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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung eines kapazitiven Sensors. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung eines kapazitiven Sensors.
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Bei berührungsempfindlichen Bedienelementen mit Einzelfunktionstasten und Schiebeelementen beziehungsweise bei berührungsempfindlichen Bildschirmen (Touchscreens) und berührungsempfindlichen Flächenelementen (Touchpads) tritt bei Berührung der Bedienelemente, insbesondere mit einem Finger, eine kapazitive Änderung auf. Um zu ermitteln, ob ein berührungsempfindliches Bedienelement beziehungsweise ein berührungsempfindlicher Sensor tatsächlich berührt worden ist, wird die kapazitive Änderung, die bei der Berührung des Sensorelements/Bedienelements mit dem Finger auftritt, festgestellt beziehungsweise gemessen.
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Zur Realisierung eines solchen Verfahrens zum Feststellen beziehungsweise Messen der kapazitiven Änderung eines Sensorkondensators eines Sensors können beispielsweise diskrete Schaltungen eingesetzt werden, die zum Beispiel als Transistor- oder Operationsverstärkerschaltung aufgebaut sind. Mit Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie können kapazitive Messverfahren zum Feststellen einer kapazitiven Änderung eines Sensorelements mit integrierten Chiplösungen realisiert werden.
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Die angegebenen Realisierungsmöglichkeiten für ein Verfahren zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung eines Sensorkondensators weisen jedoch etliche Nachteile auf. Die oben angegebene diskrete Lösung für die Umsetzung einer kapazitiven Messung bedarf einer Vielzahl an einzelnen Bauelementen, die abhängig von den Anforderungen bezüglich Kosten, Platzbedarf und Qualität des Systems variieren. Daher sind Lösungen mit diskreten Bauelementen nicht immer oder nur bedingt umsetzbar. Die integrierten Chip- beziehungsweise Mikrocontroller-Lösungen sind sehr kostenintensiv. Es besteht die Abhängigkeit vom speziellen Lieferanten des kapazitiven Systems. Des Weiteren sind die Einstellmöglichkeiten des Systems nicht beliebig wählbar und nicht für alle Applikationsanwendungen verwendbar. Entsprechend werden spezielle Module, wie zum Beispiel ein Analog-Digital-Wandler (A/D) mit Multiplexer (MUX) benötigt. Die entsprechende Anzahl der benötigten Messanschlüsse und die daraus folgende Einschränkung der Auswertezeiten sind von der gewählten System-Architektur des Bausteins abhängig.
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Es ist wünschenswert, eine elektrische Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung eines kapazitiven Sensors anzugeben, die eine flexible Anpassung an die jeweilige Anforderung und Applikationsanwendung ermöglicht. Ein weiteres Anliegen ist es, ein Verfahren zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung eines kapazitiven Sensors anzugeben, das eine flexible Anpassung an die jeweilige Anforderung und Applikationsanwendung ermöglicht.
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Eine Ausführungsform einer elektrischen Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung eines kapazitiven Sensors ist im Patentanspruch 1 angegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die elektrische Schaltungsanordnung einen Mikrocontroller mit einem ersten Ein- und Ausgangsanschluss und mit einem zweiten Ein- und Ausgangsanschluss sowie einen Referenzkondensator, der zwischen dem ersten und dem zweiten Ein- und Ausgangsanschluss an den Mikrocontroller angeschlossen ist. Der kapazitive Sensor weist einen Sensorkondensator auf, der an den ersten Ein- und Ausgangsanschluss des Mikrocontrollers angeschlossen ist.
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Der Mikrocontroller ist dazu ausgebildet, einen Verfahrenszyklus aus den folgenden Verfahrensschritten a) bis c) auszuführen:
- a) Ansteuern des ersten und zweiten Ein- und Ausgangsanschlusses derart, dass der Referenzkondensator und der Sensorkondensator entladen werden,
- b) Ansteuern des ersten und zweiten Ein- und Ausgangsanschlusses derart, dass der Sensorkondensator mit einer Ladung geladen wird,
- c) Ansteuern des ersten und zweiten Ein- und Ausgangsanschlusses derart, dass ein Ladungstransfer von dem Sensorkondensator zu dem Referenzkondensator erfolgt,
- d) Prüfen, ob die Ladung auf dem Referenzkondensator einen Schwellwert der Ladung überschritten hat.
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Der Mikrocontroller ist derart ausgebildet, dass der Mikrocontroller den Verfahrenszyklus so oft wiederholt, bis der Mikrocontroller feststellt, dass der Schwellwert der Ladung überschritten ist. Der Mikrocontroller ist dazu ausgebildet, die kapazitive Änderung des Sensorkondensators in Abhängigkeit davon, wie oft der Verfahrenszyklus wiederholt worden ist, zu ermitteln.
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Der erste Ein- und Ausgangsanschluss und auch der zweite Ein- und Ausgangsanschluss des Mikrocontrollers können beispielsweise als ein Allzweckeingabe- und Allzweckausgabeanschluss (Standard GPIO-PIN) ausgebildet sein. Für die Messung einer kapazitiven Änderung des Sensorelements, die beispielsweise durch eine Berührung auf dem Sensorelement stattfindet, wird das kapazitive Sensorelement an den als Allzweckeingabe- und Allzweckausgabeanschluss (Standard GPIO-PIN) ausgebildeten ersten Ein- und Ausgangsanschluss des Mikrocontrollers angeschlossen.
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Der Referenzkondensator ist als ein externer Kondensator ausgebildet, der um ein Vielfaches größer ist als die Kapazität des Sensorkondensators. Der Referenzkondensator ist an einer Seite mit dem Sensorkondensator und dem ersten Ein- und Ausgangsanschluss verbunden. Die zweite Seite des Referenzkondensators ist an den zweiten Ein- und Ausgangsanschluss des Mikrocontrollers angeschlossen. Der zweite Ein- und Ausgangsanschluss kann dabei ebenfalls als ein Allzweckeingabe- und Allzweckausgabeanschluss (Standard GPIO-PIN2) ausgebildet sein. Der Sensorkondensator und der Referenzkondensator sind somit derart an den Mikrocontroller angeschlossen, dass eine Parallelschaltung zwischen den beiden Kondensatoren gebildet wird.
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Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung eines Sensorelements ist im Patentanspruch 9 angegeben.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen eines kapazitiven Sensorelements mit einem Sensorkondensator und Bereitstellen eines Referenzkondensators,
- - Ausführen eines Verfahrenszyklus aus den folgenden Verfahrensschritten a) bis d) :
- a) Entladen des Referenzkondensators und des Sensorkondensators,
- b) Laden des Sensorkondensators mit einer Ladung,
- c) Transferieren der Ladung des Sensorkondensators von dem Sensorkondensator zu dem Referenzkondensator,
- d) Prüfen, ob die Ladung auf dem Referenzkondensator einen Schwellwert der Ladung überschritten hat,
- - Wiederholen des Verfahrenszyklus, bis die Ladung auf dem Referenzkondensator den Schwellwert der Ladung überschritten hat,
- - Ermitteln der kapazitiven Änderung des Sensorkondensators in Abhängigkeit davon, wie oft der Verfahrenszyklus wiederholt worden ist.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsform einer elektrischen Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung eines kapazitiven Sensorelements sowie eines Verfahrens zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung eines Sensorelements anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform einer elektrischen Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung eines kapazitiven Sensorelements; und
- 2 eine zweite Ausführungsform einer elektrischen Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung eines kapazitiven Sensorelements.
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Die in 1 gezeigte elektrische Schaltungsanordnung 1 zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung des kapazitiven Sensorelements 300 umfasst einen Mikrocontroller 100 mit einem ersten Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 und mit einem zweiten Ein- und Ausgangsanschluss PIN2. Des Weiteren umfasst die elektrische Schaltungsanordnung 1 einen Referenzkondensator 200, der zwischen dem ersten Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 und dem zweiten Ein- und Ausgangsanschluss PIN2 an den Mikrocontroller 100 angeschlossen ist. Das kapazitive Sensorelement 300 umfasst einen Sensorkondensator 310 mit einer Sensorfläche. Die Sensorfläche ist als kapazitätsbildende Fläche ausgebildet, die eine Platte des Sensorkondensators 310 darstellt. Das Sensorelement 300 ist mit dem Sensorkondensator 310 an den ersten Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 des Mikrocontrollers 100 angeschlossen.
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Der Mikrocontroller 100 ist dazu ausgebildet, einen Verfahrenszyklus aus den folgenden vier Verfahrensschritten auszuführen. In einem ersten Verfahrensschritt steuert der Mikrocontroller 100 den ersten und den zweiten Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 und PIN2 derart an, dass der Referenzkondensator 200 und der Sensorkondensator 310 entladen werden. In einem zweiten Verfahrensschritt steuert der Mikrocontroller 100 den ersten und den zweiten Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 und PIN2 derart an, dass der Sensorkondensator 310 mit einer Ladung geladen wird. In einem dritten Verfahrensschritt des Verfahrenszyklus wird der erste und der zweite Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 und PIN2 von dem Mikrocontroller 100 derart angesteuert, dass ein Ladungstransfer von dem Sensorkondensator 310 zu dem Referenzkondensator 200 erfolgt. In einem vierten Verfahrensschritt prüft der Mikrocontroller 100, ob die Ladung auf dem Referenzkondensator 200 einen Schwellwert der Ladung überschritten hat. Dazu wird beispielweise von dem Mikrocontroller der Spannungszustand an dem Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 geprüft.
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Der Mikrocontroller 100 ist derart ausgebildet, dass er den Verfahrenszyklus aus dem ersten, zweiten, dritten und vierten Verfahrensschritt so oft wiederholt, bis der Mikrocontroller 100 feststellt, dass der Schwellwert der Ladung überschritten ist. Des Weiteren ist der Mikrocontroller 100 dazu ausgebildet, die kapazitive Änderung des Sensorkondensators 310 in Abhängigkeit davon, wie oft der Verfahrenszyklus aus den vier Verfahrensschritten wiederholt worden ist, zu ermitteln.
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Der erste und der zweite Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 und PIN2 des Mikrocontrollers 100 können als ein Allzweckeingabe- und Allzweckausgabeanschluss (Standard GPIO-PIN1 beziehungsweise Standard GPIO-PIN2) ausgebildet sein.
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Um den ersten Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 entsprechend anzusteuern, kann der Mikrocontroller 100 den ersten Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 als einen Eingang oder einen Ausgang definieren. Wenn der erste Ein- und Ausgangsanschluss als Eingang definiert ist, ist der erste Ein- und Ausgangsanschluss hochohmig. Wenn der erste Ein- und Ausgangsanschluss von dem Mikrocontroller 100 als Ausgang definiert wird, kann an dem ersten Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 beispielsweise ein niedriger Pegel (active low) ausgegeben werden. Dazu wird der erste Ein- und Ausgangsanschluss über einen steuerbaren Schalter 130 mit einem Massepotential verbunden. Des Weiteren kann der erste Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 als Ausgang mit einem hohen Pegel (active high) betrieben werden. Dazu kann der erste Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 über einen steuerbaren Schalter 150 mit einem Versorgungspotential VDD verbunden werden.
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Der zweite Ein- und Ausgangsanschluss PIN2 kann als Eingang oder Ausgang betrieben werden. Wenn der zweite Ein- und Ausgangsanschluss als Eingang des Mikrocontrollers 100 betrieben wird, ist der zweite Ein- und Ausgangsanschluss hochohmig. Wenn der zweite Ein- und Ausgangsanschluss von dem Mikrocontroller 100 als Ausgang betrieben wird, liegt an dem zweiten Ein- und Ausgangsanschluss ein niedriges Potential (active low) an. Dazu wird der zweite Ein- und Ausgangsanschluss PIN2 über einen steuerbaren Schalter 140 mit einem Massepotential verbunden.
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Zum Entladen des Referenzkondensators 200 und des Sensorkondensators 310 werden der erste und der zweite Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 und PIN2 von dem Mikrocontroller 100 als Ausgang betrieben und die Pegel werden an dem ersten Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 und PIN2 als niedrige Pegel (active low) konfiguriert.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform umfasst die elektrische Schaltungsanordnung eine Zählerschaltung 110, die beispielsweise ein Teil des Mikrocontrollers 100 sein kann. Die Zählerschaltung 110 ist zum Zählen der Wiederholungen des Verfahrenszyklus ausgebildet. Insbesondere ist die Zählerschaltung 110 dazu ausgebildet, bei jeder Wiederholung des Verfahrenszyklus einen Zählerstand zu inkrementieren.
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Der Sensorkondensator 310 ist derart ausgebildet, dass eine Kapazität des Sensorkondensators 310 davon abhängig ist, ob eine Berührung der Sensorfläche des Sensors 300 erfolgt ist. Insbesondere weist der Sensorkondensator 310 einen ersten Kapazitätswert auf, wenn keine Berührung der Sensorfläche erfolgt ist. Der Sensorkondensator 310 weist einen zweiten von dem ersten Kapazitätswert verschiedenen Kapazitätswert auf, wenn eine Berührung der Sensorfläche erfolgt ist. Aufgrund der Berührung der Sensorfläche steigt der Kapazitätswert des Sensorkondensators an. Der zweite Kapazitätswert ist daher in der Regel höher als der erste Kapazitätswert.
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Die elektrische Schaltungsanordnung umfasst eine Speicherschaltung 120, die Bestandteil des Mikrocontrollers 100 sein kann. Die Speicherschaltung 120 ist zum Speichern eines Zählerwertes ausgebildet, der angibt, wie oft der Verfahrenszyklus bis zum Erreichen des Schwellwertes der Ladung zu wiederholen ist, wenn der Sensorkondensator 310 den ersten Kapazitätswert aufweist. Der in der Speicherschaltung 120 gespeicherte Zählerwert gibt somit an, wie oft der Verfahrenszyklus aus den vier oben genannten Verfahrensschritten auszuführen ist, bis der Schwellwert der Ladung auf dem Referenzkondensator gespeichert ist, wenn der Sensorkondensator 310 nicht berührt wird.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist der Mikrocontroller 100 dazu ausgebildet, eine Differenz zwischen dem in der Speicherschaltung 120 gespeicherten Zählerwert und dem Zählerstand der Zählerschaltung 110 zu bilden. Der Mikrocontroller ermittelt die kapazitive Änderung des Sensorkondensators 310 in Abhängigkeit von der gebildeten Differenz zwischen dem gespeicherten Zählerwert und dem Zählerstand der Zählerschaltung.
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Im Folgenden wird ein Verfahren zum Ermitteln der kapazitiven Änderung des Sensorkondensators 310 des Sensorelements 300 angegeben. Dazu wird ein Verfahrenszyklus aus den nachfolgend beschriebenen vier Verfahrensschritten ausgeführt.
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In einem ersten Verfahrensschritt wird der Referenzkondensator 200 und der Sensorkondensator 310 entladen. Dazu kann der erste Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 und der zweite Ein- und Ausgangsanschluss PIN2 des Mikrocontrollers 100 von dem Mikrocontroller 100 als Ausgang betrieben werden und auf einen niedrigen Signalpegel (active low) gelegt werden. Dazu werden die beiden Ein- und Ausgangsanschlüsse PIN1 und PIN2 über die steuerbaren Schalter 130 und 140 beispielsweise mit dem Massepotential verbunden. In diesem Zustand kann der Referenzkondensator 200 und der Sensorkondensator 310 entladen werden.
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In einem zweiten Verfahrensschritt wird der Sensorkondensator 310 mit einer Ladung geladen. Dazu kann der erste Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 von dem Mikrocontroller 100 als Ausgang mit einem hohen Potential (active high) betrieben werden. Der erste Ein- und Ausgangsanschluss wird dazu über den steuerbaren Schalter 150 beispielsweise mit dem Versorgungspotential VDD verbunden. Der zweite Ein- und Ausgangsanschluss PIN2 wird von dem Mikrocontroller 100 als (hochohmiger) Eingang definiert. In diesem Zustand erfolgt das Laden des Sensorkondensators 310.
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In einem dritten nachfolgenden Verfahrensschritt des Verfahrenszyklus wird die Ladung des Sensorkondensators von dem Sensorkondensator 310 zu dem Referenzkondensator 200 transferiert. Dazu wird der erste Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 von dem Mikrocontroller 100 als (hochohmiger) Eingang konfiguriert. Der zweite Ein- und Ausgangsanschluss PIN2 wird als Ausgang mit einem niedrigen Pegel (active low) betrieben. Dazu wird der steuerbare Schalter 140 leitend gesteuert, um den zweiten Ein- und Ausgangsanschluss PIN2 mit dem Massepotential zu verbinden. In diesem Zustand erfolgt der Ladungstransfer von dem Speicherkondensator 310 zu dem Referenzkondensator 200. Anschließend kann der Zählerstand der Zählerschaltung 110, beispielsweise mittels eines Softwarecodes, inkrementiert werden.
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In einem anschließenden vierten Verfahrensschritt des Verfahrenszyklus wird von dem Mikrocontroller geprüft, ob die Ladung auf dem Referenzkondensator 200 einen Schwellwert der Ladung überschritten hat. Dazu wird der erste Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 beispielsweise auf den Zustand „hoher Pegel (High-Pegel)“ abgefragt. Wenn an dem ersten Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 kein hoher Signalpegel festgestellt wird, wird der Verfahrenszyklus aus dem ersten bis zum vierten Verfahrensschritt von dem Mikrocontroller 100 wiederholt, bis die Ladung auf dem Referenzkondensator 200 den Schwellwert der Ladung überschritten hat und somit an dem ersten Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 ein hoher Signalpegel anliegt. Die kapazitive Änderung des Sensorkondensators 310 kann dann in Abhängigkeit davon, wie oft der Verfahrenszyklus wiederholt worden ist, ermittelt werden. Somit dient der ermittelte Zählerstand zur Referenzierung einer kapazitiven Änderung des Sensorkondensators 310.
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Für die gewählte Applikation muss vor Durchführung des Verfahrens zuvor eine Kalibrierung des Speicherkondensators 310 erfolgen. Dazu wird von dem Mikrocontroller 100 ein Zählerwert ermittelt, der angibt, wie oft der Verfahrenszyklus aus dem ersten bis vierten Verfahrensschritt zu wiederholen ist, bis der Schwellwert der Ladung überschritten ist, wenn keine Berührung der Sensorfläche des Sensorkondensators 310 stattgefunden hat. Dieser ermittelte Zählerwert wird als Basiswert hinterlegt. Durch die Änderung des aktuellen Zählerstandes der Zählerschaltung verglichen mit dem Basiswert kann die Differenz als kapazitive Änderung des Sensorkondensators 310 erkannt werden.
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Die in 1 gezeigte elektrische Schaltungsanordnung 1 kann beispielsweise angewendet werden, wenn das Sensorelement 300 als ein berührungsempfindlicher Bildschirm (Touchdisplay) mit aktiver Haptik ausgelegt ist. Mittels der angegebenen Schaltung lässt sich eine Kraftschwelle des Fingerdrucks in einem Federsystem, der die kapazitive Änderung hervorruft, erkennen.
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2 zeigt eine elektrische Schaltungsanordnung 2 zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung eines kapazitiven Sensorelements 300, das insbesondere Anwendung auf einer berührungsempfindlichen Bedienleiste finden kann. Die angegebene elektrische Schaltungsanordnung 2 ermöglicht die Erkennung der berührten Fingerposition auf der Bedienfläche.
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Im Unterschied zu der elektrischen Schaltungsanordnung 1 der 1 ist hier zusätzlich an den ersten Ein- und Ausgangsanschluss PIN1 ein (Filter-)Kondensator 400 angeschlossen, der als Filterelement wirkt. Das Verfahren zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung des Sensorelements 300 der 2 entspricht dem anhand von 1 beschriebenen Verfahren.
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Das angegebene Verfahren zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung eines Sensorelements kann mit nahezu jedem beliebigen Mikrocontroller und für nahezu jede Applikation, die eine kapazitive Änderung an einem Sensorkondensator voraussetzt, ausgeführt werden. Zur Ausführung des Verfahrens werden insbesondere nur Ein- und Ausgangsanschlüsse eines Mikrocontrollers verwendet, die als Allzweckeingabe- und Allzweckausgabeanschlüsse (GPIO-PINs) ausgebildet sind.
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Insbesondere bedarf es keiner speziellen Mikrocontroller-Peripherie, wie zum Beispiel Multiplexer (MUX), Analog-Digital-Wandler (A/D), Hardwarezähler etc.. Das Verfahren kann annähernd gleichzeitig mehrere unabhängige Sensorelemente auswerten, indem die entsprechenden Ein- und Ausgangsanschlüsse des Mikrocontrollers bezüglich der notwendigen Zustände geschaltet werden. Dies wäre beispielsweise bei einer Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers (A/D) mit einem Multiplexer (MUX) nicht möglich, da nur sequentiell gemessen werden kann.
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Das Verfahren beziehungsweise die angegebene elektrische Schaltungsanordnung kann für jede Art von Geräten mit kapazitiven Systemen für berührungsempfindliche Oberflächen oder Objekterkennung oder Änderung von Abständen (Druckerkennung) eingesetzt werden. Dazu gehört insbesondere eine Krafterkennung mit haptischer Rückmeldung oder Annäherungserkennung einer Hand vor einem berührungsempfindlichen Bildschirm.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2
- elektrische Schaltungsanordnung
- 100
- Mikrocontroller
- 110
- Zählerschaltung
- 120
- Speicherschaltung
- 200
- Referenzkondensator
- 300
- kapazitives Sensorelement
- 310
- Sensorkondensator
- 320
- Sensorfläche
- 400
- Filterkondensator
