Die Erfindung betrifft einen Sensor mit Kapazitäts-Messprinzip, kurz als kapazitiver Sensor bezeichnet, und ein Verfahren zur Erfassung einer Annäherung oder Berührung eines Gegenstandes.The invention relates to a sensor with capacitance measuring principle, briefly referred to as a capacitive sensor, and a method for detecting an approach or contact of an object.
Ein kapazitiver Näherungssensor, auch als kapazitive Näherungsschalter bezeichnet, ist ein Sensor, der berührungsfrei, d. h. ohne direkten Kontakt, auf Annäherung eines leitenden oder nicht leitenden Gegenstandes mit einem elektrischen Schaltsignal reagiert. Der Sensor nutzt die sich bei Annäherung des Gegenstandes an eine Sensorfläche ändernde elektrische Kapazität zwischen einer Sensorfläche zur Umgebung oder zu einer Referenzelektrode, wobei die Sensorfläche auch als Messelektrode bezeichnet werden kann.A capacitive proximity sensor, also referred to as a capacitive proximity switch, is a non-contact, d. H. without direct contact, reacts upon approach of a conductive or non-conductive object with an electrical switching signal. The sensor uses the electrical capacitance between a sensor surface to the environment or to a reference electrode that changes as the object approaches a sensor surface, wherein the sensor surface can also be referred to as a measuring electrode.
Kapazitive Näherungssensoren weisen speziell ausgestaltete Kondensatoren auf, deren elektrisches Streufeld sich durch annähernde Gegenstände verändert. Nicht leitende Gegenstände führen aufgrund ihrer gegenüber der Umgebungsluft erhöhten Dielektrizitätszahl zu einer Erhöhung der Kapazität des Sensors. Die Kapazitätsänderung ist abhängig von dem Abstand des Gegenstands vom Sensor, von der Größe der Sensorfläche, von der Lage, Form und Größe des Gegenstands gegenüber der Sensorfläche und von der Dielektrizitätszahl des Gegenstands.Capacitive proximity sensors have specially designed capacitors whose stray electric field changes due to approaching objects. Non-conductive objects lead to an increase in the capacitance of the sensor due to their relative to the ambient air increased dielectric constant. The capacitance change is dependent on the distance of the object from the sensor, the size of the sensor surface, the position, shape and size of the object relative to the sensor surface and the dielectric constant of the object.
Solche Sensoren arbeiten häufig mit einem Schwingkreis oder Oszillator, dessen frequenzbestimmende Kapazität teilweise von dem zu detektierenden Gegenstand bzw. der Umgebung gebildet wird. Der Schwingkreis wird durch den sich annähernden Gegenstand verstimmt, und durch Erfassen der Verstimmung kann die Annäherung erkannt werden.Such sensors often work with a resonant circuit or oscillator whose frequency-determining capacity is partially formed by the object to be detected or the environment. The resonant circuit is detuned by the approaching object, and by detecting the detuning, the approach can be recognized.
Bei Beeinflussung des Feldes der Sensorkapazität durch einen Nichtleiter beruht die Kapazitätsänderung auf einer Änderung der wirksamen Permittivität im Bereich der Sensorfläche; der erreichbare Schaltabstand liegt in der Regel bei bis zu etwa dem Durchmesser der Sensorfläche kann aber auch größer sein.When the field of sensor capacitance is affected by a nonconductor, the capacitance change is due to a change in the effective permittivity in the region of the sensor surface; the achievable switching distance is usually up to about the diameter of the sensor surface but can also be larger.
Kapazitive Näherungssensoren sind gegenüber Störfrequenzen und Störfeldern empfindlich, wobei durch Störfrequenzen, die in der Umgebung des Schwingkreises auftreten, eine Verstimmung des Schwingkreises erzeugt werden kann. In solchen Fällen kann der Näherungssensor nicht unterscheiden, ob die Änderung seiner Ausgangsfrequenz durch einen sich annähernden Gegenstand oder durch eine Störfrequenz verursacht wird.Capacitive proximity sensors are sensitive to spurious frequencies and interference fields, which can be generated by interference frequencies that occur in the vicinity of the resonant circuit, a detuning of the resonant circuit. In such cases, the proximity sensor can not distinguish whether the change in its output frequency is caused by an approaching object or by a noise frequency.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Sensor und ein Verfahren zur Erfassung einer Annäherung oder Berührung des Sensors durch einen Gegenstand anzugeben, die auch beim Auftreten von Störfrequenzen und Störfeldern zuverlässig und robust arbeiten.The invention has for its object to provide a capacitive sensor and a method for detecting an approach or contact of the sensor by an object that work reliably and robustly even when interference frequencies and interference fields occur.
Diese Aufgabe wird durch einen kapazitiven Sensor gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a capacitive sensor according to claim 1 and by a method according to claim 12. Embodiments are given in the dependent claims.
Der kapazitive Sensor gemäß Anspruch 1 umfasst: eine kapazitive Sensorfläche, einen einstellbaren Oszillatorschwingkreis, der dazu eingerichtet ist, wenigstens eine erste Grundfrequenz-Ausgangsschwingung und eine zweite Grundfrequenz-Ausgangsschwingung zu erzeugen, eine Steuereinrichtung und eine Messeinrichtung. Die kapazitive Sensorfläche ist mit dem einstellbaren Oszillatorschwingkreis derart gekoppelt, dass eine Annäherung an die oder Berührung der kapazitiven Sensorfläche mit einem Gegenstand die Ausgangsfrequenz des einstellbaren Oszillators verändert. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, den einstellbaren Oszillatorschwingkreis während eines ersten Zeitfensters mit der ersten Grundfrequenz-Ausgangsschwingung und während eines zweiten Zeitfensters mit der zweiten Grundfrequenz-Ausgangsschwingung zu betreiben, und die Messeinrichtung ist dazu eingerichtet, die Ausgangsschwingung des einstellbaren Oszillators während des ersten Zeitfensters und während des zweiten Zeitfensters zu erfassen.The capacitive sensor according to claim 1, comprising: a capacitive sensor surface, an adjustable oscillator resonant circuit configured to generate at least a first fundamental frequency output oscillation and a second fundamental frequency output oscillation, a control device and a measuring device. The capacitive sensor surface is coupled to the tunable oscillator circuit such that an approach to or contact of the capacitive sensor surface with an object changes the output frequency of the tunable oscillator. The controller is configured to operate the tunable oscillator circuit during a first time window of the first fundamental frequency output and during a second time slot of the second fundamental frequency output frequency, and the measuring device is configured to adjust the output frequency of the tunable oscillator during the first time slot and during the second time window.
Das Verfahren zur Erfassung einer Annäherung oder Berührung eines Gegenstandes an eine kapazitive Sensorfläche, wobei die kapazitive Sensorfläche mit einem einstellbaren Oszillatorschwingkreis gekoppelt ist, gemäß Anspruch 12 umfasst: Betreiben des einstellbaren Oszillatorschwingkreises mit mehreren Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen während mehrerer Zeitfenster, Erfassen der Ausgangsschwingung des einstellbaren Oszillators während der Zeitfenster, und Verarbeiten der während der Zeitfenster erfassten Ausgangsschwingungen des einstellbaren Oszillators, um eine Abweichung der Ausgangsschwingung des einstellbaren Oszillatorschwingkreises von wenigstens einer der Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen, vorzugsweise von zwei oder mindestens zwei Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen, aufgrund einer Annäherung an die oder Berührung der kapazitiven Sensorfläche mit dem Gegenstand zu erkennen. Wenn die Abweichung von zwei oder mehr Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen, einzeln oder in Kombination bewertet wird, lassen sich zuverlässiger Störungen, die bei einer einzelnen Frequenz auftreten, ausfiltern.The method for detecting an approach or contact of an object to a capacitive sensor surface, wherein the capacitive sensor surface is coupled to an adjustable oscillator circuit according to claim 12 comprises: operating the adjustable oscillator circuit having a plurality of fundamental frequency output vibrations during a plurality of time windows, detecting the output oscillation of the adjustable oscillator during the time windows, and processing the output oscillations of the tunable oscillator detected during the time windows to detect a deviation of the output oscillation of the tunable oscillator circuit from at least one of the fundamental frequency output oscillations, preferably from two or at least two fundamental frequency output oscillations due to approaching or touching the oscillator oscillations capacitive sensor surface with the object to recognize. When the deviation from two or more fundamental frequency output vibrations, individually or in combination, is evaluated, reliable noise occurring at a single frequency can be filtered out.
Die Erfindung sieht somit vor, einen kapazitiven Sensor in Verbindung mit einem Oszillatorschwingkreis zu betreiben, der auf mindestens zwei unterschiedlichen Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen eingestellt werden kann. Der Sensor wird nacheinander während mindestens zweier Zeitfenster mit den zwei unterschiedlichen Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen betrieben, und während jedes Zeitfensters wird erfasst, ob die Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises der zugehörigen Grundfrequenz-Ausgangsschwingung entspricht oder von dieser abweicht. Wenn die Ausgangsschwingung von der zugehörigen Grundfrequenz-Ausgangsschwingung abweicht, kann durch Vergleichen oder Kombinieren der Abweichungen der verschiedenen Frequenzen ermittelt werden, ob die Abweichung von der Grundfrequenz-Ausgangsschwingung durch einen sich an den Sensor annähernden Gegenstand oder durch eine Störfrequenz oder ein Störfeld verursacht wurde. Wenn nämlich eine Störfrequenz vorliegt, die nahe bei einer der Grundfrequenzen liegt, dann wird diese Störfrequenz die Ausgangsfrequenz und -amplitude des Oszillatorschwingkreises bei dieser Grundfrequenz merklich verändern, wobei der Einfluss sogar stärker sein kann als der eines sich annähernden Gegenstandes. Eine entsprechende Änderung wird bei anderen Grundfrequenzen dagegen nicht auftreten. Wenn dagegen eine Änderung der Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises durch die Annäherung eines Gegenstandes an die kapazitive Sensorfläche verursacht wird, ergeben sich für alle Zeitfenster und für alle Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen ähnliche Änderungen der Ausgangsschwingungen. Durch Vergleichen der jeweiligen Ausgangssignale des Oszillatorschwingkreises während der verschiedenen Zeitfenster kann somit ermittelt werden, ob die Veränderung der Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises durch die Annäherung eines Gegenstandes oder durch ein Störsignal verursacht wurde.The invention thus provides for operating a capacitive sensor in conjunction with an oscillator resonant circuit which is at least two different fundamental frequency output vibrations can be adjusted. The sensor is sequentially operated for at least two time windows with the two different fundamental frequency output oscillations, and during each time window it is detected whether the output oscillation of the oscillator circuit corresponds to or deviates from the associated fundamental frequency output oscillation. When the output vibration deviates from the associated fundamental frequency output vibration, it can be determined by comparing or combining the deviations of the different frequencies whether the deviation from the fundamental frequency output vibration was caused by an object approaching the sensor or by a disturbance frequency or an interference field. Namely, if there is a noise frequency that is close to one of the fundamental frequencies, then this noise frequency will noticeably change the output frequency and amplitude of the oscillator circuit at this fundamental frequency, and the influence may be even greater than that of an approaching object. A corresponding change, however, will not occur at other fundamental frequencies. On the other hand, if a change in the output oscillation of the oscillator circuit is caused by the approach of an object to the capacitive sensor surface, similar changes in the output oscillations result for all the time windows and for all basic frequency output oscillations. By comparing the respective output signals of the oscillator circuit during the different time windows can thus be determined whether the change in the output oscillation of the oscillator circuit caused by the approach of an object or by an interference signal.
DISKUSSION DER UNTERANSPRÜCHE, SOBALD DIESE ABGESTIMMT SIND, AN DIESER STELLE EINFÜGEN.DISCUSSION OF THE CLAIMS WHEN TALKED ARE INCLUDED IN THIS PLACE.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand verschiedener Beispiele mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Sensorschaltkreises gemäß einem Beispiel;
- 2 zeigt einen Schaltplan eines Teils eines Sensorschaltkreises gemäß einem weiteren Beispiel;
- 3 zeigt einen Schaltplan eines Teils des Sensorschaltkreises gemäß noch einem weiteren Beispiel;
- 4 zeigt ein Signalablaufdiagramm verschiedener Signale, die in dem Sensorschaltkreis der 1, 2 oder 3 auftreten können;
- 5 zeigt ein Signalablaufdiagramm entsprechend einem Messergebnis des Sensorschaltkreises bei verschiedenen Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen ohne Störung, aber mit Beeinflussung durch einen Gegenstand;
- 6 zeigt ein Signalablaufdiagramm entsprechend einem Messergebnis des Sensorschaltkreises bei verschiedenen Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen mit Störung.
The invention is explained in more detail below with reference to various examples with reference to the drawings. - 1 FIG. 12 is a block diagram of a sensor circuit according to one example; FIG.
- 2 shows a circuit diagram of a portion of a sensor circuit according to another example;
- 3 shows a circuit diagram of a portion of the sensor circuit according to yet another example;
- 4 shows a signal flow diagram of various signals in the sensor circuit of 1 . 2 or 3 may occur;
- 5 shows a signal flow diagram corresponding to a measurement result of the sensor circuit at different fundamental frequency output oscillations without interference, but with an influence by an object;
- 6 shows a signal flow diagram corresponding to a measurement result of the sensor circuit at different fundamental frequency output oscillations with interference.
1 zeigt die Hauptfunktionsblöcke eines Sensorschaltkreises gemäß einem Beispiel, der einen kapazitiven Sensor realisiert. Der Sensorschaltkreis umfasst einen einstellbaren Oszillatorschwingkreis 10, eine Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 12, eine optionale Verstärkerschaltung 16 mit optionalem Schmitt-Trigger 24 und eine Frequenz-Einstellschaltung 18 und einen optionalen Filter 14. Filter, Verstärker und Schmitt-Trigger dienen der Optimierung der Schaltung, sind aber für die Funktion gemäß der Erfindung nicht unerlässlich. 1 shows the main functional blocks of a sensor circuit according to an example that realizes a capacitive sensor. The sensor circuit comprises an adjustable oscillator resonant circuit 10 , a control and processing device 12 , an optional amplifier circuit 16 with optional Schmitt trigger 24 and a frequency adjustment circuit 18 and an optional filter 14 , Filters, amplifiers and Schmitt triggers are used to optimize the circuit, but are not essential for the function according to the invention.
Die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 12 kann durch einen Mikrocontroller realisiert sein und einen Zähler 120, eine Steuer- und Verarbeitungseinheit 122 und einen Timer 124 umfassen. Das Ausgangssignal des Oszillatorschwingkreises 10 wird der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 12 über den Filter 14 und der Verstärkerschaltung 16 zugeführt. Der Filter 14 kann ein Hochpassfilter sein. Der Oszillatorschwingkreis 10 wird über die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 12 angesteuert. Der Oszillatorschwingkreis 10 kann einen einstellbaren RC- oder LC-Schwingkreises mit veränderbarer Kapazität aufweisen. Die Einstellung der Schwingungsfrequenz des Oszillatorschwingkreises 10 erfolgt über die Frequenz-Einstellschaltung 18. Diese kann eine einstellbare Kapazitätsdiode oder eine Kapazität oder Induktivität, die in dem Oszillatorschwingkreis 10 geschaltet werden kann, aufweisen. Die Frequenzmessung des verstärkten Ausgangssignals des Oszillatorschwingkreises 10 erfolgt über den Zähler 120 und die Steuer- und Verarbeitungseinheit 122, die in den Mikrocontroller integriert sind.The control and processing device 12 can be realized by a microcontroller and a counter 120 , a control and processing unit 122 and a timer 124 include. The output signal of the oscillator resonant circuit 10 becomes the control and processing device 12 over the filter 14 and the amplifier circuit 16 fed. The filter 14 can be a high pass filter. The oscillator resonant circuit 10 is via the control and processing device 12 driven. The oscillator resonant circuit 10 can have an adjustable RC or LC resonant circuit with variable capacitance. The setting of the oscillation frequency of the oscillator resonant circuit 10 via the frequency setting circuit 18 , This can be an adjustable capacitance diode or a capacitance or inductance in the oscillator circuit 10 can be switched. The frequency measurement of the amplified output signal of the oscillator resonant circuit 10 done via the counter 120 and the control and processing unit 122 that are integrated into the microcontroller.
Auch wenn im Folgenden auf einen Mikrocontroller Bezug genommen ist, kann anstelle des Mikrocontrollers beispielsweise auch ein ASIC oder eine andere Steuereinrichtung vorgesehen werden, einschließlich Steuereinrichtung, die auf der Grundlage von Software, Firmware und/oder Hardware arbeiten. Die Steuereinrichtung kann einen integrierten Speicher aufweisen und/oder mit einem externen Speicher kommunizieren. Für die verschiedenen Steuerungsaufgaben kann ein einziger Controller oder es können mehrere Controller vorgesehen sein. Ein handelsüblicher Controller-Chip kann zum Einsatz kommen.Although reference is made below to a microcontroller, instead of the microcontroller, for example, an ASIC or another control device may also be provided, including control devices which operate on the basis of software, firmware and / or hardware. The control device may have an integrated memory and / or communicate with an external memory. For the various control tasks, a single controller or it can be provided multiple controllers. A commercial controller chip can be used.
Die Sensorschaltung ist mit einer externen Stromversorgung 22 gekoppelt, die alle aktiven Bausteine mit Energie versorgt. Der Eingang des Oszillatorschwingkreises 10 ist mit einer kapazitiven Sensorfläche (Touchplane) 20 gekoppelt, wobei die Sensorfläche ihrerseits kapazitiv mit einem Bezugspotential gekoppelt ist. Das Bezugspotential kann sowohl Masse wie auch ein anderes mit der Schaltung in Bezug stehendes Signal sein. Die Berührung der oder Annäherung an die Sensorfläche 20 kann beispielsweise durch die Hand oder einen Finger einer Person erfolgen. Die kapazitive Sensorfläche 20 kann einlagig oder mehrlagig sein und mehrere Lagen leitender und nicht leitender Platten sowie Luftschichten umfassen. Grundsätzlich entspricht, bis zu einer gewissen Grenze, der maximale Abstand für die Erfassung der Annäherung eines Gegenstandes an die kapazitiven Sensorfläche 20 ungefähr der größten Abmessung der Sensorfläche. Eine Sensorfläche mit Abmessungen von 20 mm × 20 mm kann zum Beispiel einen Gegenstand in einem Abstand von ungefähr bis zu 30 mm erfassen. Diese Erfassung kann auch durch weitere Materialien hindurch, wie Luft, Holz, Glas und Spiegel, die ein Kondensatorpaket bilden, realisiert werden. The sensor circuit is with an external power supply 22 coupled, which supplies all active components with energy. The input of the oscillator resonant circuit 10 is with a capacitive sensor surface (touchplane) 20 coupled, wherein the sensor surface is in turn capacitively coupled to a reference potential. The reference potential may be both ground and another signal related to the circuit. Touching or approaching the sensor surface 20 can be done for example by the hand or a finger of a person. The capacitive sensor surface 20 may be single-ply or multi-ply, comprising multiple layers of conductive and non-conductive plates, as well as air layers. Basically, up to a certain limit, the maximum distance corresponds to the detection of the approach of an object to the capacitive sensor surface 20 approximately the largest dimension of the sensor surface. For example, a sensor area measuring 20 mm × 20 mm may detect an object at a distance of approximately up to 30 mm. This detection can also be realized by other materials, such as air, wood, glass and mirrors, which form a capacitor pack.
Der Oszillatorschwingkreis 10 wird mit mindestens zwei Grundfrequenzen fs (f_select) während zweier Zeitfenster betrieben. Die Einstellung der Grundfrequenzen fs kann über die Steuereinrichtung 12 erfolgen, indem der Oszillatorschwingkreis 10 über die Frequenz-Einstellschaltung 18 entsprechend eingestellt wird, beispielsweise indem eine einstellbare Kapazitätsdiode verändert oder zusätzliche L- oder C-Glieder in den Schwingkreis eingefügt oder abgeklemmt werden. Die Grundfrequenz kann beispielsweise in Schritten von etwa 2-20 %, insbesondere etwa 10 % einer Nennfrequenz verstellt werden, zum Beispiel auf Werte von 3,5 MHz, 4,5 MHz und 5,5 MHz. Der Oszillatorschwingkreis 10 wird mit jeder dieser Grundfrequenzen während eines zugehörigen Zeitfensters aktiviert, wobei die den Grundfrequenzen zugeordneten Zeitfenster über den Timer 124 nacheinander und wiederholt eingeschaltet werden. Jedes Zeitfenster hat beispielsweise eine Dauer von 9 ms, mit einer Pause von 1 ms zwischen zwei Zeitfenstern. In einer Ausgestaltung liegen die Grundfrequenzen während der einzelnen Zeitfenster so weit auseinander, dass mindestens bei einer schmalbandigen Störung die Messwerte auf mehreren Grundfrequenzen nicht gleichzeitig nennenswert beeinflusst werden.The oscillator resonant circuit 10 is operated with at least two fundamental frequencies fs (f_select) during two time windows. The adjustment of the fundamental frequencies fs can via the control device 12 done by the oscillator resonant circuit 10 via the frequency setting circuit 18 is adjusted accordingly, for example by changing an adjustable capacitance diode or additional L or C-links are inserted or disconnected in the resonant circuit. The fundamental frequency can be adjusted, for example, in steps of about 2-20%, in particular about 10% of a nominal frequency, for example to values of 3.5 MHz, 4.5 MHz and 5.5 MHz. The oscillator resonant circuit 10 is activated with each of these fundamental frequencies during an associated time window, wherein the time slots associated with the fundamental frequencies are activated via the timer 124 be turned on successively and repeatedly. For example, each time slot has a duration of 9 ms, with a 1 ms pause between two time slots. In one embodiment, the fundamental frequencies during the individual time windows are so far apart that, at least in the case of a narrow-band interference, the measured values on several fundamental frequencies are not influenced significantly at the same time.
Solange sich kein Gegenstand an die kapazitiven Sensorfläche 20 annähert und kein Störsignal vorliegt, gibt der Oszillatorschwingkreis 10 an seinem Ausgang während jedes Zeitfensters eine Ausgangsschwingung aus, die der jeweiligen eingestellten Grundfrequenz entspricht. Die Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises 10 wird gefiltert und verstärkt der Steuereinrichtung 12 zugeführt. Der Filter 14 kann ein Hochpassfilter sein, wobei die Oszillatorschaltung insgesamt wie ein Bandpassfilter wirken kann. Der Schwingkreis ist so eingestellt, dass er nur oder im Wesentlichen nur bei seiner Grund-Ausgangsfrequenz schwingt, nicht bei höheren oder niedrigeren Frequenzen. Die Verstärkerschaltung 16 kann beispielsweise einen Schmitt-Trigger aufweisen oder ein Schmitt Trigger 24 kann nachgeschaltet sein, um die Flanken des Ausgangssignals des Oszillators 10 aufzubereiten und zu formen. Die Ausgangsschwingung des Oszillators 10 kann dadurch in ein Rechtecksignal mit definierter Amplitude und klar definierten Flanken umgewandelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Komparator oder ein Hochpassfilter eingesetzt werden, um Niederfrequenzstörungen vorab zu filtern. Das Ausgangssignal des Verstärkers 16 wird dem Zähler 120 zugeführt, der die Anzahl der Schwingungen während jedem Zeitfenster zählt und summiert, um die Frequenz der Ausgangsschwingung während dieses Zeitfensters zu erfassen. Alternativ kann beispielsweise auch eine feste Anzahl von Schwingungen ermittelt und die korrespondierende Zeit bestimmt werden, um die Frequenz der Ausgangsschwingung zu erfassen. Jede andere Art der Frequenzerfassung liegt im Bereich der Erfindung.As long as there is no object on the capacitive sensor surface 20 approaches and no interference signal is present, the oscillator resonant circuit 10 at its output during each time window, an output oscillation corresponding to the respective set fundamental frequency. The output oscillation of the oscillator resonant circuit 10 is filtered and amplifies the controller 12 fed. The filter 14 may be a high-pass filter, wherein the oscillator circuit may act as a whole bandpass filter. The resonant circuit is set to oscillate only or substantially only at its fundamental output frequency, not at higher or lower frequencies. The amplifier circuit 16 may for example have a Schmitt trigger or a Schmitt trigger 24 can be connected downstream to the edges of the output signal of the oscillator 10 prepare and shape. The output oscillation of the oscillator 10 can be converted into a square wave signal with a defined amplitude and clearly defined edges. Alternatively or additionally, a comparator or a high-pass filter can also be used to pre-filter low-frequency interference. The output signal of the amplifier 16 gets the counter 120 which counts and sums the number of oscillations during each time window to detect the frequency of the output oscillation during that time window. Alternatively, for example, a fixed number of oscillations can be determined and the corresponding time can be determined in order to detect the frequency of the output oscillation. Any other type of frequency detection is within the scope of the invention.
Die von dem Zähler 120 erfassten Frequenzen der Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises 10 während jedes Zeitfensters werden an die Steuer- und Verarbeitungseinheit 122 zur Auswertung übergeben. Wenn die Steuer- und Verarbeitungseinheit 122 erfasst, dass die Frequenzen der Ausgangsschwingung den Grundfrequenzen entsprechen, wird angenommen, dass sich kein Gegenstand an die kapazitiven Sensorfläche 20 annähert und keine Störung vorliegt Auch andere Auswertealgorithmen sind erfolgversprechend.The from the counter 120 detected frequencies of the output oscillation of the oscillator resonant circuit 10 during each time window are sent to the control and processing unit 122 for evaluation. If the control and processing unit 122 detects that the frequencies of the output oscillation correspond to the fundamental frequencies, it is assumed that no object to the capacitive sensor surface 20 approaches and no disturbance Other evaluation algorithms are promising.
Wenn sich ein Gegenstand an die kapazitiven Sensorfläche 20 annähert und kein Störsignal vorliegt, wird der Oszillatorschwingkreis 10 durch die Kapazität zwischen der Sensorfläche 20 und dem Gegenstand an seinem Eingang verstimmt, sodass seine Ausgangschwingung entsprechend gegenüber der Grundfrequenz-Ausgangsschwingung verschoben wird. Die Ausgangsfrequenz des Oszillatorschwingkreises 10 kann bei Annäherung an die oder Berührung der kapazitiven Sensorfläche 20 beispielsweise um 1 ‰ bis 1 %von der jeweiligen Grundfrequenz abweichen. Diese Veränderung der Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises 10 kann von dem Zähler 120 und der Steuer- und Verarbeitungseinheit 122 auf die oben beschriebene Weise erkannt werden. Wenn die Veränderung der Ausgangsfrequenz des Oszillatorschwingkreises 10 durch eine Annäherung eines Gegenstands an die kapazitiven Sensorfläche 20 verursacht wird, während kein Störsignal vorliegt, erfasst die Steuer- und Verarbeitungseinheit 122 während jedes Zeitfensters ähnliche Verschiebungen der Ausgangsfrequenz des Oszillatorschwingkreises 10. Denn die Annäherung eines Gegenstands an die kapazitiven Sensorfläche wird die Eingangskapazität des Oszillatorschwingkreises 10 während jedes Zeitfensters um etwa denselben Betrag verändern, was zu einer korrespondierenden gleichen oder ähnlichen Veränderung der Ausgangsfrequenz des Oszillatorschwingkreises 10 führt.When an object touches the capacitive sensor surface 20 approaches and no interference signal is present, the oscillator resonant circuit 10 by the capacitance between the sensor surface 20 and the object is detuned at its input, so that its output oscillation is shifted corresponding to the fundamental frequency output oscillation. The output frequency of the oscillator resonant circuit 10 can approach or touch the capacitive sensor surface 20 For example, deviate from the respective fundamental frequency by 1 ‰ to 1%. This change in the output oscillation of the oscillator resonant circuit 10 can from the counter 120 and the control and processing unit 122 be recognized in the manner described above. If the change in the output frequency of the oscillator circuit 10 by an approach of an object to the capacitive sensor surface 20 is caused while no interference signal is present, the control and processing unit 122 during each time window similar shifts in the output frequency of the oscillator circuit 10 , For the approach of an object to the capacitive sensor surface becomes the input capacitance of the oscillator resonant circuit 10 during each time window change by about the same amount, resulting in a corresponding same or similar change in the output frequency of the oscillator circuit 10 leads.
Wenn sich kein Gegenstand an die kapazitiven Sensorfläche 20 annähert, aber ein Störsignal vorliegt, und wenn dieses Störsignal Frequenzanteile hat, die bei oder nahe bei einer der Grundfrequenzen liegen, wird die Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises 10 während des Zeitfensters, das dieser einen Grundfrequenz entspricht, verändert, aber nicht während der anderen Zeitfenster, während Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen anliegen, die von der Frequenz des Störsignals entfernt sind. Diese Veränderung der Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises 10 während des einen Zeitfenster kann von dem Zähler 120 und der Steuer- und Verarbeitungseinheit 122 auf die oben beschriebene Weise erkannt werden. Insbesondere erkennt die Steuer- und Verarbeitungseinheit 122, dass eine Veränderung der Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises 10 gegenüber der Grundfrequenz-Ausgangsschwingung nur während des einen Zeitfensters auftritt, und während der anderen Zeitfenster die erwartete Grundfrequenz-Ausgangsschwingung vorliegt. Daher erkennt die Steuer- und Verarbeitungseinheit 122, dass die Abweichung der Ausgangsfrequenz des Oszillatorschwingkreises 10 durch ein Störsignal und nicht durch die Annäherung eines Gegenstandes an die Sensorfläche 20 verursacht wurde.If there is no object on the capacitive sensor surface 20 approaches, but there is a jamming signal, and if this jamming signal has frequency components which are at or near one of the fundamental frequencies, the output oscillation of the oscillator circuit becomes 10 during the time window corresponding to one fundamental frequency, but not during the other time slots, while fundamental frequency output oscillations are removed from the frequency of the interfering signal. This change in the output oscillation of the oscillator resonant circuit 10 during the one time window can from the counter 120 and the control and processing unit 122 be recognized in the manner described above. In particular, the control and processing unit recognizes 122 in that a change in the output oscillation of the oscillator resonant circuit 10 to the fundamental frequency output oscillation occurs only during the one time window, and during the other time slots the expected fundamental frequency output oscillation is present. Therefore, the control and processing unit recognizes 122 in that the deviation of the output frequency of the oscillator resonant circuit 10 by an interference signal and not by the approach of an object to the sensor surface 20 was caused.
Wenn sich ein Gegenstand an die kapazitiven Sensorfläche 20 annähert und ein Störsignal vorliegt, und wenn dieses Störsignal Frequenzanteile hat, die bei oder nahe bei einer der Grundfrequenzen liegen, wird die Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises 10 während des Zeitfensters, das dieser einen Grundfrequenz entspricht, stärker verändert als während der anderen Zeitfenster, während Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen anliegen, die von der Frequenz des Störsignals entfernt sind. Diese unterschiedlichen Veränderungen der Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises 10 während der verschiedenen Zeitfenster kann von dem Zähler 120 und der Steuer- und Verarbeitungseinheit 122 auf die oben beschriebene Weise erkannt werden. Insbesondere erkennt die Steuer- und Verarbeitungseinheit 122, dass eine stärkere Veränderung der Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises 10 gegenüber der Grundfrequenz-Ausgangsschwingung nur während des einen Zeitfensters auftritt, und während der anderen Zeitfenster eine geringere Abweichung von der Grundfrequenz-Ausgangsschwingung vorliegt. Daher erkennt die Steuer- und Verarbeitungseinheit 122, dass die Abweichung der Ausgangsfrequenz des Oszillatorschwingkreises 10 während des einen Zeitfensters durch ein Störsignal und während der anderen Zeitfenster durch die Annäherung eines Gegenstandes an die Sensorfläche 20 verursacht wurde.When an object touches the capacitive sensor surface 20 approaches and an interference signal is present, and if this interference signal has frequency components which are at or near one of the fundamental frequencies, the output oscillation of the oscillator circuit 10 during the time window, which corresponds to this one fundamental frequency changed more than during the other time slots, while abut fundamental frequency output oscillations, which are removed from the frequency of the interference signal. These different changes in the output oscillation of the oscillator resonant circuit 10 during the different time window can from the counter 120 and the control and processing unit 122 be recognized in the manner described above. In particular, the control and processing unit recognizes 122 in that a greater change in the output oscillation of the oscillator resonant circuit 10 with respect to the fundamental frequency output oscillation occurs only during the one time window and during the other time windows there is less deviation from the fundamental frequency output oscillation. Therefore, the control and processing unit recognizes 122 in that the deviation of the output frequency of the oscillator resonant circuit 10 during the one time window by an interference signal and during the other time window by the approach of an object to the sensor surface 20 was caused.
Die Steuer- und Verarbeitungseinheit 122 kann die Ausgangssignale des Zählers 120 beispielsweise numerisch, anhand von Schwellenwerten und oder/durch logische Verknüpfung auswerten. Abweichungen von der Grundfrequenz-Ausgangsschwingung, die über einem bestimmten Schwellwert liegen, können zum Beispiel ignoriert werden. Die absolute, relative und/oder normierte Größe der Ausgangsfrequenzen kann in Funktionen oder Relationen bewertet werden. Die erfassten Ausgangsfrequenzen können normiert, addiert, gemittelt und/oder gewichtet werden.The control and processing unit 122 can be the output signals of the counter 120 numerically, for example, based on threshold values and / or evaluate by logical link. For example, deviations from the fundamental frequency output vibration above a certain threshold may be ignored. The absolute, relative and / or normalized size of the output frequencies can be evaluated in functions or relations. The detected output frequencies can be normalized, added, averaged and / or weighted.
Anstelle einer Ansteuerung des Oszillatorschwingkreises 10 mit einzelnen diskreten Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen während diskreter Zeitfenster kann auch vorgesehen sein, die Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises 10 einen Frequenzbereich kontinuierlich durchlaufen zu lassen, zum Beispiel einen Frequenzbereich von 1 MHz bis 10 MHz, und Messfenster über den Frequenzbereich zu legen.Instead of driving the oscillator resonant circuit 10 with individual discrete fundamental frequency output oscillations during discrete time windows can also be provided, the output oscillation of the oscillator resonant circuit 10 to continuously sweep through a frequency range, for example a frequency range of 1 MHz to 10 MHz, and place measurement windows over the frequency range.
2 zeigt einen Schaltplan eines Teils eines Sensorschaltkreises gemäß einem weiteren Beispiel mit weiteren Einzelheiten. 2 shows a circuit diagram of a portion of a sensor circuit according to another example with further details.
In dem Schaltplan der 2 sind die mit Bezug auf 1 beschriebenen Funktionsblöcke teilweise wiedergegeben. So umfasst der Sensorschaltkreis den einstellbaren Oszillatorschwingkreis 10, die Verstärkerschaltung 16 und die Frequenz-Einstellschaltung 18. Zwischen den einstellbaren Oszillatorschwingkreis 10 und die Verstärkerschaltung 16 ist ein Hochpassfilter 14 geschaltet. Am Ausgang der Verstärkerschaltung 10 ist ein Schmitt-Trigger 24 angeordnet. Der Schmitt-Trigger 24 stellt ein Eingangssignal CNTR_IN für die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 12 bereit, und die Frequenz-Einstellschaltung 18 empfängt Steuersignale ENABLE, CAP_F1 und CAP_F2 von der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 12.In the circuit diagram of 2 are the ones related to 1 partially reproduced functional blocks described. Thus, the sensor circuit comprises the adjustable oscillator resonant circuit 10 , the amplifier circuit 16 and the frequency adjustment circuit 18 , Between the adjustable oscillator resonant circuit 10 and the amplifier circuit 16 is a high pass filter 14 connected. At the output of the amplifier circuit 10 is a Schmitt trigger 24 arranged. The Schmitt trigger 24 provides an input signal CNTR_IN for the control and processing device 12 ready, and the frequency adjustment circuit 18 receives control signals ENABLE . CAP_F1 and CAP_F2 from the control and processing device 12 ,
In dem gezeigten Beispiel umfasst der Oszillatorschwingkreis 10 ein Schwingkreis, der aus einer Induktivität oder Spule L3 und zwei in Reihe geschaltete Kapazitäten oder Kondensatoren C8, C10 gebildet ist, wobei die in Reihe geschalteten Kondensatoren zu der Spule parallel geschaltet sind und wobei der Schwingkreis an einem ersten Verbindungspunkt der Parallelschaltung zwischen der Spule L3 und der Reihenschaltung aus den Kondensatoren C8, C10 mit der kapazitiven Fläche 20 gekoppelt ist. Der gegenüberliegende Verbindungspunkt der Parallelschaltung ist mit Masse gekoppelt. Der Transistor Q1 dient zur Ansteuerung und zum Antreiben des Schwingkreises, wobei der Arbeitspunkt des Transistor Q1 über die Widerstände R1, R7, R9, R13 eingestellt wird. Der Kondensator C4 koppelt den ersten Verbindungspunktes Schwingkreises an den Eingang des Transistors Q1, sodass der Schwingkreis über den Transistor Q1 angesteuert werden kann. Der Ausgang des Schwingkreises ist in der Zeichnung mit Messpunkt A bezeichnet.In the example shown, the oscillator resonant circuit comprises 10 a resonant circuit consisting of an inductor or coil L3 and two series capacitors or capacitors C8 . C10 is formed, wherein the series-connected capacitors are connected in parallel to the coil and wherein the resonant circuit at a first connection point of the parallel connection between the coil L3 and the series connection of the capacitors C8 . C10 with the capacitive surface 20 is coupled. The opposite connection point of the parallel circuit is coupled to ground. The transistor Q1 serves for driving and for driving the resonant circuit, wherein the operating point of the transistor Q1 about the resistances R1 . R7 . R9 . R13 is set. The capacitor C4 couples the first connection point resonant circuit to the input of the transistor Q1 so that the resonant circuit across the transistor Q1 can be controlled. The output of the resonant circuit is designated in the drawing with measuring point A.
Die Frequenz-Einstellschaltung 18 umfasst zwei Kondensatoren C11, C12, welche über zwei Transistoren Q5, Q6 in den Schwingkreis des Oszillatorschwingkreis 10 geschaltet werden können, um die Grund-Schwingungsfrequenz zu verändern. R17 und R18 dienen als Vorwiderstände der Transistoren Q5 und Q6 und empfangen Steuersignale CAP_F1 und CAP_F2 von der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 12. Wenn die Kondensatoren C11, C12, in den Schwingkreis des Oszillatorschwingkreises 10 geschaltet sind, sind sie jeweils zu dem Kondensator C10 parallel gegen Masse geschaltet.The frequency adjustment circuit 18 includes two capacitors C11 . C12 which has two transistors Q5 . Q6 in the resonant circuit of the oscillator resonant circuit 10 can be switched to change the fundamental oscillation frequency. R17 and R18 serve as series resistors of the transistors Q5 and Q6 and receive control signals CAP_F1 and CAP_F2 from the control and processing device 12 , When the capacitors C11 . C12 , into the resonant circuit of the oscillator resonant circuit 10 are connected, they are each to the capacitor C10 connected in parallel to ground.
Das Ausgangssignal des Oszillatorschwingkreises 10 wird der Verstärkerschaltung 16 über den Kondensator C5 zugeführt, der einen Hochpass 14 bildet, wobei der Oszillatorschwingkreis 10 in Verbindung mit dem Kondensator C5 insgesamt als ein Bandpass wirkt. Der Schwingkreis ist so eingestellt, dass er nur oder im Wesentlichen nur bei seiner Grund-Ausgangsfrequenz schwingt, nicht bei höheren oder niedrigeren Frequenzen. Die Verstärkerschaltung 16 umfasst einen Transistor Q3, dessen Arbeitspunkt über die Widerstände R2, R3, R11, R14 und den Kondensator C1 eingestellt wird. Am Ausgang des Transistor Q3 ist ein Ausgangssignal gebildet, das in der Zeichnung mit Messpunkt B bezeichnet ist. In dem gezeigten Beispiel ist der Ausgang der Verstärkerschaltung 16 mit einem Schmitt-Trigger 24 gekoppelt, der ein Eingangssignal CNTR_IN der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 12 bereitstellt. Der Schmitt-Trigger 24 dient der Signalaufbereitung und zur Erzeugung rechteckiger oder weitgehend rechteckiger Signalflanken. Die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung ist in 2 nicht gezeigt. Sie kann grundsätzlich aus einem Mikrocontroller, ähnlich wie in 1 gezeigt, aufgebaut sein.The output signal of the oscillator resonant circuit 10 becomes the amplifier circuit 16 over the capacitor C5 fed, which has a high pass 14 forms, wherein the oscillator resonant circuit 10 in connection with the capacitor C5 overall acts as a bandpass. The resonant circuit is set to oscillate only or substantially only at its fundamental output frequency, not at higher or lower frequencies. The amplifier circuit 16 includes a transistor Q3 , its operating point over the resistances R2 . R3 . R11 . R14 and the capacitor C1 is set. At the output of the transistor Q3 is formed an output signal, which is designated in the drawing with measuring point B. In the example shown, the output is the amplifier circuit 16 with a Schmitt trigger 24 coupled, which is an input signal CNTR_IN the control and processing device 12 provides. The Schmitt trigger 24 is used for signal conditioning and for generating rectangular or largely rectangular signal edges. The control and processing device is in 2 Not shown. It can basically be made up of a microcontroller, much like in 1 shown to be built.
Um verschiedene Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen des Oszillatorschwingkreises 10 zu erzeugen, kann eine erste Grundfrequenz-Ausgangsschwingung des Schwingkreises, der aus der Induktivität L3 und den zwei Kapazitäten C8, C10 gebildet ist, durch Hinzuschalten eines oder mehrere der Kondensatoren C11, C12 mittels der Frequenz-Einstellschaltung 18 verändert werden, um eine zweite, eine dritte und gegebenenfalls eine vierte Grundfrequenz-Ausgangsschwingung zu erzeugen. Damit kann das oben beschriebene Messverfahren realisiert werden.To different fundamental frequency output oscillations of the oscillator circuit 10 may generate a first fundamental frequency output oscillation of the resonant circuit resulting from the inductance L3 and the two capacities C8 . C10 is formed by adding one or more of the capacitors C11 . C12 by means of the frequency setting circuit 18 be changed to produce a second, a third and possibly a fourth fundamental frequency output oscillation. Thus, the measuring method described above can be realized.
3 zeigt eine Abwandlung eines Teils des Sensorschaltkreises gemäß einem weiteren Beispiel mit weiteren Einzelheiten. Auf die Beschreibung der 2 wird Bezug genommen. 3 shows a modification of a portion of the sensor circuit according to another example with further details. On the description of 2 is referred to.
In dem Schaltplan der 3 sind ebenfalls die mit Bezug auf 1 beschriebenen Funktionsblöcke teilweise wiedergegeben. So umfasst auch dieser Sensorschaltkreis den einstellbaren Oszillatorschwingkreis 10, die Verstärkerschaltung 16 und die Frequenz-Einstellschaltung 18. Zwischen dem einstellbaren Oszillatorschwingkreis 10 und der Verstärkerschaltung 16 ist ein Hochpassfilter 14 geschaltet. Am Ausgang der Verstärkerschaltung 10 ist ein Schmitt-Trigger 24 angeordnet. Der Schmitt-Trigger 24 stellt ein Eingangssignal CNTR_IN für die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 12 bereit, und die Frequenz-Einstellschaltung 18 empfängt Steuersignale CAP_F1 und CAP_F2 von der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 12.In the circuit diagram of 3 are also the ones related to 1 partially reproduced functional blocks described. So this sensor circuit includes the adjustable oscillator circuit 10 , the amplifier circuit 16 and the frequency adjustment circuit 18 , Between the adjustable oscillator resonant circuit 10 and the amplifier circuit 16 is a high pass filter 14 connected. At the output of the amplifier circuit 10 is a Schmitt trigger 24 arranged. The Schmitt trigger 24 provides an input signal CNTR_IN for the control and processing device 12 ready, and the frequency adjustment circuit 18 receives control signals CAP_F1 and CAP_F2 from the control and processing device 12 ,
In dem gezeigten Beispiel umfasst der Oszillatorschwingkreis 10 einen Schwingkreis, der aus drei in Reihe geschalteten Induktivitäten oder Spulen L1, L2, L4 und zwei in Reihe geschalteten Kapazitäten oder Kondensatoren C7, C9 gebildet ist, wobei die Reihenschaltung aus den Spulen parallel geschaltet ist zu der Reihenschaltung aus den Kondensatoren und wobei der Schwingkreis mit der kapazitiven Fläche 20 an einem ersten Verbindungspunt der Parallelschaltung gekoppelt ist. Der gegenüberliegende Verbindungspunkt ist mit Masse gekoppelt. Der Transistor Q2 dient zur Ansteuerung und zum Antreiben des Schwingkreises, wobei der Arbeitspunkt des Transistor Q2 über die Widerstände R4, R8, R10, R15 eingestellt wird. Der Kondensator C3 koppelt den ersten Verbindungspunkt des Schwingkreises an den Transistor Q2, sodass der Schwingkreis über den Transistor Q2 angesteuert werden kann.In the example shown, the oscillator resonant circuit comprises 10 a resonant circuit consisting of three series-connected inductors or coils L1 . L2 . L4 and two series capacitors or capacitors C7 . C9 is formed, wherein the series circuit of the coils is connected in parallel to the series circuit of the capacitors and wherein the resonant circuit with the capacitive surface 20 is coupled to a first connection point of the parallel connection. The opposite connection point is coupled to ground. The transistor Q2 serves for driving and for driving the resonant circuit, wherein the operating point of the transistor Q2 about the resistances R4 . R8 . R10 . R15 is set. The capacitor C3 couples the first connection point of the resonant circuit to the transistor Q2 so that the resonant circuit across the transistor Q2 can be controlled.
Die Frequenz-Einstellschaltung 18 umfasst in diesem Beispiel zwei Transistoren Q7, Q8, die mit den Induktivitäten L1, L2 und L4 des Oszillatorschwingkreises 10 so verbunden sind, dass sie jeweils eine oder zwei der Induktivitäten L2, L4 überbrücken und auf Masse schalten können, um die Grund-Schwingungsfrequenz des Schwingkreises aus den Induktivitäten L1, L2, L4 und den Kapazitäten C7, C9 zu verändern. R19 und R20 dienen als Vorwiderstände der Transistoren Q7 und Q8 und empfangen die Steuersignale CAP_F1 und CAP_F2 von der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 12.The frequency adjustment circuit 18 includes two transistors in this example Q7 . Q8 that with the inductors L1 . L2 and L4 of the oscillator resonant circuit 10 are connected so that they each have one or two of the inductors L2 . L4 can bridge and ground to the fundamental oscillation frequency of the resonant circuit from the inductors L1 . L2 . L4 and the capacities C7 . C9 to change. R19 and R20 serve as series resistors of the transistors Q7 and Q8 and receive the control signals CAP_F1 and CAP_F2 from the control and processing device 12 ,
Das Ausgangssignal des Oszillatorschwingkreises 10 wird der Verstärkerschaltung 16 über den Kondensator C6 zugeführt, der einen Hochpass 14 bildet, wobei der Oszillatorschwingkreis 10 in Verbindung mit dem Kondensator C6 insgesamt als ein Bandpass wirkt. Die Verstärkerschaltung 16 umfasst, wie die Schaltung der 2, einen Transistor Q4, dessen Arbeitspunkt über die Widerstände R5, R6, R12, R16 und den Kondensator C2 eingestellt wird. Am Ausgang des Transistors Q4 ist ein Ausgangssignal gebildet. In dem gezeigten Beispiel wird der Ausgang der Verstärkerschaltung 16 einem Schmitt-Trigger 24 zugeführt, der ein Eingangssignal CNTR_IN der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 12 bereitstellt. Der Schmitt-Trigger 24 dient der Signalaufbereitung, um das verstärkte Ausgangssignal des Oszillatorschwingkreises 10 in ein Signal mit präzisen rechteckigen oder weitgehend rechteckigen Flanken umzuwandeln. Die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung ist in 3 nicht gezeigt. Sie kann grundsätzlich aus einem Mikrocontroller, ähnlich wie in 1 gezeigt, aufgebaut sein. The output signal of the oscillator resonant circuit 10 becomes the amplifier circuit 16 over the capacitor C6 fed, which has a high pass 14 forms, wherein the oscillator resonant circuit 10 in connection with the capacitor C6 overall acts as a bandpass. The amplifier circuit 16 includes how the circuit of the 2 , a transistor Q4 , its operating point over the resistances R5 . R6 . R12 . R16 and the capacitor C2 is set. At the output of the transistor Q4 is an output signal formed. In the example shown, the output of the amplifier circuit 16 a Schmitt trigger 24 supplied, which is an input signal CNTR_IN the control and processing device 12 provides. The Schmitt trigger 24 is used for signal conditioning to the amplified output of the oscillator circuit 10 into a signal with precise rectangular or largely rectangular edges. The control and processing device is in 3 Not shown. It can basically be made up of a microcontroller, much like in 1 shown to be built.
Wie dargelegt, dienen Filter, Verstärker und Schmitt-Trigger der Optimierung der Schaltung und sind für die Funktion gemäß der Erfindung nicht unerlässlich. Der Zähler 120 könnte z.B. auch direkt mit dem Widerstand R15 verbunden sein.As stated, filters, amplifiers and Schmitt triggers are used to optimize the circuit and are not essential to the function of the invention. The counter 120 could eg also directly with the resistance R15 be connected.
Um verschiedene Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen des Oszillatorschwingkreises 10 zu erzeugen, kann eine erste Grundfrequenz-Ausgangsschwingung des Schwingkreises, der aus den Induktivitäten L1, L2, L4 und den zwei Kapazitäten C7, C9 gebildet ist, durch Überbrücken einer oder mehrere der Induktivitäten L2, L4 mittels der Frequenz-Einstellschaltung 18 verändert werden, um eine zweite und eine dritte Grundfrequenz-Ausgangsschwingung zu erzeugen. Damit kann das oben beschriebene Messverfahren realisiert werden.To different fundamental frequency output oscillations of the oscillator circuit 10 can generate a first fundamental frequency output oscillation of the resonant circuit, from the inductances L1 . L2 . L4 and the two capacities C7 . C9 is formed by bridging one or more of the inductors L2 . L4 by means of the frequency setting circuit 18 be changed to produce a second and a third fundamental frequency output oscillation. Thus, the measuring method described above can be realized.
Es ist möglich, mehrere Sensoren auf einer Leiterplatte oder einem anderen Träger oder auf jeweils eigenen Leiterplatten oder Trägern zu realisieren, wobei dann jeder Sensor eine kapazitive Fläche 20 aufweist. Die Sensorsignale können über eine oder mehrere Sensorschaltungen ausgewertet werden, wobei die oder jede Sensorschaltung jeweils einen Oszillatorschwingkreis 10, einen Filter 14, einen Verstärker 16 und eine Frequenzeinstellschaltung 18 aufweisen kann. Mehrere Sensoren können sich ferner eine Stromversorgung 22 und eine Steuer- und Verarbeitungsschaltung 12, also ein Mikrocontroller, teilen. Die Ausgänge der Sensorschaltungen, entsprechend dem Eingangssignal der Steuer- und Verarbeitungsschaltung 12, das in den 2 und 3 bei CNTR_IN gezeigt ist, können über einen Multiplexer (nicht gezeigt) z.B. auf einen entsprechenden Eingang der Steuer- und Verarbeitungsschaltung 12 geschaltet werden. Ein Multiplexer kann auch an beliebigen anderen Stellen in den Signalpfaden der oben genannten Hauptkomponenten 20, 10, 14, 16 und 12 eingefügt werden, so dass unterschiedliche Unter-Kombinationen der Hauptkomponenten zur Auswertung der Sensorsignale von verschiedenen Sensoren gemeinsam genutzt werden können. Wenn mehrere Frequenzeinstellschaltungen 18 vorgesehen sind, können die jeweiligen Frequenzeinstellschaltungen 18 der mehreren Sensorschaltungen alle dieselben Steuersignale CAP_Fi, CAP_F2 empfangen, wobei immer nur die Sensorschaltung aktiv ist, die über den Multiplexer auf den entsprechenden Eingang der Steuer- und Verarbeitungsschaltung 12 geschaltet ist.It is possible to realize a plurality of sensors on a printed circuit board or another carrier or on their own circuit boards or carriers, in which case each sensor has a capacitive surface 20 having. The sensor signals can be evaluated via one or more sensor circuits, the or each sensor circuit each having an oscillator resonant circuit 10 , a filter 14 , an amplifier 16 and a frequency adjustment circuit 18 can have. Several sensors can also be a power supply 22 and a control and processing circuit 12 , so a microcontroller, share. The outputs of the sensor circuits, according to the input signal of the control and processing circuit 12 that in the 2 and 3 at CNTR_IN can be shown via a multiplexer (not shown), for example, to a corresponding input of the control and processing circuit 12 be switched. A multiplexer may also be located at any other location in the signal paths of the major components mentioned above 20 . 10 . 14 . 16 and 12 be inserted, so that different sub-combinations of the main components for the evaluation of the sensor signals can be shared by different sensors. If several frequency adjustment circuits 18 are provided, the respective Frequenzeinstellschaltungen 18 the multiple sensor circuits all the same control signals CAP_Fi . CAP_F2 received, wherein only the sensor circuit is always active, which via the multiplexer to the corresponding input of the control and processing circuit 12 is switched.
4 zeigt ein Signalablaufdiagramm verschiedener Signale, die in dem Sensorschaltkreis der 1, 2 oder 3 auftreten können. Insbesondere sind beispielhafte Kurvenverläufe gezeigt, die an den Messpunkten A und B in 2 auftreten können. Die erste Kurve in 4 entspricht dem Ausgangssignal des Schwingkreises L3, C8, C10 in dem Oszillatorschwingkreis 10 bei Messpunkt A in 1, und die zweite Kurve zeigt das gleiche Signal nach der Verstärkung durch die Verstärkerschaltung 16 bei Messpunkt B in 1. In dem jeweils ersten Teil des Signalverlaufs wurde eine mittlere Schwingungsfrequenz von ca. 3,5 MHz gemessen, und in dem zweiten Teil des Signalverlaufs wurde eine mittlere Schwingungsfrequenz von ca. 3,495 MHz gemessen. In dem Beispiel wurden beide Messungen bei einer Grundfrequenz-Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises 10 von 3,5 MHz, also ohne Veränderung der Grundfrequenz-Ausgangsschwingung durch die Frequenzeinstellschaltung 18, erfasst. Aufgrund der Verschiebung der Schwingungsfrequenz von 3,5 MHz auf 3,495 MHz, also in der Größenordnung von z. B. 0,1%, kann eine Verstimmung des Schwingkreises durch Berührung der oder Annäherung eines Gegenstandes an die kapazitive Fläche 20 erkannt werden. Ein Störsignal liegt in diesem Szenario nicht vor. 4 shows a signal flow diagram of various signals in the sensor circuit of 1 . 2 or 3 may occur. In particular, exemplary curve courses are shown, which at the measuring points A and B in FIG 2 may occur. The first turn in 4 corresponds to the output signal of the resonant circuit L3 . C8 . C10 in the oscillator resonant circuit 10 at measuring point A in 1 and the second curve shows the same signal after amplification by the amplifier circuit 16 at measuring point B in 1 , In the respective first part of the signal curve a mean oscillation frequency of about 3.5 MHz was measured, and in the second part of the signal curve a mean oscillation frequency of about 3.495 MHz was measured. In the example, both measurements were at a fundamental frequency output oscillation of the oscillator circuit 10 of 3.5 MHz, ie without changing the fundamental frequency output oscillation by the frequency setting circuit 18 , detected. Due to the shift of the oscillation frequency from 3.5 MHz to 3.495 MHz, ie in the order of z. B. 0.1%, can be a detuning of the resonant circuit by touching or approaching an object to the capacitive surface 20 be recognized. An interference signal is not present in this scenario.
5 zeigt ein Signalablaufdiagramm der gemessenen Spannung V über der Zeit t, entsprechend einem Messergebnis des Sensorschaltkreises bei verschiedenen Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen ohne Störung, nach der Auswertung durch die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 12. Die drei Signallinien entsprechen drei Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen, die in Bezug auf eine gleiche Nulllinie dargestellt sind, wobei die Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen bis zu dem Zeitpunkt to und ab dem Zeitpunkt t1 weitgehend konstant sind. Zu dem Zeitpunkt to bis zum Zeitpunkt t1 findet eine Berührung der oder Annäherung eines Gegenstandes an die kapazitive Fläche 20 statt, wobei diese Berührung oder Annäherung bei Betrieb der Sensorschaltung mit jeder der drei Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen als eine Verstimmung des Sensorschaltkreises und somit eine Veränderung der Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises wahrgenommen wird. Wie in 5 zu erkennen, ist die Veränderung der Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises bei allen drei Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen unterschiedlich, aber gleich gerichtet und deutlich ausgeprägt. Dadurch kann erkannt werden, dass eine Berührung der oder Annäherung eines Gegenstandes an die kapazitive Fläche 20 zwischen den Zeitpunkten to und t1 erfolgt ist. Aufgrund des Gleichlaufs der Frequenzverschiebung kann auch erkannt werden, dass die Abweichung der Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises nicht durch ein Störsignal verursacht wurde. 5 shows a signal flow diagram of the measured voltage V over the time t, according to a measurement result of the sensor circuit at different fundamental frequency output vibrations without interference, after evaluation by the control and processing means 12 , The three signal lines correspond to three fundamental frequency output vibrations, which are represented with respect to a same zero line, wherein the fundamental frequency output oscillations are largely constant up to the time to and from the time t1. At time to until time t1, there is a touch of or approach of an object to the capacitive surface 20 instead, this contact or approach is sensed in operation of the sensor circuit with each of the three fundamental frequency output oscillations as a detuning of the sensor circuit and thus a change in the output oscillation of the oscillator resonant circuit. As in 5 to recognize the change in the output oscillation of the oscillator circuit is different in all three fundamental frequency output vibrations, but the same direction and pronounced. As a result, it can be seen that touching or approaching an object to the capacitive surface 20 between the times to and t1 is done. Due to the synchronization of the frequency shift can also be recognized that the deviation of the output oscillation of the oscillator resonant circuit was not caused by an interference signal.
6 zeigt ein ähnliches Signalablaufdiagramm entsprechend einem Messergebnis des Sensorschaltkreises bei verschiedenen Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen, wobei in diesem Fall ein Störsignal aber keine Berührung der oder Annäherung an die kapazitive Fläche 20 vorliegt. Die drei Signallinien entsprechen wieder drei Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen, die in Bezug auf eine gleiche Nulllinie dargestellt sind, wobei alle drei Signallinien bis zu dem Zeitpunkt t2 und ab dem Zeitpunkt t3 weitgehend konstant sind. Tatsächlich sind zwei der Signallinien über das gesamte Messintervall weitgehend konstant. Zu dem Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 tritt ein Störsignal auf, wobei die Frequenz des Störsignals in der Nähe der Grundfrequenz-Ausgangsschwingung einer der Signallinien liegt. Dadurch wird das Ausgangssignal des Oszillatorschwingkreis 20, wenn er mit der entsprechenden Grundfrequenz-Ausgangsschwingung betrieben wird, zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 stark verstimmt, was als eine Abweichung der Frequenz der Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises 10 in diesem Zeitintervall und bei dieser Grundfrequenz-Ausgangsschwingung erkannt werden kann. Wie in 6 zu erkennen, findet eine Veränderung der Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises nur bei einer der drei Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen statt. Dadurch kann erkannt werden, dass die Abweichung der Ausgangsschwingung des Oszillatorschwingkreises durch ein Störsignal und nicht durch Berührung der oder Annäherung eines Gegenstandes an die kapazitive Fläche 20 verursacht wurde. 6 shows a similar signal flow diagram corresponding to a measurement result of the sensor circuit at different fundamental frequency output oscillations, in which case an interference signal but no contact or approach to the capacitive surface 20 is present. The three signal lines again correspond to three fundamental frequency output oscillations, which are represented with respect to a same zero line, wherein all three signal lines are largely constant up to the time t2 and from the time t3. In fact, two of the signal lines are largely constant over the entire measurement interval. At the time t2 to the time t3, an interference signal occurs, the frequency of the interference signal being in the vicinity of the fundamental frequency output vibration of one of the signal lines. This will cause the output of the oscillator circuit 20 when it is operated with the corresponding fundamental frequency output oscillation, strongly detuned between the times t2 and t3, which is a deviation of the frequency of the output oscillation of the oscillator circuit 10 can be detected in this time interval and at this fundamental frequency output oscillation. As in 6 to recognize a change in the output oscillation of the oscillator resonant circuit takes place only in one of the three fundamental frequency output oscillations. As a result, it can be seen that the deviation of the output oscillation of the oscillator resonant circuit is due to an interference signal and not by touching or approaching an object to the capacitive surface 20 was caused.
Die Messintervalle, in denen der Oszillatorschwingkreis 10 mit den verschiedenen Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen betrieben wird, sind so gewählt, dass innerhalb einer Zeitspanne, die üblicherweise einer Berührungsdauer der kapazitiven Fläche 20 entsprechen kann, zum Beispiel während einer Zeitspanne von 100 ms bis 1s, der Oszillatorschwingkreis 10 mit jeder der verschiedenen Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen wenigstens einmal, vorzugsweise mehrfach betrieben wird. Der Oszillatorschwingkreis 10 kann mit den verschiedenen Grundfrequenz-Ausgangsschwingungen beispielsweise nacheinander während jeweils eines zugehörigen Zeitfensters aktiviert werden, wobei die den Grundfrequenzen zugeordneten Zeitfenster über den Timer 124 nacheinander und wiederholt aktiviert werden. Jedes Zeitfenster hat beispielsweise eine Dauer von 1 bis 30 ms, mit einer Pause von 0,1 bis 2 ms zwischen zwei Zeitfenstern. In einer Ausgestaltung liegen die Grundfrequenzen während der einzelnen Zeitfenster so weit auseinander, dass mindestens bei einer schmalbandigen Störung nicht die Messwerte auf mehreren Grundfrequenzen gleichzeitig nennenswert beeinflusst werden.The measuring intervals in which the oscillator resonant circuit 10 are operated with the different fundamental frequency output oscillations are chosen so that within a period of time, usually a contact duration of the capacitive surface 20 can correspond, for example, during a period of 100 ms to 1 s, the oscillator resonant circuit 10 with each of the different fundamental frequency output oscillations at least once, preferably several times. The oscillator resonant circuit 10 can be activated with the different fundamental frequency output oscillations, for example, successively during each associated time window, wherein the time slots associated with the fundamental frequencies are activated via the timer 124 be activated successively and repeatedly. Each time slot, for example, has a duration of 1 to 30 ms, with a pause of 0.1 to 2 ms between two time slots. In one embodiment, the fundamental frequencies during the individual time windows are so far apart that, at least in the case of a narrow-band interference, the measured values at a plurality of fundamental frequencies are not influenced significantly at the same time.
