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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 Analog-Digital-Wandlers gemessen wird.
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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 eines Objekts, wie zum Beispiel eines Fingers oder eines Stifts, innerhalb eines empfindlichen Bereichs detektieren.
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Der berührungsempfindliche Bereich kann dabei insbesondere 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.
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Es gibt verschiedene 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.
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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 beziehungsweise 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.
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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 Analog-Digital-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 die bis zum Erreichen der Schwellwertspannung durchgeführte Anzahl von Integrationszyklen.
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Ein Verfahren zum Messen eines Kapazitätswertes eines kapazitiven Sensorelements gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise durch die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2014 007 236 A1 bekannt. Der in dieser Schrift dargestellte Messaufbau und das durch diesen verwendete Messprinzip wird anhand der
3 und
4 des vorliegenden Dokuments skizzenhaft dargestellt und erläutert.
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Darüber hinaus ist in der
DE 10 2014 007 236 A1 ein Messverfahren beschrieben, bei dem mehrere Einzelmessungen mit jeweils einer unterschiedlichen Anzahl von Integrationszyklen durchgeführt werden. Durch die gemeinsame Auswertung dieser Einzelmessungen, insbesondere durch Aufsummierung von gemessenen Spannungen, werden Quantisierungsfehler vermindert und dadurch bei identischer Auflösung des Analog-Digital-Wandlers eine höhere Auflösung des Messergebnisses erreicht.
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Für die vorliegende Erfindung stellte sich die Aufgabe, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzuentwickeln, dass die Messempfindlichkeit verbessert und an unterschiedliche Messsituationen automatisch angepasst wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die den Eingangsspannungsbereich des Analog-Digital-Wandlers bestimmende Referenzspannung mittels eines Digital-Analog-Wandlers erzeugt und während des Betriebs des Analog-Digital-Wandlers dynamisch angepasst wird.
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Übliche Verfahren zur Analog-Digital-Wandlung verwenden wandlerintern eine Vielzahl von Spannungsteilern und Spannungskomparatoren, welche Spannungsvergleiche durchführen. Als Bezugswert dieser Vergleiche dient eine von außen angelegte Referenzspannung, die zugleich den maximalen Eingangsspannungsbereich definiert. Üblich ist es, eine konstante Spannung als Referenzspannung an den Analog-Digital-Wandler anzulegen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, als Referenzspannung des Analog-Digital-Wandlers eine variable Spannung zu verwenden, die auf vorteilhafte Weise durch einen Digital-Analog-Wandler erzeugt wird. Der Digital-Analog-Wandler wird dazu durch eine Steuer- und Auswerteeinheit angesteuert, welche den dazu erforderlichen Ansteuerwert aus Ausgangssignalen des Analog-Digital-Wandlers berechnet.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematisch dargestellte Messanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens,
- 2 den Verlauf der an einem Integrationskondensator anliegenden Spannung UCI (N) als Funktion der Anzahl N von Integrationszyklen,
- 3 die schematische Darstellung einer Messanordnung nach dem Stand der Technik,
- 4 eine Darstellung der zeitlichen Abfolge einer Integration mit N Integrationszyklen als Timing-Diagramm der Schalter aus der 3.
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Die 3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Messanordnung nach dem Stand der Technik zur Durchführung eines Integrationsverfahrens zum Messen eines Kapazitätswertes CM eines kapazitiven Sensorelements 1. Das Sensorelement 1 bildet dabei beispielsweise einen Berührungssensor aus, etwa in Form einer Elektrode, die eine Eigenkapazität mit einem Kapazitätswert CM bezüglich einem relativen Massepotential hat. Bei Berührung oder Annäherung der Elektrode zum Beispiel durch einen Finger eines Benutzers ändert sich dieser Kapazitätswert CM durch die Berührungskapazität, die dieser bezüglich dem Massepotential GND aufweist.
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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, entweder mit dem Massepotential GND, mit einer festen Versorgungsspannung Uv oder mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers ADW verbunden. Ein zweiter Anschluss 2" des Integrationskondensators 2 ist elektrisch mit einem zweiten Schalter S2 verbunden und wird über diesen, je nach Schalterstellung, wahlweise mit dem Massepotential GND oder mit der festen Versorgungsspannung Uv verbunden oder potentialfrei NC, also offen gehalten.
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Zur Messung des Kapazitätswerts CM wird ein Integrationsverfahren angewendet, bei dem in mehreren aufeinanderfolgenden 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 vorliegende Spannung UCI (N) mittels des Analog-Digital-Wandlers ADW gemessen. Die Spannung UCI (N) ist wegen CI >> CM praktisch direkt proportional dem Kapazitätswert CM und somit ein Maß für diesen.
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Ein beispielhafter Ablauf eines solchen Integrationsverfahrens wird anhand des in 4 wiedergegebenen Timing-Diagramms der Schalter S1 und S2 aus der 3 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 GND verbunden, und damit die Spannung UCI (0) über dem Integrationskondensator 2 zu Null gesetzt (Reset-Phase).
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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.
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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.
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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). Dabei ergibt sich am Integrationskondensator 2 der in der 2 dargestellte Spannungsverlauf UCI (N), der wegen der Aufsummierung von Spannungswerten in der Integrationsphase stufenförmig ansteigt.
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Im Anschluss daran wird die am Integrationskondensator 2 nach N Integrationszyklen anliegende Spannung UCI (N) mittels des Analog-Digital-Wandlers ADW gemessen, und zwar indem der gemeinsame Schaltungsknoten 3 mittels des Schalters S1 mit dem Eingang des Analog-Digital-Wandlers ADW verbunden wird (Detection-Phase). Die Spannung UCI (N) liegt somit als Eingangsspannung ES am Eingang des Analog-Digital-Wandlers ADW an und wird durch den Analog-Digital-Wandler ADW in ein digitales Ausgangssignal DS umgewandelt.
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Das digitale Ausgangssignal DS des Analog-Digital-Wandlers ADW wird zur weiteren Verarbeitung und Auswertung an eine Steuer- und Auswerteeinrichtung SAE übermittelt. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung SAE steuert den Ablauf des gesamten beschriebenen Verfahren und kann beispielsweise durch einen Mikrocontroller oder als ein Bestandteil eines Mikrocontrollers ausgeführt sein.
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Bei bekannten Messanordnungen und Messverfahren zur kapazitiven Sensorik, wie sie etwa anhand der 3 und 4 dargestellt sind, wird der Arbeitsbereich des Messsystems insbesondere durch die elektrischen Eigenschaften des kapazitiven Sensorelements 1 und des Integrationskondensators 2 festgelegt.
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Hierdurch ergibt sich das Problem, dass besonders für komplexere Sensorsysteme, die mehrere kapazitive Sensoren aufweisen, für jeden Sensor das Sensorelement 1 und der Integrationskondensator 2 speziell entsprechend der jeweiligen, durch den äußeren Aufbau beeinflussten Eigenschaften sowie auch der jeweils geforderten Empfindlichkeit dimensioniert werden müssen. Dadurch können für den Aufbau der Sensoren Kondensatoren mit vielen unterschiedlichen Kapazitätswerten in der Stückliste auftauchen. Außerdem ist es ab dem Zeitpunkt des Zusammenbaus, jedenfalls mit vertretbarem Aufwand, nicht mehr möglich die Kondensatorwerte und damit das Ansprechverhalten der einzelnen Sensoren zu verändern.
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Dieses ist besonders dann problematisch, wenn durch einen einzelnen Sensor unterschiedliche Bedienfälle abgedeckt werden sollen. Die Auslegung eines Integrationskondensator und des zugehörigen kapazitiven Sensorelements 1 ist immer nur für einen speziellen Bedienfall optimal geeignet.
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So erfordert die Erfassung der Berührung eines kapazitiven Sensorelements 1 eine geringere Messempfindlichkeit als die Erkennung einer Annäherung an das kapazitive Sensorelement 1. Ist daher die Messempfindlichkeit für die Erfassung einer Berührung optimiert, so ist dadurch die Erkennbarkeit einer Annäherung erschwert oder möglicherweise sogar unmöglich, da die Messempfindlichkeit etwa für die Erfassung eines Fingers in einem größeren Abstand (etwa ab 10 mm) dann nicht mehr ausreicht.
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Die Erfindung löst dieses Problem durch ein Verfahren, zu dem in der 1 ein zur Ausführung geeigneter Schaltungsaufbau skizziert ist. Diese Schaltung stimmt in Aufbau und Funktionsweise in vielerlei Hinsicht mit dem Schaltungsaufbau der 3 überein, so dass die Erläuterungen zu den übereinstimmenden Merkmalen hier nicht wiederholt werden sollen.
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Der Schaltungsaufbau gemäß der 1 unterscheidet sich von dem der 3 darin, dass die an dem Analog-Digital-Wandler ADW anliegende Referenzspannung URef von einem Digital-Analog-Wandler DAW erzeugt wird, dessen Eingang durch das digitale Ausgangssignal AS der Steuer- und Auswerteeinrichtung SAE angesteuert wird, welche dieses Ausgangssignal AS ausgehend von dem digitalen Ausgangssignal DS des Analog-Digital-Wandlers ADW berechnet.
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Der Digital-Analog-Wandler DAW wird somit genutzt, um die Referenzspannung URef für den Analog-Digital-Wandler ADW variabel einzustellen. Hierdurch ist es möglich den Wandlerbereich des Analog-Digital-Wandlers ADW flexibel zu verändern.
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Das Auflösungsvermögen eines Analog-Digital Wandlers ADW wird bekanntermaßen in bit angegeben, wobei es eine Auflösung von n bit ermöglicht, einen Spannungsbereich in 2n digitale Spannungsstufen zu unterteilen und die Spannungsstufen durch n-stellige Binärzahlen darzustellen. Da im Allgemeinen die Analog-Digital-Wandlung einer Eingangsspannung ES innerhalb des Analog-Digital-Wandlers ADW durch einen Vergleich mit einer angelegten Referenzspannung URef erfolgt, ermöglicht die Veränderung der Referenzspannung URef zugleich, den auf den digitalen Wertebereich abzubildenden Eingangsspannungsbereich, der zwischen 0 Volt und dem Wert der Referenzspannung URef liegt, zu verändern.
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Dadurch wiederum wird es möglich, den Messbereich eines Sensors zu verkleinern, oder zu vergrößern. Beispielsweise kann die Referenzspannung URef verkleinert werden, wenn keine Berührung vorhanden ist, um die Empfindlichkeit zu erhöhen und somit auch Bewegungen in größerer Distanz zu erkennen. Andersherum kann die Referenzspannung URef erhöht werden, wenn der Sensor bei Erkennung einer sich nähernden Hand oder eines Fingers in die Sättigung gerät.
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Viele Mikrocontroller MC besitzen neben einer umfangreichen Peripherie auch mindestens einen internen Digital-Analog Wandler DAW, der eine variable analoge Spannung ausgeben kann. Daher kann, neben dem Analog-Digitalwandler ADW und der Steuer- und Auswerteeinrichtung SAE auch der Digital-Analog Wandler DAW vorteilhaft als Komponente eines Mikrocontrollers MC vorgesehen werden.
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Bei einem Mikrocontroller, der, anders als in der 1 dargestellt, nicht über einen internen Digital-Analog-Wandler verfügt, kann auch ein externer Digital-Analog-Wandler vorgesehen werden, der die Referenzspannung URef des Analog-Digital-Wandlers ADW vorgibt.
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Das Verfahren sieht vor, für jeden vorhandenen Sensor eine Variation der Referenzspannung Uref zur Laufzeit zu ermöglichen, um die Auflösung des jeweils zugehörigen Analog-Digital-Wandlers ADW immer perfekt auszunutzen.
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Das Verfahren verläuft dabei beispielhaft wie folgt. Erkennt die Software des Mikrocontrollers MC beziehungsweise speziell die Software der Steuer- und Auswerteeinrichtung SAE innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne keine signifikante Änderung in den Ausgangssignalen DS des Analog-Digital-Wandlers ADW, so steuert die Steuer- und Auswerteeinrichtung SAE den Eingang des Digital-Analog-Wandlers DAW mit einem kleineren Ausgangssignal AS an, so dass dieser an seinem Ausgang eine kleinere Referenzspannung Uref ausgibt. Hierdurch löst der Analog-Digital-Wandler ADW einen nun verkleinerten Eingangsspannungsbereich auf, das heißt, seine Detektionsempfindlichkeit und sein Auflösungsvermögen für kleinere Eingangsspannungen ES steigt.
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Ist nach einer weiteren Zeitspanne immer noch keine signifikante Änderung in den Ausgangssignalen DS des Analog-Digital-Wandlers ADW zu beobachten, wird die Referenzspannung Uref in weiteren Schritten reduziert, bis entweder ein Minimalwert erreicht ist oder eine Änderung des Ausgangssignals DS sichtbar wird. Damit ist der Arbeitsbereich des Analog-Digital-Wandlers ADW an die Umgebungsbedingung des zugehörigen Sensorelements 1 angepasst.
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Umgekehrt, wenn die Steuer- und Auswerteeinrichtung SAE erkennt, dass die Ausgangssignale DS des Analog-Digital-Wandlers ADW dauerhaft in der Sättigung oder zumindest kurz davor sind, wird sie die Referenzspannung Uref über den Digital-Analog-Wandler DAW schrittweise erhöhen bis der Arbeitsbereich so angepasst ist, dass keine Sättigung mehr vorhanden ist. Hierdurch kann immer ein maximaler Informationsgewinn aus der Messung gezogen werden.
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Durch die dynamische Anpassung eines Sensorsystems an Umgebungsbedingungen und an temporäre Umgebungszustände kann so eine Erhöhung der Messempfindlichkeit speziell zur Erkennung einer Annäherung an das Sensorelement erreicht werden. Darüber hinaus kann die Dimensionierung der Bauelemente vereinfacht und die Anzahl verschiedener Kondensatorwerte auf einer Sensorleiterplatte verringert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- kapazitiven Sensorelement
- 2
- Integrationskondensator
- 2'
- erster Anschluss
- 2"
- zweiter Anschluss
- 3
- Schaltungsknoten
- ADW
- Analog-Digital-Wandler
- DAW
- Digital-Analog-Wandler
- CM
- Kapazitätswert (des kapazitiven Sensorelements 1)
- CI
- Kapazitätswert (des Integrationskondensators 2)
- MC
- Mikrocontroller
- SAE
- Steuer- und Auswerteeinrichtung
- S1
- erster Schalter
- S2
- zweiter Schalter
- AS
- (digitales) Ausgangssignal
- DS
- (digitales) Ausgangssignal
- ES
- Eingangsspannung
- GND
- Massepotential
- N
- Anzahl (von Integrationszyklen)
- NC
- potentialfrei
- UCI (N)
- Spannung (nach N Integrationszyklen)
- URef
- Referenzspannung
- Uv
- Versorgungsspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014007236 A1 [0007, 0008]
