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Die Erfindung betrifft eine Auswerteschaltung für einen kapazitiven Sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Kapazitive Sensoren sind nicht nur in der Automatisierungstechnik, sondern neuerdings auch in der Automobiltechnik weit verbreitet, wo sie u. a. als Kofferraum-, Türöffner, oder zur Sitzbelegungserkennung Anwendung finden.
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Die
AT 403 213 B offenbart einen kapazitiven Feuchtesensor mit einem Rechteckgenerator, dessen Signal über zwei unterschiedliche Signalwege einem UND-Gatter zugeführt werden, wobei der eine Signalweg direkt verläuft und der andere eine Messelektrode aufweist, deren Kapazität die Signalform beeinflusst und dadurch das Erreichen einer Schaltschwelle verzögert.
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Die
WO 2007 025 785 A1 offenbart einen kapazitiven Sensor mit einem Rechteckgenerator, dessen Signal über zwei unterschiedliche Signalwege einem XOR-Gatter zugeführt wird, wobei der eine Signalweg eine Messelektrode und der andere eine Referenzelektrode enthält.
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Die
DE 10 2012 106 526 A1 offenbart einen kapazitiven Türgriffsensor für ein Kraftfahrzeug mit mindestens zwei Elektroden mit unterschiedlichen Überwachungsbereichen, wobei eine Elektrode als Referenzelektrode wirkt.
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Die
DE 10 2012 224 007 A1 offenbart eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung der Kapazität eines Messkondensators in eine mit einem Analog-Digitalwandler erfassbare Spannung mit einer Ladungsübertragungseinrichtung zur Übertagung der Ladung einer unbekannten Kapazität C
x auf einen Messkondensator C
L, wobei allerdings nur der Vergleich einer einzigen unbekannten Kapazität C
x mit einer Referenzkapazität C
ref vorgesehen ist.
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Die
DE 10 2014 216 998 A1 zeigt eine Auswerteschaltung für einen kapazitiven Sensor mit mehreren Messkapazitäten und einer Referenzkapazität, wobei die Messkapazitäten nacheinander in einem vorgegebenen Zeitregime mit derselben Referenzkapazität verglichen werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gegenüber der in der
DE 10 2014 216 998 A1 gezeigten Schaltung eine nochmals kostenoptimierte Schaltung anzugeben, welche gleichzeitig zusätzliche Möglichkeiten aufweist, die kapazitiv wirksamen Umwelteinflüsse zu erfassen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, die Messkapazitäten nacheinander in einem vorgegebenen Zeitregime mit derselben Referenzkapazität zu vergleichen und die jeweilige Kapazitätsmessung durch eine zusätzliche Hilfselektrode steuerbar zu beeinflussen. Dazu wird die Referenzkapazität mit dem Eingang einer ersten Schaltstufe und die Messkapazitäten mit den Eingängen weiterer Schaltstufen verbunden, wobei diese Schaltstufen beispielsweise als NAND Gatter ausgebildet sind und miteinander eine logische Verknüpfungseinheit bilden, die so ausgebildet ist, dass der Schaltzeitpunkt der ersten Schaltstufe den Einschaltzeitpunkt eines Ausgangssignals bestimmt und der Schaltzeitpunkt einer weiteren Schaltstufe den Ausschaltzeitpunkt des Ausgangssignals bestimmt oder dass der Schaltzeitpunkt der ersten Schaltstufe den Ausschaltzeitpunkt eines Ausgangssignals bestimmt und der Schaltzeitpunkt einer weiteren Schaltstufe den Einschaltzeitpunkt des Ausgangssignals bestimmt. Die Ausgangssignale der logischen Verknüpfungseinheit werden dem Eingang einer Integrationsstufe zugeführt. Über den Ausgang der Integrationsstufe, die auch als Stromquelle wirken kann, wird ein Ladekondensator geladen. Die zeitliche Länge der von der o. g. logischen Verknüpfungseinheit generierten Ausgangsimpulse bestimmt die Spannung des Ladekondensators.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Referenzkapazität mit einer Zeitbeeinflussungseinheit verbunden, die mindestens einen Kondensator und eine Spannungsquelle aufweist, bzw. mit einer steuerbaren Spannungsquelle verbunden ist. Die Zeitbeeinflussungseinheit dient zur gezielten Beeinflussung der durch die Referenzkapazität erzeugten Verzögerungszeit.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch eine Hilfselektrode, die im Wesentlichen zeitgleich mit einer der Messelektroden mit einem Spannungssignal beaufschlagt wird, eine gezielte kapazitive Beeinflussung der Messelektrode möglich ist, so dass auf diese Weise weitere räumliche Regionen im Umfeld der Messelektrode kapazitiv ausgewertet werden können, ohne dass dadurch ein separater Messkanal mit zusätzlichem Schaltungsaufwand zur Kapazitätsmessung einer Elektrode erforderlich ist.
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So kann beispielsweise mit nur einem IC des Typs 74HC132 ein kapazitiver Sensor mit zwei Sensorelektroden aufgebaut werden, was einerseits zu einer Einsparung von Bauelementen führt und andererseits zusätzliche Möglichkeiten zur Erfassung kapazitiv wirksamer Umwelteinflüsse bietet.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Auswerteschaltung mit einer passiven Hilfselektrode.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Auswerteschaltung mit einer aktiven Hilfselektrode.
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3 zeigt einen zu den Schaltungen in 1 und 2 gehörenden Mikrocontroller mit Schaltstufe.
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4 zeigt das Impulsdiagramm zur Steuerung der Messung im Detail.
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5 zeigt die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung in einem Fahrzeugtürgriff.
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6 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit zwei Sensorelektroden und einer aktiven Hilfselektrode.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer integrierten Schaltung des Typs 74HC132 mit vier Schaltstufen (NAND-Gatter) 41, 42, 43, 44, die eine logische Verknüpfungseinheit 4 bilden, wobei im Ruhezustand der steuerbare Gattereingang der mit 41 bezeichneten Schaltstufe auf dem logischen Zustand „Hoch“ liegt, so dass deren Ausgang den logischen Zustand „Tief“ einnimmt. Das hat zur Folge, dass für die Dauer dieses Zustandes die Schaltstufen 42, 43 an ihrem nicht von außen steuerbaren Eingang ebenfalls auf „Tief“ liegen und somit signaltechnisch gesperrt sind, so dass deren Ausgänge für die Dauer dieses Signalzustandes auf „Hoch“ liegen, die Schaltstufe 44 an ihrem Ausgang den Zustand „Tief“ einnimmt und die Integrationsstufe 5 ebenfalls gesperrt ist, wobei der hier mit Ca bezeichnete Ladekondensator geladen bleibt, der vorher von dem Schalter S aufgeladen wurde, welcher wiederum von dem in 3 dargestellten Mikrocontroller µC gesteuert wird.
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Der nicht mit der Betriebsspannung verbundene Steuereingang der Schaltstufe 41 ist mit einer Zeitbeeinflussungseinheit 9 verbunden, die neben Rref und Cref zwei Kondensatoren Cr1 und Cr2 aufweist, an die Hilfsspannungsquellen U1 und U2 angeschlossen sind.
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Im Ruhezustand liegt der Takteingang Clock_Ref und einer der Takteingänge Clock_1, Clock_2, auf „Hoch“. In diesem Beispiel sei angenommen, dass der Takteingang Clock_1 gerade auf „Hoch“ liegt. Der jeweils andere Takteingang liegt auf „Tief“. In diesem Beispiel wird die Schaltstufe 42, deren Takteingang auf „Hoch“ liegt, für eine Impulserzeugung vorbereitet, während der andere Takteingang, in diesem Beispiel die Schaltstufe 43, durch das logische Eingangssignal „Tief“ weiterhin gesperrt bleibt.
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Zur Erzeugung eines Impulses an einem der Ausgänge der Schaltstufen 42, 43, und damit auch an 44, werden durch eine extern angeschlossene, in 3 dargestellte Steuereinheit J5, z.B. einen Mikrocontroller (µC), sowohl der Takteingang „Clock_Ref“ als auch der auf „Hoch“ liegende Takteingang der Takteingänge Clock_1, Clock_2 gleichzeitig auf „Tief“ geschaltet. Dadurch gelangt das an „Clock_Ref“ angelegte Signal über den Tiefpass Rref, Cref an den Eingang der Schaltstufe 41 und löst bei Erreichen der Schwellspannung an dessen Ausgang einen positiven Spannungssprung aus, wobei die Verzögerungszeit dieses Spannungssprunges von der Zeitbeeinflussungseinheit (9) beeinflusst wird, mit deren Hilfe das Signal an Cref zeitlich verschoben werden kann. Zu diesem Zweck werden die Hilfsspannungen U1 und U2 angelegt. Diese Spannungen und auch die drei in der 4 gezeigten Taktsignale (Clock_Ref, Clock_1, Clock_2) können von der zuvor beschriebenen Steuereinheit (µC) erzeugt werden.
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Für eine sinnvolle Impulserzeugung sind alle Zeitkonstanten und alle Steuersignale, die signaltechnisch vor den Gattereingängen der Gatter 41 und 42, 43 liegen, so dimensioniert, beziehungsweise eingestellt, dass zuerst die Spannung am Gattereingang des Gatters 41 die negative Schaltschwelle erreicht. Dies bewirkt, dass an den von außen nicht zugänglichen Gattereingängen der Gatter 42, 43 der logische Zustand von „Tief“ auf „Hoch“ wechselt, so dass wie gezeigt, das Gatter 42, an dessen von außen zugänglichem Eingang der logische Zustand „Hoch“ anliegt, seinen Ausgang auf „Tief“ schaltet und somit über das nachfolgend angeschlossene Verknüpfungsglied (NAND-Gatter) 44 die nachfolgend angeschlossene Integrationsstufe 5 ansteuert. Damit wird ein Entladevorgang des mit Ca bezeichneten Kondensators über die Integrationsstufe 5 gestartet. Der Einschaltzeitpunkt dieses Ausgangssignals wird somit vom Schaltzeitpunkt der ersten Schaltstufe 41 bestimmt. Das andere Gatter 43, an dem der von außen zugängliche Eingang von vornherein auf „Tief“ liegt, bleibt somit signaltechnisch gesperrt.
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Danach erreicht die Spannung an dem von außen zugänglichen Gattereingang, dessen angeschlossener Takteingang gleichzeitig mit dem Signal „Clock_Ref“ von „Hoch“ auf „Tief“ geschaltet wird, seine negative Schaltschwelle, so dass der soeben von „Hoch“ auf „Tief“ geschaltete Gatterausgang der Schaltstufe 42 wieder auf „Hoch“ zurück schaltet, das Gatter 44 wieder auf „Tief“ zurück schaltet und somit die Ansteuerung der nachfolgend angeschlossenen Integrationsstufe 5 wieder unterbricht, wodurch der Entladevorgang des mit Ca bezeichneten Kondensators beendet wird. Somit wird der Ausschaltzeitpunkt dieses Ausgangssignals vom Schaltzeitpunkt der weiteren Schaltstufe 42 bestimmt.
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Somit wird bei Erreichen der Schwellspannung einer ersten Schaltstufe 41 ein Startsignal und bei Erreichen der Schwellspannung einer weiteren Schaltstufe 42 oder 43 ein Stoppsignal erzeugt.
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Die Zeitbeeinflussungseinheit 9 beinhaltet zur gezielten Beeinflussung der durch die Referenzkapazität 1 (Cref) erzeugten Verzögerungszeit mindestens einen Kondensator Cr1 und eine von der Auswerteeinheit (µC) steuerbare Spannungsquelle U1.
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Damit ist die Zeitdauer, mit der die Integrationsstufe 5 angesteuert wird, abhängig von der zu messenden Elektrodenkapazität, welche dem jeweils aktivierten Takteingang (Clock_1, Clock_2) zugeordnet ist. Zur Auswertung einer beliebigen zu messenden Kapazität wird der jeweils zugeordnete Takteingang in der oben beschriebenen Weise angesteuert.
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Die Hilfselektrode 8 mit der Bezeichnung EL_H liegt dabei auf einem weiteren Anschluss IN_1 der Steuereinheit µC aus 3, wird durch einen Widerstand (Re3) von mindestens einem der Clock-Eingänge Clock_1, Clock_2 gespeist, und ist kapazitiv mit mindestens einer der Messelektroden 21, 22 (EL_1, EL_2) gekoppelt. In dem gezeigten Beispiel wird die Hilfselektrode 8 vom Clock-Eingang Clock_2 gespeist und ist kapazitiv mit der Messelektrode 22 (EL_2) gekoppelt.
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Der Anschluss IN_1 kann während der Impulserzeugung von Clock_2 in mindestens 2 verschiedenen Modi betrieben werden, beispielsweise hochohmig und niederohmig. Dadurch wird in dem hochohmigen Modus das an Clock_2 anliegende Taktsignal ebenso auf die Hilfselektrode 8 (EL_H) geführt, während in dem niederohmigen Modus das an Clock_2 anliegende Taktsignal durch IN_1 kurzgeschlossen wird und somit nicht an der Hilfselektrode 8 (EL_H) erscheint. Somit wird in den zwei verschiedenen Modi über die kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden 8 (EL_H) und 22 (EL_2) die Kapazitätsmessung an 22 (EL_2) unterschiedlich beeinflusst, was in der Signalauswertung eine Aussage über die gegenseitige Kapazität zwischen den Elektroden 8 (EL_H) und 22 (EL_2) erlaubt.
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Dies kann beispielsweise nützlich sein, um den Einfluss von außerhalb der Sensoranordnung befindlichen Objekten, beispielsweise Wasser, leitfähigem Primer oder einem Chrombelag auf dem Gehäuse des Gerätes zu erkennen und somit die Erfassungscharakteristik des Sensors beispielsweise durch angepasste Parametrierung, optimieren zu können. Auf diesem Wege können auch unerwünschte Bedienfälle unterdrückt oder der Einfluss von variablen Montageumgebungen erkannt werden.
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Die 2 zeigt eine Schaltungsanordnung wie in 1, die sich nur durch die Ansteuerung der Hilfselektrode 8 (EL_H) unterscheidet. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Hilfselektrode 8 (EL_H) durch einen zusätzlichen Takteingang Clock_3 gespeist. Das Ausführungsbeispiel aus 2 bietet die zusätzliche Möglichkeit, das Steuersignal an Clock_3 zeitlich sowohl der Messung an 21 v(EL_1) als auch der Messung an 22 (EL_2) zuzuordnen und somit beide gegenseitige Kapazitäten, auswerten zu können. Wenn Clock_3 gleichzeitig mit Clock_1 erzeugt wird, dann wird die Kapazität zwischen den Elektroden 8 (EL_H) und 21 (EL_1) beeinflusst. Wird dagegen Clock_3 gleichzeitig mit Clock_2 erzeugt, dann wird die Kapazität zwischen den Elektroden 8 (EL_H) und 22 (EL_2) beeinflusst. Außerdem kann das Steuersignal für Clock_3 sowohl gleichphasig als auch gegenphasig erzeugt werden, was den doppelten Nutzsignalhub erlaubt. Dieses Ausführungsbeispiel erfordert einen weiteren Anschluss des Mikrocontrollers µC, der diese Betriebsart erlaubt. Je nach Typ des Mikrocontrollers µC (J5 aus 3) kann die Variante aus 1 oder die Variante aus 2 bevorzugt werden.
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Die 3 zeigt einen Mikrocontroller zur Steuerung und Auswertung der in den beiden vorigen Figuren angegebenen Schaltungen. Für die 1 wird der Anschluss P1 (Clock_3) nicht benötigt, und kann frei bleiben. Das Gleiche gilt für die 2 und den Anschluss P13 (IN_1). Der Anschluss P8 (A) wird mit einer Schaltstufe (T2) verbunden, die zum Beispiel ein Schaltsignal oder ein Bussignal übertragen kann, um so die gewünschten Messergebnisse oder Auswertekriterien mit Hilfe der Schaltstufe T2 an ein externes Steuergerät zu übertragen.
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Die 4 zeigt ein beispielhaftes, zugehöriges Impulsdiagramm im Detail. Die Signale entsprechen den Takten aus 1. Man erkennt das für das Gatter 41 bestimmte Taktsignal (Clock_Ref), das für das Gatter 42 bestimmte Taktsignal (Clock_1), das für das Gatter 43 bestimmte Taktsignal (Clock_2) und die an der Hilfselektrode 8 (EL_H) anliegende Signalspannung. Diese Signalspannung wird in dem dargestellten Signalmuster im Zusammenwirken mit dem Taktsignal (Clock_2) ausgewertet, welches die Elektrode 22 (EL_2) ansteuert. Dargestellt sind zwei verschiedene Modi, wobei in einem Modus das Taktsignal Clock_Ref gleichzeitig mit dem Taktsignal Clock_2 erzeugt wird. Im Diagramm ist dies der Zeitpunkt 52µs. Im anderen Modus, welcher im Zeitpunkt 84µs ein weiteres Taktsignal erzeugt, ist eine zusätzliche Signalflanke an EL_H sichtbar, wodurch eine Beeinflussung der gegenseitigen Kapazität zwischen EL_2 und EL_H erreicht wird. Die mit „t1“ bezeichnete Zeitspanne dient zur Herstellung eines definierten Initialzustandes und muss mindestens so groß sein wie die Summe sämtlicher Verzögerungszeiten, die Einfluss auf das elektrische Potential der relevanten Kapazitäten haben können, und sorgt so für einen reproduzierbaren Ablauf der Messung.
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Die 5 zeigt ein konstruktives Ausführungsbeispiel im Türgriff eines Kraftfahrzeugs, wobei die Wirkungsweise der Hilfselektrode 8 und die Beeinflussung der gegenseitigen kapazitiven Kopplung (elektrisches Feld 15) zwischen Hilfselektrode 8 und Elektrode 22 dargestellt ist, welche durch ein angenähertes Beeinflussungsobjekt 16 beeinflusst wird. Die konstruktive Sensoranordnung umfasst hier die Elektronik 11 einschließlich Elektrodensystem 8, 13, 22, Gehäuse 10 und andere konstruktiv bedingte Elemente, welche ebenfalls die gegenseitige kapazitive Kopplung zwischen der Hilfselektrode und einer weiteren Elektrode beeinflussen. Sensorisch nutzbar, also im Sinne einer Erkennung bestimmter Bedienfälle oder Einflussfaktoren wie z.B. Wasser oder unerwünschte Bedienfälle, ist die Anordnung jedoch nur dann, wenn zumindest ein Teil der kapazitiven Kopplung 15 außerhalb dieser konstruktiven Sensoranordnung verläuft, so dass diese durch äußere Objekte 16 beeinflussbar ist.
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6 beschreibt ein besonders einfaches batteriebetriebenes Ausführungsbeispiel, bei dem die logische Verknüpfungseinheit 4 aus nur zwei NAND-Gattern 41, 43 besteht. Am Eingang der ersten Schaltstufe 41 liegt die Referenzkapazität 1. Die Funktion der weiteren Schaltstufen, an deren Eingänge die Elektroden 21, 22 angeschlossen sind, wird hier vom Gatter 43 übernommen. Die Schaltung beinhaltet zwei Sensorelektroden 21, 22 und eine Hilfselektrode 8, welche aktiv mit einem Hilfssignal (Clock_3) beaufschlagt wird.
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Diese Schaltung arbeitet gegenüber den Schaltungen aus 1 oder 2 in umgekehrter Ereignisabfolge, so dass bei dieser Anordnung der Einschaltzeitpunkt des Ausgangssignals 7 der logischen Verknüpfungseinheit 4 nicht vom Schaltzeitpunkt der ersten Schaltstufe 41, sondern von den Schaltpunkten der weiteren Schaltstufen 43 bestimmt wird. Der Ausschaltzeitpunkt des Ausgangssignals 7 der logischen Verknüpfungseinheit 41, 43 wird nicht vom Schaltpunkt einer weiteren Schaltstufe 43, sondern umgekehrt vom Schaltpunkt der ersten Schaltstufe 41 bestimmt. Außerdem wird der Ladekondensator Ca am Ausgang der Integrationseinrichtung 5 nicht entladen, sondern geladen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Referenzkapazität, Cref
- 2
- Messkapazität(en) Ce2, Ce3, Messelektrode(n) => 21 und 22
- 3
- Rechteckspannung, Taktsignal
- 4
- Logische Verknüpfungseinheit mit den Schaltstufen, (41, 42, 43, 44) => NAND-Gatter 74HC132 mit Schmitt Trigger
- 5
- Integrationsstufe (Bipolarer Miller-Integrator bzw. Stromquelle) mit Transistor T1 und Ausgangskondensator Ca
- 6
- Steuersignal für die von außen nicht zugänglichen Eingänge der Gatter 42 und 43
- 7
- Ausgangssignal der logischen Verknüpfungseinheit
- 8
- Hilfskapazität, Hilfselektrode
- 9
- Zeitbeeinflussungseinheit
- 10
- Türaußengriffgehäuse
- 11
- Kapazitive Sensorelektronik
- 12
- Versorgungs- und Datenleitung
- 13
- Elektrodenleitung
- 14
- Fahrzeugkarosserie
- 15
- Elektrisches Feld, kapazitive Kopplung
- 16
- Objekt, Beeinflussungsobjekt
- 17
- Externes Steuergerät
- 18
- Spannungsversorgung, Batterie
- 19
- Elektrische Fahrzeugmasse
- 20
- Erdpotential
- 21
- Erste Messelektrode
- 22
- Zweite Messelektrode
