DE102018207546A1 - Electronic measuring circuit arrangement for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit arrangement, electronic measuring device for detecting a capacitive measuring signal and method for detecting a capacitive measuring signal to an electronic measuring device - Google Patents
Electronic measuring circuit arrangement for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit arrangement, electronic measuring device for detecting a capacitive measuring signal and method for detecting a capacitive measuring signal to an electronic measuring device Download PDFInfo
- Publication number
- DE102018207546A1 DE102018207546A1 DE102018207546.8A DE102018207546A DE102018207546A1 DE 102018207546 A1 DE102018207546 A1 DE 102018207546A1 DE 102018207546 A DE102018207546 A DE 102018207546A DE 102018207546 A1 DE102018207546 A1 DE 102018207546A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- measuring
- signal
- excitation
- electronic
- capacitor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft eine elektronische Messschaltungsanordnung (1) zum Erzeugen eines Antwortsignals (3) auf ein Anregungssignal (2; 2a; 2b) an einem Ausgang (A) der elektronischen Messschaltungsanordnung (1), umfassend eine Taktgebereinrichtung (4), mittels welcher eine zeitlicheTaktung (t) für das Anregungssignal (2) vorgebbar ist; eine Anregungseinrichtung (5; 5a; 5b), welche mit der Taktgebereinrichtung (4) verbunden ist, und mittels welcher das Anregungssignal (2; 2a; 2b) gemäß der zeitlichen Taktung (t) erzeugbar ist; zumindest einen ersten und einen zweiten elektronischen Messkanal (MK1; MK2), welche mit der Anregungseinrichtung (5; 5a; 5b) verbunden sind und welche jeweils eine Kapazitätsbrücke (KB) umfassen, wobei die Kapazitätsbrücke (KB) einen ersten Messkondensator (C1Ma; C1Mb), einen zweiten Messkondensator (C2Ma; C2Mb), einen ersten Referenzkondensator (C1Ra; C1Rb) und einen zweiten Referenzkondensator (C2Ra; C2Rb) umfasst, wobei der erste Messkondensator (C1Ma; C1Mb) und der zweite Messkondensator (C2Ma; C2Mb) in deren Kapazität durch einen äußeren Einfluss variabel sind und der erste Referenzkondensator (C1Ra; C1Rb) und der zweite Referenzkondensator (C2Ra; C2Rb) eine konstante Kapazität aufweisen, und wobei der erste und der zweite Messkanal (MK1; MK2) ein erstes und ein zweites Teilsignal (3a; 3b) aus dem Anregungssignal (2) erzeugen, wobei alle Teilsignale zum Bilden des Antwortsignals (3) am Ausgang (A) überlagerbar sind.The present invention provides an electronic measuring circuit arrangement (1) for generating a response signal (3) on an excitation signal (2; 2a; 2b) at an output (A) of the electronic measuring circuit arrangement (1), comprising a clock device (4) by means of which a temporal clocking (t) for the excitation signal (2) can be predetermined; an excitation device (5; 5a; 5b) which is connected to the clock device (4) and by means of which the excitation signal (2; 2a; 2b) can be generated according to the temporal clocking (t); at least one first and one second electronic measuring channel (MK1; MK2), which are connected to the excitation device (5; 5a; 5b) and which each comprise a capacitance bridge (KB), wherein the capacitance bridge (KB) comprises a first measuring capacitor (C1Ma; C1Mb ), a second measuring capacitor (C2Ma; C2Mb), a first reference capacitor (C1Ra; C1Rb) and a second reference capacitor (C2Ra; C2Rb), wherein the first measuring capacitor (C1Ma; C1Mb) and the second measuring capacitor (C2Ma; Capacitance are variable by an external influence and the first reference capacitor (C1Ra; C1Rb) and the second reference capacitor (C2Ra; C2Rb) have a constant capacitance, and wherein the first and second measuring channels (MK1; MK2) have a first and a second partial signal ( 3a, 3b) from the excitation signal (2), all sub-signals for forming the response signal (3) being superimposable at the output (A).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Messschaltungsanordnung zum Erzeugen eines Antwortsignals auf ein Anregungssignal an einem Ausgang der elektronischen Messschaltungsanordnung, eine elektronische Messvorrichtung zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals und ein Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messvorrichtung.The present invention relates to an electronic measuring circuit arrangement for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit arrangement, to an electronic measuring device for detecting a capacitive measuring signal and to a method for detecting a capacitive measuring signal at an electronic measuring device.
Stand der TechnikState of the art
Bei Sensorvorrichtungen wird meist eine Ermittlung eines Messsignals angestrebt, welche möglichst wenig Störeinflüsse, etwa ein geringes Rauschen im Signal, bei der Messung mit sich zieht. Insbesondere betreffend das Internet der Dinge sowie mobile Anwendungen werden Sensoren benötigt, welche eine hohe Genauigkeit aufweisen und energiesparend sind. Für solche Anwendungen sind kapazitive Sensoren besonders gut geeignet, da das Messprinzip selbst keinen Strom zum Messbetrieb erfordert. Des Weiteren wird es ermöglicht Energie einzusparen, indem die Sensoren in einem gepulsten Betrieb betrieben werden. In einem gepulsten Betrieb mit einer pulsförmigen Spannung, etwa mit rechteckigen Profilen, zum Auslesen der Messkapazität des Sensors kann dieser allerdings breitbandig zu mechanischen Schwingungen angeregt werden, wodurch sich ein Einschwingrauschen auf dem Messsignal ergeben kann.When sensor devices, a determination of a measurement signal is usually sought, which attracts as little interference, such as a low noise in the signal in the measurement with it. Particularly regarding the Internet of Things and mobile applications, sensors are required which have high accuracy and are energy-saving. Capacitive sensors are particularly well suited for such applications since the measuring principle itself does not require any current for measuring operation. Furthermore, it is possible to save energy by operating the sensors in a pulsed mode. In a pulsed operation with a pulsed voltage, such as with rectangular profiles, for reading the measuring capacity of the sensor, however, this broadband can be excited to mechanical vibrations, which can result in a settling noise on the measurement signal.
In der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft eine elektronische Messschaltungsanordnung zum Erzeugen eines Antwortsignals auf ein Anregungssignal an einem Ausgang der elektronischen Messschaltungsanordnung nach Anspruch 1, eine elektronische Messvorrichtung zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals nach Anspruch 9 und ein Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messvorrichtung nach Anspruch 11.The present invention provides an electronic measuring circuit arrangement for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit arrangement according to claim 1, an electronic measuring device for detecting a capacitive measuring signal according to
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred developments are subject of the dependent claims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine zeitversetzte Anregung von Messkanälen in einer Messschaltungsanordnung, etwa einer Sensorvorrichtung, in deren Anregungssignal zu erzeugen, welches zur Messaktivität der Sensorvorrichtung, insbesondere der Messschaltungsanordnung, benötigt wird. Durch die zeitversetzte Anregung kann das Signalrauschen eines Ausgangssignals der Messschaltungsanordnung, etwa das Eigenschwingungsrauschen auf dem Messsignal dieser, verringert werden.The idea on which the present invention is based is to generate a time-delayed excitation of measuring channels in a measuring circuit arrangement, for example a sensor device, in its excitation signal, which is required for the measuring activity of the sensor device, in particular the measuring circuit arrangement. The time-offset excitation can reduce the signal noise of an output signal of the measuring circuit arrangement, for example the natural oscillation noise on the measuring signal of the latter.
Erfindungsgemäß umfasst die elektronische Messschaltungsanordnung zum Erzeugen eines Antwortsignals auf ein Anregungssignal an einem Ausgang der elektronischen Messschaltungsanordnung eine Taktgebereinrichtung, mittels welcher eine zeitliche Taktung für das Anregungssignal vorgebbar ist; eine Anregungseinrichtung, welche mit der Taktgebereinrichtung verbunden ist, und mittels welcher das Anregungssignal gemäß der zeitlichen Taktung erzeugbar ist. Des Weiteren umfasst die Messschaltungsanordnung zumindest einen ersten und einen zweiten elektronischen Messkanal, welche mit der Anregungseinrichtung verbunden sind und welche jeweils eine Kapazitätsbrücke umfassen, wobei die Kapazitätsbrücke einen ersten Messkondensator, einen zweiten Messkondensator, einen ersten Referenzkondensator und einen zweiten Referenzkondensator umfasst, wobei der erste Messkondensator und der zweite Messkondensator in deren Kapazität durch einen äußeren Einfluss variabel sind und der erste Referenzkondensator und der zweite Referenzkondensator eine konstante Kapazität aufweisen, und wobei der erste und der zweite Messkanal ein erstes und ein zweites Teilsignal aus dem Anregungssignal erzeugen, wobei alle Teilsignale zum Bilden des Antwortsignals am Ausgang überlagerbar sind.According to the invention, the electronic measuring circuit arrangement for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit arrangement comprises a clock device, by means of which a temporal clocking for the excitation signal can be predetermined; an excitation device which is connected to the clock device, and by means of which the excitation signal according to the temporal clocking can be generated. Furthermore, the measuring circuit arrangement comprises at least a first and a second electronic measuring channel, which are connected to the excitation device and which each comprise a capacitance bridge, wherein the capacitance bridge comprises a first measuring capacitor, a second measuring capacitor, a first reference capacitor and a second reference capacitor, wherein the first Measuring capacitors and the second measuring capacitor in the capacitance are variable by an external influence and the first reference capacitor and the second reference capacitor having a constant capacitance, and wherein the first and the second measuring channel generate a first and a second partial signal from the excitation signal, wherein all the partial signals for Forming the response signal are superimposed on the output.
Das Antwortsignal umfasst vorteilhaft eine Information über einen an dem ersten Messkondensator und an dem zweiten Messkondensator vorliegenden und zu messenden Zustand, beispielsweise einen dort vorherrschenden Druck, auf welchen durch momentanen Kapazitäten (Änderungen der Kapazität) der Messkondensatoren relativ zu den Referenzkondensatoren rückgeschlossen werden kann. Die Messung erfolgt durch eine Ansteuerung der Messkondensatoren mit dem Anregungssignal, wobei der erste und der zweite Messkanal jeweils ein Antwortsignal als Teilsignale erzeugen. Durch ein zeitlich variables Anregungssignal kann in jedem der Messkanäle ein Einschwingrauschen erzeugt werden. Das gesamte Einschwingrauschen der ganzen Messschaltungsanordnung wird vorteilhaft durch eine Überlagerung der Teilsignale verringert, wobei sich die mechanisch schwingungsbedingten dynamischen Teile der Teilsignale destruktiv auslöschen, während sich die statischen Teile der Teilsignale konstruktiv aufaddieren. Durch eine derartige Verringerung des Rauschens auf dem Antwortsignal, kann eine höhere Messauflösung, insbesondere bei MEMS-Sensoren, erzielt werden.The response signal advantageously comprises information about a state present and to be measured at the first measuring capacitor and at the second measuring capacitor, for example a pressure prevailing there, which can be deduced by current capacitances (changes in the capacitance) of the measuring capacitors relative to the reference capacitors. The measurement is carried out by a control of the measuring capacitors with the excitation signal, wherein the first and the second measuring channel respectively generate a response signal as partial signals. By a time-variable excitation signal, a transient noise can be generated in each of the measurement channels. The entire transient noise of the whole Measuring circuit arrangement is advantageously reduced by a superimposition of the sub-signals, wherein the mechanical vibration-related dynamic parts of the sub-signals destructively cancel, while adding up the static parts of the sub-signals constructively. By such a reduction of the noise on the response signal, a higher measurement resolution, in particular with MEMS sensors, can be achieved.
Es ist hierbei vorteilhaft möglich, dass die Messkondensatoren und/oder die Referenzkondensatoren jeweils oder vereinzelt nur einen Kondensator oder eine Mehrzahl parallel geschalteter Kondensatoren oder Kapazitäten umfassen.In this case, it is advantageously possible that the measuring capacitors and / or the reference capacitors in each case or occasionally comprise only one capacitor or a plurality of capacitors or capacitors connected in parallel.
Die beiden oder mehrere Messkanäle können vorteilhaft gleich aufgebaut sein, oder verschiedene Bauelemente oder Verschaltungsarten aufweisen. Die Anregungseinrichtung sendet das in ihrer Form und Dauer sowie in charakteristischen Zeitskalen und im Oszillationsverhalten/frequenzen (Variationsverhalten, zeitliche Taktung) durch die Taktgebereinrichtung vorherbestimmte Anregungssignal an die Messkanäle. Hierbei können alle Messkanäle mit zeitlich zueinander versetzten, jedoch ansonsten gleichen Anregungssignalen oder mit verschiedenen Anregungssignalen angesteuert werden.The two or more measuring channels can be advantageously constructed the same, or have different components or Verschaltungsarten. The excitation device transmits the excitation signal predetermined in terms of shape and duration as well as in characteristic time scales and oscillation behavior / frequencies (variation behavior, temporal clocking) to the measurement channels by the clock generator device. In this case, all measuring channels can be controlled with excitation signals offset in time but otherwise identical or with different excitation signals.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfasst jede Kapazitätsbrücke einen ersten Brückenabschnitt, in welchem der erste Messkondensator und der erste Referenzkondensator angeordnet sind; und einen zweiten Brückenabschnitt, in welchem der zweite Messkondensator und der zweite Referenzkondensator angeordnet sind.According to a preferred embodiment of the measuring circuit arrangement, each capacitance bridge comprises a first bridge section, in which the first measuring capacitor and the first reference capacitor are arranged; and a second bridge portion in which the second measurement capacitor and the second reference capacitor are arranged.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfassen der erste Brückenabschnitt und der zweite Brückenabschnitt einen gemeinsamen ersten Eingangsknoten und einen gemeinsamen zweiten Eingangsknoten, in welchem diese verbunden sind.According to a preferred embodiment of the measuring circuit arrangement, the first bridge section and the second bridge section comprise a common first input node and a common second input node, in which these are connected.
Die Brückenabschnitte können innerhalb eines Messkanals oder einer Kapazitätsbrücke vom ersten gemeinsamen Eingangsknoten aus gesehen hin zum zweiten gemeinsamen Eingangsknoten, in welchen die beiden Brückenabschnitte miteinander verschaltet sind, die gleiche Reihenfolge der Anordnung von Messkondensator und Referenzkondensator oder eine unterschiedliche Reihenfolge umfassen. Die Anregungseinrichtung kann vorteilhaft sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten gemeinsamen Eingangsknoten verschaltet sein und die Kapazitätsbrücke über diese Eingangsknoten ansteuern. Innerhalb eines Brückenabschnitts kann zwischen dem Messkondensator und dem Referenzkondensator ein erstes oder zweites Teilsignal entnommen und zum Ausgang geführt werden und mit den Teilsignalen vom anderen Brückenabschnitt und vom weiteren Messkanal überlagert werden.The bridge sections can, within a measurement channel or a capacity bridge, seen from the first common input node toward the second common input node, in which the two bridge sections are interconnected, comprise the same order of the measurement capacitor and reference capacitor arrangement or a different order. The excitation device can advantageously be connected both to the first and to the second common input node and to drive the capacitance bridge via this input node. Within a bridge section, a first or second sub-signal can be taken between the measuring capacitor and the reference capacitor and fed to the output and superimposed with the sub-signals from the other bridge section and from the further measuring channel.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung sind der erste und der zweite Messkondensator druckempfindlich, wobei eine Kapazität des ersten und des zweiten Messkondensators auf eine Änderung eines äußeren Einflusses stärker variiert als eine Kapazität des ersten und des zweiten Referenzkondensators.According to a preferred embodiment of the measuring circuit arrangement, the first and the second measuring capacitor are pressure-sensitive, wherein a capacitance of the first and the second measuring capacitor varies more strongly to a change of an external influence than a capacitance of the first and the second reference capacitor.
Bei dem äußeren Einfluss kann es sich um eine Druckänderung handeln.The external influence can be a pressure change.
Durch die stärkere Variation kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass es sich bei den Messkondensatoren um jene Bauelemente handelt, mittels welcher der Druck gemessen wird.The greater variation can advantageously ensure that the measuring capacitors are those components by means of which the pressure is measured.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfasst die Kapazitätsbrücke eine Wheatstone-Brücke.According to a preferred embodiment of the measuring circuit arrangement, the capacitance bridge comprises a Wheatstone bridge.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfassen die Messkanäle alle eine gleiche Kapazität und die Messkondensatoren eine gleiche mechanische Eigenfrequenz.According to a preferred embodiment of the measuring circuit arrangement, the measuring channels all have an equal capacitance and the measuring capacitors have the same mechanical natural frequency.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfasst die Anregungsvorrichtung eine erste Anregungsvorrichtung und eine zweite Anregungsvorrichtung, wobei die erste Anregungsvorrichtung mit dem ersten elektronischen Messkanal und die zweite Anregungsvorrichtung mit dem zweiten elektronischen Messkanal verbunden sind und von diesen mit dem Anregungssignal und einem zeitlich verzögerten Anregungssignal ansteuerbar sind.According to a preferred embodiment of the measurement circuit arrangement, the excitation device comprises a first excitation device and a second excitation device, the first excitation device being connected to the first electronic measurement channel and the second excitation device being connected to the second electronic measurement channel and being drivable by the latter with the excitation signal and a time-delayed excitation signal ,
Die beiden Anregungseinrichtungen können vorteilhaft bereits von der Taktgebereinrichtung mit unterschiedlichen Taktsignalen angesteuert werden und auf dieser Basis zeitversetzte Anregungssignale erzeugen.The two excitation devices can be advantageously already controlled by the clock device with different clock signals and generate time-shifted excitation signals on this basis.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Messschaltungsanordnung umfasst diese eine zeitliche Verzögerungseinrichtung für das Anregungssignal, mittels welcher ein zeitlich verzögertes Anregungssignal erzeugbar ist, wobei der erste elektronische Messkanal oder der zweite elektronische Messkanal mit der Verzögerungseinrichtung verschaltet ist.According to a preferred embodiment of the measuring circuit arrangement, this comprises a time delay device for the excitation signal, by means of which a time-delayed excitation signal can be generated, wherein the first electronic measuring channel or the second electronic measuring channel is connected to the delay device.
Die Verzögerungseinrichtung kann innerhalb des Messkanals verschaltet sein oder diesem an einem Eingangsknoten vorgeschaltet sein, derart, dass vorteilhaft nur genau dieser eine Messkanal mit dem zeitlich verzögerten Anregungssignal angesteuert wird. Bei der Verzögerungseinrichtung kann es sich beispielsweise um ein RC-Glied handeln.The delay device may be interconnected within the measuring channel or be connected upstream of this at an input node, such that advantageously only this one measuring channel with the time-delayed excitation signal is activated. The delay device may be, for example, an RC element.
Erfindungsgemäß umfasst die elektronische Messvorrichtung zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals eine erfindungsgemäße elektronische Messschaltungsanordnung; eine Signalverstärkereinrichtung, welche mit dem Ausgang der Messschaltung verbunden ist, und welche dazu eingerichtet ist das Antwortsignal vom Ausgang zu empfangen; eine Analog-Digital-Wandlereinrichtung, welche der Signalverstärkereinrichtung nachgeschaltet ist; und eine Filtereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, ein Signal der Analog-Digital-Wandlereinrichtung zu empfangen, und welche dazu eingerichtet ist, ein digitales Ausgabesignal als kapazitives Messsignal zu erzeugen.According to the invention, the electronic measuring device for detecting a capacitive measuring signal comprises an electronic measuring circuit arrangement according to the invention; a signal amplifier means connected to the output of the measurement circuit and adapted to receive the response signal from the output; an analog-to-digital converter device, which is connected downstream of the signal amplifier device; and a filter device configured to receive a signal from the analog-to-digital converter device and configured to generate a digital output signal as a capacitive measurement signal.
Das kapazitive Messsignal kann vorteilhaft bereits in einer solchen Form ausgegeben werden, dass es von einer digitalen Einrichtung, beispielsweise einer Digitalschaltung, einem Steuergerät oder einem Computer, weiterverarbeitet oder zumindest ausgelesen werden kann.The capacitive measuring signal can advantageously already be output in such a form that it can be further processed or at least read out by a digital device, for example a digital circuit, a control device or a computer.
Die Signalverstärkereinrichtung kann vorteilhaft das Antwortsignal mit einer Abtastfrequenz abtasten und die Filtereinrichtung kann das Signal über mehrere Pulse hinweg mitteln.Advantageously, the signal amplifier means may sample the response signal at a sampling frequency, and the filtering means may average the signal over a plurality of pulses.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektronischen Messvorrichtung, ist diese als Drucksensor, Mikrophon, Beschleunigungssensor oder Drehratensensor ausgebildet.According to a preferred embodiment of the electronic measuring device, this is designed as a pressure sensor, microphone, acceleration sensor or yaw rate sensor.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messvorrichtung in einem Verfahrensschritt
Das Verfahren zeichnet sich vorteilhaft durch die in Verbindung mit der Messschaltungsanordnung und der Messvorrichtung beschriebenen Merkmale und Vorteile aus und umgekehrt.The method is advantageously characterized by the features and advantages described in connection with the measuring circuit arrangement and the measuring device, and vice versa.
Das Anregungssignal wird nach einer Zeitversetzung, vorteilhaft mehrmals versetzt bezüglich mehreren Messkanälen, an mehrere Messkanäle angelegt und deren Antworten als Teilsignale dann zu einem gemeinsamen Antwortsignal überlagert. Mit anderen Worten kann ein erster Messkanal mit einem unverzögerten Anregungssignal angesteuert werden, und ein zweiter Messkanal mit einem um eine konstante Zeitperiode verschobenen jedoch ansonsten identischen Anregungssignal, oder unterschiedlichen Anregungssignal, angesteuert werden. Ein dritter Messkanal kann um wiederum die gleiche konstante Zeitperiode verschobenen jedoch ansonsten identischen Anregungssignal, oder unterschiedlichen Anregungssignal, angesteuert werden und ebenso können weitere Messkanäle um ganzzahlige Vielfache der konstanten Zeitperiode verschoben sein.The excitation signal is applied after a time offset, advantageously several times offset with respect to a plurality of measurement channels, to a plurality of measurement channels and then superimposed their answers as partial signals to a common response signal. In other words, a first measurement channel can be driven with an undelayed excitation signal, and a second measurement channel can be driven with an excitation signal, which is shifted by a constant time period but otherwise identical, or different excitation signal. A third measuring channel can in turn be driven by the same constant time period but otherwise identical excitation signal, or different excitation signal, and also other measuring channels can be shifted by integral multiples of the constant time period.
Des Weiteren kann betreffend die Messkondensatoren und Referenzkondensatoren sowie weiterer Bauteile im zweiten Messkanal, sowie in weiteren später angesteuerten Messkanälen, vorteilhaft die Größe der Messkondensatoren und/oder Referenzkondensatoren und/oder weiterer Bauteile derart angepasst werden, vorteilhaft von vornherein, dass eine Dämpfung der jeweils früher angesteuerten Messkanals/Messkanäle, oder nur des unmittelbar vorher angesteuerten Messkanals bei dem oder den später angesteuerte(n) Messkanal/Messkanäle, ausgeglichen wird. Alternativ dazu kann auch die Amplitude des zeitversetzten zweiten Anregungssignals gegenüber dem ersten Anregungssignal angepasst werden, um eine Dämpfung der vom ersten Anregungssignal ausgelösten Schwingung zu kompensieren.Furthermore, with regard to the measuring capacitors and reference capacitors as well as further components in the second measuring channel, as well as in other subsequently controlled measuring channels, advantageously the size of the measuring capacitors and / or reference capacitors and / or further components can be adjusted in such a way, advantageously from the outset, that attenuation of each earlier controlled measuring channels / measuring channels, or only the immediately previously controlled measuring channel at the or the later controlled (n) measuring channel / measuring channels, is compensated. Alternatively, the amplitude of the time-shifted second excitation signal relative to the first excitation signal can also be adapted in order to compensate for an attenuation of the oscillation triggered by the first excitation signal.
Betreffend die Messkondensatoren ist die Eigenschaft und Größe deren schwingfähiger Membran (Elektrode) vorteilhaft bekannt, woher das Resonanzschwingverhalten vorteilhaft herleitbar ist und die restlichen Bauelemente zum Erzielen einer destruktiven Überlagerung für das Eigenschwingungsrauschen vorteilhaft bestimmt und ausgeführt oder bereitgestellt werden können. Durch die vorteilhaft bekannten Größen und Parameter der Messkondensatoren kann folglich einfach, etwa nach Abgleich mit Referenzkondensatoren, auf den Druck am Messkondensator rückgeschlossen werden.Concerning the measuring capacitors, the property and size of their vibrating membrane (electrode) is advantageously known, from where the resonance vibration behavior can be derived advantageously and the remaining components for achieving a destructive superposition for the natural vibration noise can advantageously be determined and carried out or provided. Due to the advantageously known sizes and parameters of the measuring capacitors can therefore be easily deduced, for example after comparison with reference capacitors, on the pressure at the measuring capacitor.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erzeugt im Verfahrensschritt
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens werden die erste zeitliche Taktung und die zweite zeitliche Taktung um einen konstanten Zeitunterschied zeitverschoben.According to a preferred embodiment of the method, the first time clock and the second time clock are time-shifted by a constant time difference.
Der Zeitunterschied, um welchen die Taktungen, vorteilhaft kann dies auch entsprechend für mehr als zwei Taktungen erfolgen, zeitversetzt werden, erfolgt vorteilhaft äquidistant pro Messkanal. Hierbei bedeutet äquidistant vorteilhaft um konstante Zeitabschnitte innerhalb mindestens einer Periodendauer tres einer Eigenschwingung. Hierbei gilt vorteilhaft für den möglichen äquidistanten Zeitversatz annähernd ein quantitativer Wert dt(quant) etwa gleich dt(quant)~m*tres+tres/n ist, wobei tres der Zeitdauer entspricht, welche die Messschaltungsanordnung (alle n Messkanäle) zum Erzeugen aller Anregungssignale oder des Antwortsignals benötigt. Somit ergibt sich eine Menge von Möglichen Werten für den Zeitversatz dt als
dt={dtmin; dtmin+1×dt(quant); ...; dtmax= dtmin+(n-1)×dt(quant)} mit ganzen Zahlen m und n, wobei m so gewählt werden muss, dass
dtmax<< t(Pulslänge). Beispielsweise nimmt für m=0 und n=5 dt(quant)~tres/5 an; für dtmin=0 ergeben sich dt={0; 1×tres/5; 2×tres/5; 3×tres/5; 4×tres/5}. Das Verfahren ist robust, solange für eine Abweichung δ von dt(quant) gilt:
dt = {dtmin; dtmin + 1 * dt (quant); ...; dtmax = dtmin + (n-1) × dt (quant)} with integers m and n, where m must be chosen such that
dtmax << t (pulse length). For example, for m = 0 and n = 5, dt (quant) ~ tres / 5 increases; for dtmin = 0, dt = {0; 1 × tres / 5; 2 × tres / 5; 3 × tres / 5; 4 × tres / 5}. The method is robust as long as for a deviation δ of dt (quant):
Das Auslesesignal wird nach dem Anregen aller Messkanäle erfasst, also nach dtmax.The read-out signal is detected after the excitation of all measuring channels, ie after dtmax.
Eine derartige Gleichverteilung von Anregungssignalen, vorteilhaft von Pulsen des Anregungssignals, über einen Phasenraum bewirkt vorteilhaft, dass eine destruktive Überlagerung der Eigenschwingungen der Messkanäle im Antwortsignal erfolgt, wodurch sich ein wesentlich glatteres Antwortsignal mit reduziertem Eigenschwingungsrauschen ergibt.Such an equal distribution of excitation signals, advantageously of pulses of the excitation signal, over a phase space advantageously causes a destructive superposition of the natural oscillations of the measurement channels in the response signal, resulting in a much smoother response signal with reduced intrinsic vibration noise.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt das zeitliche Verzögern im Verfahrensschritt
Durch ein gepulstes Signal (Ausleseverfahren) kann eine Sensorvorrichtung, insbesondere eine kapazitive Sensorvorrichtung, in deren Energiesparsamkeit verbessert werden. Durch ein rechteckförmig gepulstes Anregungssignal können die Messschaltung und deren Bauelemente (ungezielt) zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Bei einem Kondensator, etwa bei dem Messkondensator, entstehen durch die gepulste Spannung elektrische Potentialdifferenzen zwischen dessen beiden Elektroden, was zu einer relativen Anziehungskraft führt, wodurch mechanische Eigenschwingungsmoden angeregt werden. Auf diese Weise überlagert sich dem eigentlichen statischen Messsignal ein kleiner dynamischer Rauschanteil. Dieser Effekt kann allerdings auch bei anderen zeitlich variablen Anregungssignalmustern auftreten. Beispielsweise kann eine Grundmode der mechanischen Eigenschwingungen zu einem elektrisch messbaren Schwingverhalten der Messkapazitäten, insbesondere der Messkondensatoren, führen, was in einem Schwingverhalten (Rauschen) eines Antwortsignals am Ausgang führt. Eine Abklingzeit der Messschaltungsanordnung, vorteilhaft der Kapazitätsbrücke als mechanisch schwingendem System, wird durch dessen Dämpfungsverhalten bzw. durch dessen Güte bestimmt. Bei kapazitiven Sensorvorrichtungen umfassen solche mechanischen Schwingkomponenten vorteilhaft eine niedrige mechanische Schwinggüte bezüglich des Anregungssignals auf. Drucksensoren sind allerdings meist Hochgütesysteme.By means of a pulsed signal (readout method), a sensor device, in particular a capacitive sensor device, can be improved in its energy-saving efficiency. By a rectangular pulsed excitation signal, the measuring circuit and its components (untargeted) can be excited to mechanical vibrations. In a capacitor, such as the measuring capacitor, caused by the pulsed voltage electrical potential differences between the two electrodes, resulting in a relative attractive force, whereby natural mechanical vibration modes are excited. In this way, a small dynamic noise component is superimposed on the actual static measurement signal. However, this effect can also occur with other time-variable excitation signal patterns. For example, a fundamental mode of the mechanical natural oscillations can lead to an electrically measurable oscillation behavior of the measuring capacitors, in particular of the measuring capacitors, resulting in a vibration behavior (noise) of a response signal at the output. A decay time of the measuring circuit arrangement, advantageously the capacitance bridge as a mechanically oscillating system, is determined by its damping behavior or by its quality. In the case of capacitive sensor devices, such mechanical oscillating components advantageously comprise a low mechanical vibration quality with respect to the excitation signal. However, pressure sensors are usually high-quality systems.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.
Figurenlistelist of figures
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.The present invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures of the drawing.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer elektronischen Messvorrichtung mit einer elektronischen Messschaltungsanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; -
2 eine schematische Darstellung einer elektronischen Messvorrichtung mit einer elektronischen Messschaltungsanordnung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und -
3 eine schematische Darstellung einer Abfolge von Verfahrensschritten gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
-
1 a schematic representation of an electronic measuring device with an electronic measuring circuit arrangement according to an embodiment of the present invention; -
2 a schematic representation of an electronic measuring device with an electronic measuring circuit arrangement according to another embodiment of the present invention; and -
3 a schematic representation of a sequence of method steps according to an embodiment of the present invention.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements.
Die elektronische Messvorrichtung
Die beiden Teilsignale
Das verzögerte Anregungssignal
Die Anordnung der
Beim Verfahren zum Erfassen eines kapazitiven Messsignals an einer elektronischen Messvorrichtung, erfolgen die Verfahrensschritte vorteilhaft in der angegebenen Reihenfolge
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Although the present invention has been fully described above with reference to the preferred embodiment, it is not limited thereto but may be modified in a variety of manners.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102016107299 A1 [0003]DE 102016107299 A1 [0003]
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018207546.8A DE102018207546A1 (en) | 2018-05-16 | 2018-05-16 | Electronic measuring circuit arrangement for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit arrangement, electronic measuring device for detecting a capacitive measuring signal and method for detecting a capacitive measuring signal to an electronic measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018207546.8A DE102018207546A1 (en) | 2018-05-16 | 2018-05-16 | Electronic measuring circuit arrangement for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit arrangement, electronic measuring device for detecting a capacitive measuring signal and method for detecting a capacitive measuring signal to an electronic measuring device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102018207546A1 true DE102018207546A1 (en) | 2019-11-21 |
Family
ID=68419671
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102018207546.8A Pending DE102018207546A1 (en) | 2018-05-16 | 2018-05-16 | Electronic measuring circuit arrangement for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit arrangement, electronic measuring device for detecting a capacitive measuring signal and method for detecting a capacitive measuring signal to an electronic measuring device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102018207546A1 (en) |
-
2018
- 2018-05-16 DE DE102018207546.8A patent/DE102018207546A1/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE10230910B4 (en) | Capacitive sensor arrangement | |
DE10059775C2 (en) | Method and device for processing analog output signals from capacitive sensors | |
EP2087315B1 (en) | Arrangement for measuring a rate of rotation using a vibration sensor | |
DE10247467B4 (en) | A capacitive sensor for detecting a physical quantity which detects a physical quantity along a plurality of axes | |
DE102008023535B4 (en) | Electronic device and method for evaluating a variable capacity | |
DE102006051365B4 (en) | Measuring amplification device and method | |
DE19739532A1 (en) | Interface circuit for capacitance sensor e.g. pressure or acceleration sensor | |
EP0503272B1 (en) | Circuit arrangement for measuring the capacitance ratio of two capacitors | |
DE3642771C2 (en) | ||
DE102004012862A1 (en) | Device for detecting a physical quantity | |
DE2629403A1 (en) | DEVICE FOR TIME DELAYING ANALOGUE INFORMATION INPUT SIGNAL | |
EP1233249B1 (en) | Method and device for synchronous demodulation of multiple modulated signals | |
DE102007041646B4 (en) | Method for operating an active sensor and active sensor | |
EP0753756A2 (en) | Circuit and process for measuring the difference between the capacity of two capacitors | |
EP2423654B1 (en) | Micromechanical sensor with bandpass characteristics | |
DE102018207546A1 (en) | Electronic measuring circuit arrangement for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit arrangement, electronic measuring device for detecting a capacitive measuring signal and method for detecting a capacitive measuring signal to an electronic measuring device | |
DE102009048175A1 (en) | Device for detecting a physical quantity | |
DE10135924B4 (en) | Amplitude detection method and circuit | |
DE102005042085A1 (en) | Vibration Measurement System | |
DE10223364A1 (en) | Control device in a vehicle and sensor | |
DE102018207544A1 (en) | Electronic measuring circuit arrangement for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit arrangement, electronic measuring device for detecting a capacitive measuring signal and method for detecting a capacitive measuring signal to an electronic measuring device | |
DE2811668C2 (en) | Adaptation circuit for high-resistance voltage sources | |
EP3268695B1 (en) | Device and method for processing residual values when controlling a sensor | |
WO1989010802A1 (en) | Circuitry for self-excitation of self-resonant vibrations in a mechanical vibrating system | |
DE102018220231A1 (en) | Electronic measuring circuit for capacitive sensors for generating a response signal to an excitation signal at an output of the electronic measuring circuit and method for detecting a capacitive measuring signal to an electronic measuring circuit for capacitive sensors |