DE102014007236A1 - Verfahren zum Messen eines Kapazitätswertes - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Kapazitätswertes eines kapazitiven Sensorelements mittels eines Integrationsverfahrens, wobei ein Anschluss des Sensorelements mit einem ersten Anschluss eines Integrationskondensators mit einem bekannten Kapazitätswert, welcher groß gegenüber dem Kapazitätswert des Sensorelements ist, an einem gemeinsamen Schaltungsknoten elektrisch verbunden ist, und wobei nach einer Anzahl von Integrationszyklen eine an dem Integrationskondensator anliegende Spannung mittels eines A/D-Wandlers gemessen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Verfahrensschritte: a) Festlegen der Anzahl von Integrationszyklen auf einen Startwert und Bestimmen eines Endwertes für die Anzahl von Integrationszyklen b) Initialisieren eines Spannungssummenwerts auf den Wert Null c) Durchführen des Integrationsverfahrens und Addieren des mittels des A/D-Wandlers aktuell bestimmten Spannungswertes zu dem Spannungssummenwert d) Erhöhen der Anzahl um einen Wert n, wobei n größer oder gleich 1 und kleiner als NDiff = NEnd – NStart ist, und Wiederholung der Verfahrensschritte ab Schritt c) bis die Anzahl den bestimmten Endwert überschreitet d) Auswertung des Spannungssummenwerts als Messergebnis.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Kapazitätswertes eines kapazitiven Sensorelements mittels eines Integrationsverfahrens, wobei ein Anschluss des Sensorelements mit einem ersten Anschluss eines Integrationskondensators mit einem bekannten Kapazitätswert, welcher groß gegenüber dem Kapazitätswert des Sensorelements ist, an einem gemeinsamen Schaltungsknoten elektrisch verbunden ist, und wobei nach einer Anzahl N von Integrationszyklen eine an dem Integrationskondensator anliegende Spannung mittels eines A/D-Wandlers gemessen wird.
  • Verfahren der hier angesprochenen Art werden verwendet um kapazitive Berührungs- bzw. Annäherungssensoren auszuwerten. Ein solcher Sensor kann die Gegenwart und bei entsprechender Ausgestaltung auch den Ort einer Berührung oder der Annäherung durch ein Objekt, wie zum Beispiel einen Finger des Benutzers oder einen Stift, innerhalb eines empfindlichen Bereichs detektieren. Der berührungsempfindliche Bereich kann dabei beispielsweise einen Anzeigebildschirm überlagern. In einer Anzeigeanwendung kann es der Berührungs- bzw. Annäherungssensor dem Benutzer ermöglichen, direkt mit dem, was auf dem Bildschirm dargestellt wird, zu interagieren, und nicht nur indirekt mittels einer Maus oder einem ähnlichen Eingabegerät.
  • Es gibt eine Anzahl verschiedener Arten von Berührungssensoren, wie zum Beispiel resistive Berührungssensoren, Berührungssensoren mit akustischen Oberflächenwellen und kapazitive Berührungssensoren, wobei letztgenannte, mit denen eben insbesondere auch schon eine bloße Annäherung erfasst werden kann, inzwischen die größte Verbreitung erfahren haben.
  • Wenn ein Objekt die Oberfläche eines kapazitiven Berührungssensors berührt oder in dessen Nähe kommt, tritt eine Änderung des Kapazitätswertes des Sensors auf. Aufgabe eines zugeordneten Sensorsteuergerätes bzw. des durch dieses verwendeten Messverfahrens ist es, diese Kapazitätsänderung zu verarbeiten, um die diese auslösende Berührung oder Annäherung zu erfassen. Die besondere Schwierigkeit hierbei besteht darin, dass die Kapazitätswerte der Sensoren und insbesondere die zu erfassenden Änderungen sehr klein sind. Aus diesem Grunde bedient man sich zu ihrer Messung gerne sogenannter Integrationsverfahren, bei denen in mehreren aufeinander folgenden Zyklen kleine Ladungsmengen von dem Sensorelement, dessen Kapazitätswert relativ klein und veränderlich ist, auf einen Integrationskondensator mit einem bekannten festen und deutlich größeren Kapazitätswert übertragen werden.
  • Durch die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2010 041 464 A1 ist ein Verfahren zum Messen eines Kapazitätswertes eines kapazitiven Sensorelements gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt geworden. Bei dem hier beschriebenen Verfahren zum Messen eines Kapazitätswertes handelt es sich um ein Integrationsverfahren der gerade angesprochenen Art, wobei ein Anschluss des Sensorelements mit einem ersten Anschluss des Integrationskondensators an einem gemeinsamen Schaltungsknoten elektrisch verbunden ist.
  • Zur Durchführung der Messung werden verschiedene Methoden verwendet. So kann beispielsweise nach Durchführung einer fest vorgegebenen Anzahl sogenannter Integrationszyklen die aus der Summe der dabei erfolgten Ladungstransfers resultierende, an dem Integrationskondensator anliegende Spannung mittels eines A/D-Wandlers gemessen und digitalisiert werden. Als Ergebnis der Messung wird die gemessene Spannung selbst, bzw. deren digitalisierter Wert, oder der aus diesem Wert und den bekannten konstanten Größen Kapazität des Integrationskondensators, Versorgungsspannung und Anzahl der Integrationszyklen berechnete Wert der Messkapazität verwendet. Alternativ hierzu kann aber auch in jedem einzelnen Integrationszyklus die an dem Integrationskondensator anliegende Spannung gemessen und bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellwertes die Messung beendet werden. Die Messgröße ist in diesem Fall dann die bis zum Erreichen der Schwellwertspannung durchgeführte Anzahl von Integrationszyklen.
  • Die Auflösung dieser Messverfahren und damit die Grenze für die Unterscheidbarkeit zweier Zustände, bzw. Kapazitätswerte ist maßgeblich durch die Auflösung des verwendeten A/D-Wandlers bestimmt. Durch einen A/D-Wandler können Spannungen nur in bestimmten diskreten Stufungen erfasst werden. Diese Stufen werden auch als Quantisierungsintervalle bezeichnet. Der zu messende Bereich wird also quantisiert, d. h. in diskrete Bereiche, in diesem Falle also Spannungsstufen aufgeteilt. Bei einer Messung wird dann der wahren, also analog gemessenen Spannung der Wert der nächst höheren oder tieferen Stufe als digitaler Messwert zugeordnet, je nachdem welcher dieser Stufen er näher liegt. Die Abweichung der wahren Spannung von der durch den A/D-Wandler ausgegebenen Spannungsstufe ist der Quantisierungsfehler. Sofern im Folgenden also von dem durch den A/D-Wandler gemessenen Spannungswert die Rede ist, ist damit jeweils der digitale Wert der durch den A/D-Wandler ausgegebenen Spannungsstufe gemeint.
  • Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hat dem gegenüber dem zuvor beschriebenen den Vorteil, bei identischer Auflösung des A/D-Wandlers eine höhere Auflösung des Messergebnisses zu erreichen.
  • Dies gelingt erfindungsgemäß durch die Verfahrensschritte:
    • a) Festlegen der Anzahl N von Integrationszyklen auf einen Startwert NStart und Bestimmen eines Endwertes NEnd für die Anzahl N von Integrationszyklen
    • b) Initialisieren eines Spannungssummenwerts UGes auf den Wert Null
    • c) Durchführen des Integrationsverfahrens und Addieren des mittels des A/D-Wandlers aktuell bestimmten Spannungswertes UCI(N) zu dem Spannungssummenwert UGes
    • d) Erhöhen der Anzahl N um einen Wert n, wobei n größer oder gleich 1 und kleiner als NDiff = NEnd – NStart ist, und Wiederholung der Verfahrensschritte ab Schritt c) bis die Anzahl N den bestimmten Endwert NEnd überschreitet
    • d) Auswertung des Spannungssummenwerts UGes als Messergebnis.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Integrationsverfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
    • c1) Verbinden des gemeinsamen Schaltungsknotens und des zweiten Anschlusses des Integrationskondensators mit einem Massepotential
    • c2) Anlegen einer bekannten Versorgungsspannung an den gemeinsamen Schaltungsknoten, wobei gleichzeitig der zweite Anschluss des Integrationskondensators potentialfrei gehalten wird
    • c3) Trennen der Versorgungsspannung von dem gemeinsamen Schaltungsknoten, wobei gleichzeitig der zweite Anschluss des Integrationskondensators mit dem Massepotential verbunden wird
    • c4) Wiederholung der Verfahrensschritte ab Schritt c2) bis die Zahl von Integrationszyklen die vorgegebene Anzahl N erreicht hat
    • c5) Messen der an dem Integrationskondensator anliegenden Spannung mittels des A/D-Wandlers
  • Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1:
    • a) eine schematische Darstellung der Messanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
    • b) eine Darstellung der zeitlichen Abfolge einer Integration mit N Integrationszyklen als Timing–Diagramm der Schalter aus a)
  • 2: den Verlauf der an dem Integrationskondensator anliegenden Spannung UCI(N) als Funktion der Anzahl N der Integrationszyklen Die Zeichnung zeigt in 1a) eine Messanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen eines Kapazitätswertes CM eines kapazitiven Sensorelements 1 in einer schematischen Darstellung als Schaltbild. Das Sensorelement 1 bildet dabei beispielsweise einen Berührungssensor aus, etwa in Form einer Elektrode, die eine Eigenkapazität mit einem Kapazitätswert CM bezüglich einem relativen Masse- oder Erdpotential hat. Bei Berührung oder Annäherung der Elektrode z. B. durch einen Finger des Benutzers ändert sich dieser Kapazitätswert CM durch die Berührungskapazität, die dieser bezüglich dem Masse- oder Erdpotential aufweist.
  • Ein Anschluss des Sensorelements 1 ist an einem gemeinsamen Schaltungsknoten 3 mit einem ersten Anschluss 2' eines Integrationskondensators 2 elektrisch verbunden. Der bekannte Kapazitätswert CI des Integrationskondensators 2 ist dabei groß gegenüber dem zu ermittelnden Kapazitätswert CM des Sensorelements 1. Der gemeinsame Schaltungsknoten 3 ist weiterhin mit einem ersten Schalter S1 verbunden und über diesen je nach Schalterstellung wahlweise mit dem Masse- oder Erdpotential GND, mit einer festen Versorgungsspannung UV oder mit einem Eingang eines A/D-Wandlers 4 verbindbar. Ein zweiter Anschluss 2'' des Integrationskondensators 2 ist elektrisch mit einem zweiten Schalter S2 verbunden und über diesen je nach Schalterstellung wahlweise mit dem Masse- oder Erdpotential GND oder mit der festen Versorgungsspannung UV verbindbar oder potentialfrei, also offen gehalten (NC).
  • Zur Messung des Kapazitätswerts CM wird ein grundsätzlich bekanntes Integrationsverfahren angewendet, bei dem in mehreren aufeinander folgenden Zyklen kleine Ladungsmengen von dem Sensorelement 1 auf den Integrationskondensator 2 übertragen werden. Nach einer Anzahl N von Integrationszyklen wird die dann an dem Integrationskondensator anliegende Spannung UCI(N) mittels des A/D-Wandlers 4 gemessen. Die Spannung UCI(N) ist direkt proportional dem Kapazitätswert CM und somit ein Maß für diesen. Ein beispielhafter Ablauf eines solchen Integrationsverfahrens wird anhand des in 1b) wiedergegebenen Timing–Diagramms der Schalter S1 und S2 aus der 1a) beschrieben:
    Zur Initialisierung des Messvorgangs werden der mit dem ersten Anschluss 2' des Integrationskondensators 2 verbundene, gemeinsame Schaltungsknoten 3 und der zweite Anschluss 2'' des Integrationskondensators 2 mit dem Massepotential verbunden, und damit die Spannung UCI(0) über dem Integrationskondensator 2 zu Null gesetzt (Reset Phase).
  • Die folgenden Schritte beschreiben einen Integrationszyklus (Integration Cycle):
    An den gemeinsamen Schaltungsknoten 3 wird mittels des Schalters S1 die Versorgungsspannung UV angelegt, wobei gleichzeitig der zweite Anschluss 2'' des Integrationskondensators 2 mittels des Schalters S2 offen und somit potentialfrei gehalten wird.
  • Dann wird die Versorgungsspannung UV mittels des Schalters S1 von dem gemeinsamen Schaltungsknoten 3 getrennt und potentialfrei gehalten, wobei gleichzeitig der zweite Anschluss 2'' des Integrationskondensators 2 mittels des Schalters S2 mit dem Massepotential GND verbunden wird.
  • Im Verlauf einer Messung werden die Schritte dieses Integrationszyklus wiederholt durchgeführt, und zwar so oft, bis die durchgeführte Zahl von Integrationszyklen eine vorgegebene Anzahl N erreicht hat (Integration Phase).
  • Im Anschluss daran wird die an dem Integrationskondensator 2 nach N Integrationszyklen anliegende Spannung UCI(N) mittels des A/D-Wandlers 4 gemessen indem der gemeinsame Schaltungsknoten 3 mittels des Schalters S1 mit dem Eingang des A/D-Wandlers 4 verbunden wird (Detection Phase).
  • Der gemessene (digitale) Spannungswert UCI(N) wird zur weiteren Verarbeitung und Auswertung an eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 5 übermittelt. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 5 steuert den Ablauf des gesamten beschriebenen Verfahrens und umfasst dazu als zentrales Element etwa einen Mikrocontroller.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die gerade beschriebene Messung mit N Integrationszyklen Bestandteil eines übergeordneten Ablaufs, der mehrere solcher Messungen mit jeweils unterschiedlichen Werten der durchzuführenden Anzahl N von Integrationszyklen umfasst, und zwar in der folgenden Weise, die auch aus der in 2 wiedergegebenen Darstellung des Verlaufs der an dem Integrationskondensator 2 anliegenden Spannung UCI(N) als Funktion der Anzahl N der Integrationszyklen deutlich wird:
    Zunächst wird die Anzahl N der durchzuführenden Integrationszyklen auf einen Startwert NStart für die erste Messung im Rahmen des übergeordneten Ablaufs festgelegt. Gleichzeitig wird ein Ziel- bzw. Endwert NEnd für die maximal durchzuführende Anzahl N von Integrationszyklen für die letzte Messung im Rahmen des übergeordneten Ablaufs bestimmt. Ein Spannungssummenwert UGes wird initialisiert auf den Wert Null.
  • Dann wird das oben beschriebene Integrationsverfahren mit der aktuell gültigen Anzahl N von Integrationszyklen durchgeführt und der dabei mittels des A/D-Wandlers aktuell bestimmte Spannungswertes UCI(N) zu dem aktuell gültigen Spannungssummenwert UGes addiert.
  • Anschließend wird die Anzahl N der durchzuführenden Integrationszyklen um einen Wert n erhöht und der im vorhergehenden Absatz beschriebene Schritt mit der neuen Anzahl N wiederholt. Der Erhöhungswert n ist dabei mindestens gleich 1 und kleiner als die Differenz NDiff = NEnd – NStart zwischen dem Startwert NStart und dem Ziel- bzw. Endwert NEnd. Um eine nicht zu geringe Menge von Messungen mit jeweils N Integrationszyklen als Bestandteil des übergeordneten Ablaufs zu erhalten, wird der Erhöhungswert n in der Regel deutlich kleiner als NDiff gewählt werden. Er kann dabei entweder von Schritt zu Schritt variieren oder aber einen konstanten Wert von z. B. n = 1, n = 3 oder n = 4 annehmen. Die Wiederholung des im vorhergehenden Absatz beschriebenen Schritts mit der neuen Anzahl N erfolgt so oft, bis die Anzahl N den eingangs bestimmten Endwert NEnd überschreitet.
  • Der bis zu diesem Zeitpunkt aufaddierte Spannungssummenwert UGes wird dann als Messergebnis ausgewertet.
  • In den Spannungssummenwert UGes gehen dabei die einzelnen gemessenen Spannungswerte UCI(N) als Summanden ein. Jeder dieser Spannungswerte UCI(N) wurde dabei durch den A/D-Wandler 4 bestimmt und ist daher, wie bereits zuvor erläutert, mit einem Quantisierungsfehler behaftet. Dabei verläuft die Quantisierung linear über den Messbereich, d. h. die Stufenhöhe der durch den A/D-Wandler 4 ausgegebenen Spannungsstufen ist jeweils gleich. Da der Verlauf der an dem Integrationskondensator 2 anliegenden Spannung UCI(N) als Funktion der Anzahl N der Integrationszyklen hingegen, wie in 2 zu erkennen, nichtlinear ist, ergibt sich eine statistische Verteilung der Quantisierungsfehler, die in der Summe zu einer zumindest teilweisen Kompensation derselben führt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010041464 A1 [0005]

Claims (4)

  1. Verfahren zum Messen eines Kapazitätswertes CM eines kapazitiven Sensorelements (1) mittels eines Integrationsverfahrens, wobei ein Anschluss des Sensorelements mit einem ersten Anschluss (2') eines Integrationskondensators (2) mit einem bekannten Kapazitätswert CI, welcher groß gegenüber dem Kapazitätswert CM des Sensorelements (1) ist, an einem gemeinsamen Schaltungsknoten (3) elektrisch verbunden ist, und wobei nach einer Anzahl N von Integrationszyklen eine an dem Integrationskondensator (2) anliegende Spannung UCI(N) mittels eines A/D-Wandlers (4) gemessen wird, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) Festlegen der Anzahl N von Integrationszyklen auf einen Startwert NStart und Bestimmen eines Endwertes NEnd für die Anzahl N von Integrationszyklen b) Initialisieren eines Spannungssummenwerts UGes auf den Wert Null c) Durchführen des Integrationsverfahrens und Addieren des mittels des A/D-Wandlers aktuell bestimmten Spannungswertes UCI(N) zu dem Spannungssummenwert UGes d) Erhöhen der Anzahl N um einen Wert n, wobei n größer oder gleich 1 und kleiner als NDiff = NEnd – NStart ist, und Wiederholung der Verfahrensschritte ab Schritt c) bis die Anzahl N den bestimmten Endwert NEnd überschreitet d) Auswertung des Spannungssummenwerts UGes als Messergebnis.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert n der Erhöhung ein konstanter Wert ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert n der Erhöhung von Schritt zu Schritt variiert.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Integrationsverfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst: c1) Verbinden des gemeinsamen Schaltungsknotens (3) und des zweiten Anschlusses (2'') des Integrationskondensators (2) mit einem Massepotential GND c2) Anlegen einer bekannten Versorgungsspannung UV an den gemeinsamen Schaltungsknoten (3), wobei gleichzeitig der zweite Anschluss (2'') des Integrationskondensators (2) potentialfrei gehalten wird c3) Trennen der Versorgungsspannung UV von dem gemeinsamen Schaltungsknoten (3), wobei gleichzeitig der zweite Anschluss (2'') des Integrationskondensators (2) mit dem Massepotential GND verbunden wird c4) Wiederholung der Verfahrensschritte ab Schritt c2) bis die Zahl von Integrationszyklen die vorgegebene Anzahl N erreicht hat c5) Messen der an dem Integrationskondensator (2) anliegenden Spannung UCI(N) mittels des A/D-Wandlers (4).
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