b), which are part of an integrated electronic circuit (6), characterized in that the resistors within a digital Teilpotentiometers (5a) or (5b) have the same values, but the digital Teilpotentiometer (5a) and (5b) have different resistances whose values are not integer divisible, and from the two parallel Teilpotentiometern (5a) and (5b) an exponential digital potentiometer (5) results.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to an inductive proximity switch according to the preamble of patent claim 1.

Induktive Näherungsschalter sind seit langem bekannt und werden auch von der Anmelderin in großer Stückzahl hergestellt und vertrieben. Inductive proximity switches have long been known and are also produced and distributed by the applicant in large numbers.

Sie bestehen üblicherweise aus einem Schwingkreis mit einer Spule und einem Kondensator, der von einer Oszillatorschaltung angeregt wird, und einer Auswerteeinheit. Bei Annäherung eines metallischen bzw. elektrisch leitfähigen Gegenstandes (Schaltfahne) ändert sich der Bedämpfungszustand des Oszillators. Die Amplitude und/oder die Frequenz des Oszillators werden von der Auswerteeinheit erfasst, und bei Erreichen einer bestimmten Signalhöhe, die i. A. einem bestimmten Abstand der Schaltfahne entspricht, ein meist binäres Schaltsignal ausgegeben. They usually consist of a resonant circuit with a coil and a capacitor, which is excited by an oscillator circuit, and an evaluation unit. When approaching a metallic or electrically conductive object (switching flag), the damping state of the oscillator changes. The amplitude and / or the frequency of the oscillator are detected by the evaluation unit, and upon reaching a certain signal level, the i. A. corresponds to a certain distance of the switching flag, a mostly binary switching signal output.

Als besonders vorteilhaft hat sich der Stromspiegeloszillator erwiesen, u. a. auch deshalb, weil er mit einem nicht mit zur Oszillatorkreis gehörigen Abgleichwiderstand einstellbar ist. Be particularly advantageous, the current mirror oscillator has proven u. a. also because it is adjustable with a compensation resistor not associated with the oscillator circuit.

Aus der DE 43 31 555 A1 ist ein induktiver Näherungsschalter mit einem Abgleichwiderstand bekannt. Hier wird auch angeregt, an Stelle eines Flächenwiderstandes ein elektronisches Potentiometer zu verwenden, das in bekannter Weise von einem Mikrocontroller gesteuert werden kann. From the DE 43 31 555 A1 is an inductive proximity switch with a balancing resistor known. It is also suggested here to use an electronic potentiometer instead of a surface resistance, which can be controlled in a known manner by a microcontroller.

Die US 8 432 169 B2 offenbart eine Anzahl von unterschiedlich aufgebauten induktiven Näherungsschaltern mit elektronisch einstellbaren Widerständen (Digitalpotentiometern). In den Ausführungsbeispielen wird deren Auflösung mit 8 Bit angegeben. Hinweise zu den Kennlinien und den Hochfrequenzeigenschaften, insbesondere zu den Parallelkapazitäten sind der Druckschrift nicht entnehmbar. The US 8 432 169 B2 discloses a number of differently constructed inductive proximity switches with electronically adjustable resistors (digital potentiometers). In the embodiments, their resolution is specified as 8 bits. Notes on the characteristics and the high-frequency characteristics, in particular the parallel capacities are the reference not removable.

Für diese Geräte sind spezielle integrierte Schaltungen (ASICs) entwickelt worden. Um eine hohe Stückzahl zu erreichen, sollten diese integrierten Schaltungen in unterschiedlichen Gerätetypen mit den unterschiedlichsten Sensorspulen einsetzbar sein. Das erfordert wiederum einen möglichst großen Einstellbereich mit hoher Auflösung für den Abgleich der Sensoren, wobei auch noch die Toleranzen der Schalenkerne zu berücksichtigen sind. Special integrated circuits (ASICs) have been developed for these devices. In order to achieve a high number of pieces, these integrated circuits should be usable in different types of devices with a wide variety of sensor coils. This again requires the largest possible setting range with high resolution for the adjustment of the sensors, whereby also the tolerances of the shell cores are to be considered.

Wie sich gezeigt hat, reichen die herkömmlichen digitalen Potentiometer mit 8 Bit hierfür nicht aus. Weiterhin hat sich gezeigt, dass der Kennlinienverlauf entscheidend verbessert werden kann, wenn an Stelle der üblichen, nach Zweierpotenzen gestaffelten Widerstände, gleichartige Teilwiderstände eingesetzt werden. As it has been shown, the conventional 8-bit digital potentiometers are not sufficient for this purpose. Furthermore, it has been found that the characteristic curve can be decisively improved if, instead of the usual resistances staggered by powers of two, similar partial resistances are used.

Die Anzahl der verwendeten Einzelwiderstände und Schalttransistoren ist direkt proportional der Anzahl der realisierten Widerstandsschritte. Ein Potentiometer mit N Schritten (Auflösung ld (N) Bit) weist in der Regel N*x Bauteile auf. Ein Potentiometer mit 4 Schritten (2 Bit), weist demnach 4*x Bauteile auf. Neben dem Bedarf an Bauteilen nimmt natürlich auch der Einfluss parasitärer Effekte wie der Kapazität zu. Somit sind für ein digitales Potentiometer mit 8 Bit Auflösung an Stelle von 8 gestuften Widerständen 255 gleichartige Widerstände erforderlich. The number of individual resistors and switching transistors used is directly proportional to the number of resistance steps implemented. A potentiometer with N steps (resolution ld (N) bit) usually has N * x components. A potentiometer with 4 steps (2 bits), therefore has 4 * x components. In addition to the demand for components, of course, the influence of parasitic effects such as capacity increases. Thus, for a digital potentiometer with 8 bit resolution, instead of 8 stepped resistors, 255 similar resistors are required.

Was für 8 Bit und vielleicht auch noch für 12 Bit in einer integrierten Schaltung möglich ist, ist spätestens bei 16 Bit mit über 65000 Widerständen nicht mehr sinnvoll. What is possible for 8 bits and maybe even for 12 bits in an integrated circuit is no longer sensible at the latest with 16 bits with more than 65000 resistors.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Stand der Technik zu verbessern. Dabei soll eine Möglichkeit aufgezeigt werden, das o. g. Problem zumindest partiell zu lösen. The object of the invention is to improve the state of the art. In this case, a possibility should be shown that o. G. To solve the problem at least partially.

Insbesondere soll ein großer Einstellbereich (Dynamik) erreicht werden. Die Hochfrequenzeigenschaften sollen dabei möglichst wenig beeinträchtigt werden. In particular, a large adjustment range (dynamics) should be achieved. The high-frequency properties should be affected as little as possible.

Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, an Stelle eines einzelnen digitalen Potentiometers mindestens zwei unterschiedlich abgestufte Potentiometer einzusetzen und diese parallel zu betreiben. The essential idea of the invention is to use at least two differently graduated potentiometers instead of a single digital potentiometer and to operate them in parallel.

Durch die erfindungsgemäße Dimensionierung der Widerstände lässt sich die Auflösung in Bit verdoppeln, ohne die Komplexität exponentiell zu erhöhen. Dabei können die Widerstände innerhalb eines Zweiges gleich oder unterschiedlich gestuft sein. Durch die im Ausführungsbeispiel gezeigte Wahl der Widerstände und die Reihenfolge der Ansteuerung lassen sich die differentielle Nichtlinearität der Kennlinie und deren Stetigkeit verbessern. By dimensioning the resistors according to the invention, the resolution can be doubled in bits without increasing the complexity exponentially. The resistances within a branch can be the same or different. By the choice shown in the embodiment of the resistors and The sequence of the control can improve the differential nonlinearity of the characteristic curve and its continuity.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden digitalen Potentiometer gemeinsam mit der Oszillatorschaltung und der Auswerteschaltung in einem ASIC untergebracht. In an advantageous embodiment, the two digital potentiometers are housed together with the oscillator circuit and the evaluation circuit in an ASIC.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. The invention will be explained in more detail with reference to the drawing.

1 zeigt den erfindungsgemäßen Näherungsschalter mit einem digitalen Potentiometer. 1 shows the proximity switch according to the invention with a digital potentiometer.

2 zeigt das aus zwei Teilpotentiometern bestehende digitale Potentiometer im Detail. 2 shows the digital potentiometer consisting of two part potentiometers in detail.

3 zeigt die Widerstandskennlinie des erfindungsgemäßen digitalen Potentiometers. 3 shows the resistance characteristic of the digital potentiometer according to the invention.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter mit einer Sensorspule 1, einem Schwingkreiskondensator 2, einer Oszillatorschaltung 3 und einer Auswerteeinheit 4 mit einem digitalen Potentiometer 5. Obwohl es sich hier eigentlich um einen veränderbaren Widerstand mit zwei Anschlüssen, also um einen Rheostaten handelt, wird in folgenden der gebräuchlichere Ausdruck Potentiometer verwendet. 1 shows a proximity switch according to the invention with a sensor coil 1 , a resonant circuit capacitor 2 , an oscillator circuit 3 and an evaluation unit 4 with a digital potentiometer 5 , Although this is actually a variable resistor with two terminals, so a rheostat, the following is the more common term used potentiometer.

Das digitale Potentiometer 5 besteht aus den beiden Teilpotentiometern 5a und 5b, die erfindungsgemäß parallel geschaltet sind. Sie gehören zu einer integrierten Schaltung 6 (ASIC), welche vorteilhaft auch die Oszillatorschaltung 3 und die Auswerteeinheit 4 enthält. Die Schalttransistoren T11 bis T24 werden von der Auswerteeinheit 4 gesteuert. The digital potentiometer 5 consists of the two part potentiometers 5a and 5b , which are connected in parallel according to the invention. They belong to an integrated circuit 6 (ASIC), which also advantageous the oscillator circuit 3 and the evaluation unit 4 contains. The switching transistors T11 to T24 are from the evaluation unit 4 controlled.

Selbstverständlich können auch einzelne oder mehrere Bausteine aus dem ASIC herausgelöst und diskret aufgebaut werden, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Of course, individual or multiple modules can be removed from the ASIC and discretely built without departing from the spirit.

Die 2 zeigt ein erfindungsgemäßes digitales Potentiometer im Detail mit jeweils 4 Widerständen pro Zweig. Selbstverständlich kann die Zahl der Widerstände auf N erhöht werden. Durch Wahl der Widerstände R₁₁...R_1N und R₂₁...R_2N lässt sich die Kennlinie des Potentiometers maßgeblich beeinflussen. So kann die Auflösung in Bit verdoppelt werden, ohne die Komplexität der Anordnung exponentiell zu erhöhen, aber auch überflüssige weil doppelt belegte Schaltstufen vermieden und die Lage der Stützstellen optimiert werden. Die Widerstandswerte innerhalb eines Teilpotentiometers können auch unterschiedlich sein. The 2 shows a digital potentiometer according to the invention in detail with 4 resistors per branch. Of course, the number of resistors can be increased to N. By selection of the resistors R ₁₁ ... R _1N and R ₂₁ ... R _2N, the characteristic curve of the potentiometer can significantly influence. Thus, the resolution can be doubled in bits, without increasing the complexity of the arrangement exponentially, but also superfluous because doubly occupied switching stages are avoided and the location of the nodes optimized. The resistance values within a sub-potentiometer may also be different.

Für die Herstellung einer integrierten Schaltung (ASIC) ist es vorteilhaft, nur gleichartige Widerstandsbausteine zu verwenden. Damit erzeugt man allerdings die bereits erwähnten doppelt belegten Schaltstufen. Deshalb sollten die Werte in den beiden Teilpotentiometern 5a und 5b besser unterschiedlich und nicht durcheinander teilbar sein. Dieses Problem lässt sich durch Widerstandsnetzwerke aus gleichartigen Bausteinen lösen. For the production of an integrated circuit (ASIC), it is advantageous to use only similar resistor modules. However, this creates the already mentioned double occupied switching stages. Therefore, the values should be in the two sub-potentiometers 5a and 5b better different and not be divisible. This problem can be solved by resistor networks of similar components.

Die Tabelle 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Abstufung der Widerstände in den digitalen Potentiometern 5a und 5b mit exponentiellem Verlauf, maximaler Stetigkeit und minimaler differentieller Nichtlinearität. In vorteilhafter Weise wurden unterschiedliche nicht durcheinander teilbare Werte von 24 kΩ für 5a und 14 kΩ für 5b gewählt. Deshalb sind, wie man sieht, die Stützstellen deshalb gleichmäßig verteilt und der Kurvenverlauf gut an eine Exponentialfunktion angepasst (siehe auch 3). Table 1 shows an embodiment of the gradation of the resistors in the digital potentiometers 5a and 5b with exponential progression, maximum continuity, and minimal differential nonlinearity. Advantageously, different non-divisible values of 24 kΩ for 5a and 14 kΩ for 5b selected. Therefore, as you can see, the support points are evenly distributed and the curve is well adapted to an exponential function (see also 3 ).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Sensorspule sensor coil
2 2: Schwingkreiskondensator Resonant circuit capacitor
3 3: Oszillatorschaltung oscillator circuit
4 4: Auswerteeinheit evaluation
5 5: Digitales Potentiometer zum Abgleich, besteht aus den Teilpotentiometern 5a und 5b Digital potentiometer for adjustment, consists of the Teilpotentiometern 5a and 5b
6 6: Integrierte elektronischen Schaltung (ASIC) Integrated electronic circuit (ASIC)

Tabelle 1 Schritt Trs. leitend Poti 5a [kΩ] Poti 5b [kΩ] R [kΩ] 1 T12 und T22 24 14 8,84 2 T13 und T22 48 14 10,84 3 T14 und T22 72 14 11,72 4 nur T22 96 14 12,22 5 T12 und T23 24 28 12,92 6 T12 und T24 24 42 15,27 7 nur T12 24 56 16,80 8 T13 und T23 48 28 17,68 9 T14 und T23 72 28 20,16 10 nur T23 96 28 21,68 11 T13 und T24 48 42 22,40 12 nur T23 48 56 25,85 13 T14 und T24 72 42 26,53 14 nur T24 96 42 29,22 15 nur T14 72 56 31,50 16 alle sperrend 96 56 35,37 Table 1 step Trs. conductive Poti 5a [KΩ] Poti 5b [KΩ] R [kΩ] 1 T12 and T22 24 14 8.84 2 T13 and T22 48 14 10.84 3 T14 and T22 72 14 11.72 4 only T22 96 14 12.22 5 T12 and T23 24 28 12.92 6 T12 and T24 24 42 15.27 7 only T12 24 56 16,80 8th T13 and T23 48 28 17.68 9 T14 and T23 72 28 20.16 10 only T23 96 28 21.68 11 T13 and T24 48 42 22.40 12 only T23 48 56 25.85 13 T14 and T24 72 42 26.53 14 only T24 96 42 29.22 15 only T14 72 56 31.50 16 all blocking 96 56 35.37

In jedem der beiden Teilpotentiometer 5a und 5b ist jeweils höchstens ein Transistor leitend. In each of the two sub-potentiometers 5a and 5b in each case at most one transistor is conductive.

Die nicht zur Einstellung des Potentiometers 5 notwendigen Transistoren T11 und T21 dienen dazu, um für alle Teilwiderstände die gleiche Parallelkapazität zu erzeugen. Not to adjust the potentiometer 5 necessary transistors T11 and T21 serve to generate the same parallel capacitance for all partial resistors.

Die Schaltreihenfolge für einen gleichmäßigen Kurvenverlauf ist aus der Spalte 2 ersichtlich. Die Spalte 5 zeigt den resultierenden Widerstandswert für das Potentiometer 5. Mit nur 6 Transistoren werden immerhin 16 verschiedene Schaltzustände realisiert. The switching sequence for a uniform curve is shown in column 2. Column 5 shows the resulting resistance value for the potentiometer 5 , With only 6 transistors, at least 16 different switching states are realized.

Durch die Serien- oder Parallelschaltung des obigen Netzwerks mit weiteren digitalen Potentiometern oder herkömmlichen Widerständen lässt sich der Arbeitspunkt verschieben und / oder die Genauigkeit erhöhen. By serial or parallel connection of the above network with other digital potentiometers or conventional resistors can shift the operating point and / or increase the accuracy.

Die 3 zeigt die Kennlinie des digitalen Potentiometers 5 nach der Tabelle 1. Die Kreise zeigen die Widerstandswerte. Die Dreiecke folgen der angestrebten Exponentialfunktion R_exp = 8,7725 e^{(0,0873 × Schritt)}. The 3 shows the characteristic of the digital potentiometer 5 according to Table 1. The circles show the resistance values. The triangles follow the desired exponential function R _exp = 8.7725 e ^{(0.0873 × step)} .

Claims

Inductive proximity switch with a resonant circuit with a sensor coil ( 1 ) and a resonant circuit capacitor ( 2 ) generated by an oscillator circuit ( 3 ), and an evaluation unit ( 4 ) for controlling the oscillator circuit ( 3 ) and for generating a binary switching signal, wherein the oscillator amplitude with a digital potentiometer ( 5 ), whereby the digital potentiometer ( 5 ) two parallel electrically operated partial potentiometers ( 5a ) and ( 5b ) which forms part of an integrated electronic circuit ( 6 ), characterized in that the resistors within a digital Teilpotentiometers ( 5a ) or ( 5b ) have the same values, the digital partial potentiometers ( 5a ) and ( 5b ) but have different resistances whose values are not divisible in an integer manner, and from the two parallel Teilpotentiometern ( 5a ) and ( 5b ) an exponential digital potentiometer ( 5 ) results.

Inductive proximity switch according to claim 1, characterized in that the integrated electronic circuit ( 6 ) also the oscillator circuit ( 3 ) and the evaluation unit ( 4 ) contains.