DE10307007B3

DE10307007B3 - Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren

Info

Publication number: DE10307007B3
Application number: DE10307007A
Authority: DE
Inventors: Mark Elliott
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2023-02-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Auswerteverfahren für einen Ist-Wert eines kapazitiven Sensors sowie eine Schaltung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, bei dem der Ist-Wert mit einem Wert einer Vergleichskapazität verglichen wird, wobei die Vergleichskapazität sich aus mehreren unterschiedlichen, einzeln mittels Schalter (S0 bis S9) zuschaltbaren Einzelkapazitäten (C0 bis C9) 2·0·*C bis 2·n·*C zusammensetzt, so dass nach abgeschlossenem Vergleich die Schalterstellung (p1, p2) als digitale Information (0, I) einen direkt proportionalen Wert für den Ist-Wert des kapazitiven Sensors (C¶Sensor¶) darstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Auswerteverfahren für einen Ist-Wert eines kapazitiven Sensors sowie eine Schaltung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Derartige Verfahren finden beispielsweise in der Fahrzeugtechnik zur Überwachung des Reifendrucks Anwendung.

Hierbei ist üblicherweise jedem Rad eines Fahrzeugs ein kapazitiver Reifendrucksensor zugeordnet, dessen kapazitiver Wert vom Reifendruck abhängig ist.

Zur Auswertung eines auf diese Weise ermittelten kapazitiven Wertes sind unterschiedliche Methoden bekannt.

Um ein für eine Weiterverarbeitung notwendiges digitales Signal zu erhalten, wird eine druckabhängige Kapazität beispielsweise entweder in eine analoge Spannung oder einen analogen Strom umgesetzt (V/V- oder C/I-Stufe). Dieser analoge Wert wird nachfolgend einem A/D-Wandler zugeführt, der das endgültige Digitalsignal zur Verfügung stellt.

Alternativ hierzu kann die Kapazität in eine entsprechende Frequenz oder Zeit umgesetzt werden (C/F-Stufe, Dual-Slope), welche dann einem Zähler zugeführt wird, der das endgültige Digitalsignal zur Verfügung stellt.

Nachteiligerweise benötigen diese bekannten Verfahren jeweils zwei Stufen, um die druckabhängige Kapazität in ein digitales Signal umzuwandeln.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Auswerteverfahren für einen Ist-Wert eines kapazitiven Sensors sowie eine Schaltung zur Durchführung eines solchen Verfahrens zu schaffen, das die digitale Darstellung des Ist-Wertes auf einfachere Art und Weise ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Schaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Auswerteverfahren eines Ist-Wertes eines kapazitiven Sensors wird dieser Ist-Wert mittels einer aus mehreren unterschiedlichen Einzelkapazitäten bestehenden Vergleichskapazität verglichen. Diese Einzelkapazitäten sind hierbei einzeln mittels steuerbarer Schalter (beispielsweise in TTL-CMOS-Technik) zu- und abschaltbar, so dass die Schalterstellungen in digitaler Form den Ist-Wert des kapazitiven Sensors darstellen.

Diese Form eines einstufigen Verfahrens ermöglicht vorteilhafterweise nicht nur auf einfache Art die digitale Darstellung des Ist-Wertes, sondern liefert durch seine Einstufigkeit diese Darstellung auch auf schnellere Weise.

Durch die erfindungsgemäße Vereinfachung eines Auswerteverfahrens kann zudem der Stromverbrauch verringert und der Schaltungsaufwand verkleinert werden.

Weiterhin wird hierdurch eine schnellere Ermittlung des Digitalsignals ermöglicht, da die Wandlungszeit (kapazitiver Messwert in digitale Information) bei einem nur einstufigen Verfahren gegenüber einem zweistufigen Verfahren kürzer ist.

Durch die Verringerung des Schaltungsaufwands ist auch vorteilhafterweise eine bauliche Integration eines Sensors mit zugehöriger Auswerteschaltung bei geringem Platzbedarf möglich.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Schalterstellung bzw. die digitale Information über den Ist-Wert des kapazitiven Sensors zur weiteren elektronischen Verarbeitung und/oder Steuerung, beispielsweise aus einem Register, ausgelesen werden.

Nach der Erfindung sind die Einzelkapazitäten in einer Schalterstellung zueinander parallel geschaltet und befinden sich zu dem kapazitiven Sensor in Reihe in Form eines kapazitiven Spannungsteilers. Bei einer anliegenden Spannung, beispielsweise der Batteriespannung eines Kraftfahrzeuges, an der Gesamtschaltung gegenüber Masse stellt sich so am Mittelpunkt zwischen den Einzelkapazitäten und dem kapazitiven Sensor eine Spannung ein, die von dem Ist-Wert des kapazitiven Sensors direkt abhängig ist.

Diese Spannung bzw. die Spannungsdifferenz zur vorher angelegten Spannung kann nach einem Trennen der Verbindung zwischen den Einzelkapazitäten und dem kapazitiven Sensor, beispielsweise durch Schalten auf Masse und Trennen der angelegten Spannung, in den Einzelkapazitäten (n-Stufen) gespeichert werden.

Durch das jeweilige Beschalten der Einzelkapazitäten (bzw. eines Teils davon) mit einer höheren konstanten Spannung wird das Potential am anderen Anschluss bzw. Pol der Kondensatoren um einen Betrag entsprechend der Kapazität erhöht, bis sich als Potential der Wert der vorher angelegten konstanten Spannung einstellt bzw. bis auf einen vorbestimmten Minimalwert (letzte Stufe) in Abhängigkeit der n-Stufen annähert.

Hierdurch kann vorteilhafterweise eine in den Einzelkapazitäten gespeicherte Ladung, welche in direkter Abhängigkeit zu dem Kapazitätswert des kapazitiven Sensors steht, zu einem bestimmten Zeitpunkt (statisch bzw. diskret) festgehalten werden.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung besteht die Vergleichskapazität aus zueinander parallel schaltbaren Einzel kapazitäten mit unterschiedlichen (Kapazitäts-)Werten, so dass bei einem jeweiligen Beschalten einer Einzelkapazität mit einer höheren konstanten Spannung das Potential am anderen Anschluss der Kondensatoren um einen jeweils unterschiedlichen Betrag entsprechend der Kapazität (bzw. dem Verhältnis der Einzelkapazität zur Gesamtkapazität) erhöht wird, bis sich als Potential der Wert der vorher angelegten konstanten Spannung einstellt. Hierdurch wird nach einem Durchlauf vorteilhafterweise durch die Stellungen der Schalter als digitale Information ein direkt vom Ist-Wert des kapazitiven Sensors abhängiges Datum dargestellt.

Werden die Werte der Einzelkapazitäten zueinander binär 2⁰·C₀ bis 2ⁿ·C₀ gewählt, so stellt das Datum vorteilhafterweise eine sofort in Digitaltechnik auf einfache Weise weiterverwendbare binäre Information dar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die gesamte Auswerteschaltung inklusive einer Steuereinheit für die steuerbaren Schalter (beispielsweise in TTL/CMOS-Technik) und einem eventuellen Register zum (Zwischen-)Speichern eines Datums baulich zusammen mit dem kapazitiven Sensor ausgebildet sein. Hierdurch kann vorteilhafterweise ein kapazitiver Sensor inklusive der Auswerteschaltung auf kleinstem Raum untergebracht und eingesetzt werden.

Durch Erweitern mit oder Abspecken der entsprechenden Einzelkapazitäten lassen sich je nach Bedarf n-Bit-Wandler realisieren.

Die Zeichnung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Auswerten eines Ist-Wertes eines kapazitiven Sensors.
Das in 1 dargestellte Schaltbild zeigt, wie ein kapazitiver Sensor C_Sensor, beispielsweise ein Drucksensor zur Überprüfung des Reifendrucks eines Fahrzeuges, erfindungsgemäß erfasst werden kann. Hierzu ist der kapazitive Sensor C_Sensor mit einem Anschluss mit Masse, beispielsweise der Masse der Auswerteschaltung, verbunden. Der andere Anschluss des kapazitiven Sensors C_Sensor ist über einen Schalter Sx mit der eigentlichen Auswerteschaltung verbindbar, welche mittels Schalter S0 bis S9 hinzuschaltbare bzw. wechselschaltbare Einzelkapazitäten C1 bis C9 aufweist.
In einer ersten Phase, der sogenannten Abtastphase, befinden sich die Schalter S0 bis S9 allesamt in ihrer Schaltstellung p1, so dass die zueinander parallel geschalteten Kapazitäten C0 bis C9 zu dem kapazitiven Sensor C_Sensor in Reihe geschaltet sind. Die Kapazitäten C0 bis C9 weisen hierbei binäre Werte bezüglich ihrer Kapazitäten auf, indem sie von C0 in Richtung C9 ansteigend jeweils zueinander ein 2ⁿ-Vielfaches einer vorgegebenen in dieser Schaltstellung ebenfalls parallel geschalteten Kapazität C darstellen.
Entsprechend weisen die Kapazitäten C0 bis C9 die binären Werte 2⁰·C, 2¹·C, 2²·C,..., 2⁹·C auf, wobei diese Parallelschaltung selbstverständlich je nach Bedarf anstelle des dargestellten 10-Bit-Wandlers auf ein beliebiges n-Bit-System (n-Bit-Wandler) bzw. 2ⁿ·C ausgebaut werden kann.
Mit ihrem anderen Anschluss sind die parallel geschalteten Kondensatoren C und C0 bis C9 über einen steuerbaren Schalter Sy mit dem Pluspol einer Spannungsquelle V, beispielsweise einer Autobatterie verbunden. Entsprechend bildet sich ein kapazitiver Spannungsteiler aus den parallel geschalteten Kapazitäten C und C1 bis C9, sowie dem hierzu in Reihe geschalteten kapazitiven Sensor C_Sensor mit der insgesamt anliegenden Spannung Vref bzw. dem Potential Vref gegenüber Masse.
Hierbei stellt sich als Mittelpunkt die Spannung Vsamp ein, welche direkt abhängig ist von der Kapazität des kapazitiven Sensors C_Sensor und damit beispielsweise auch vom Druck eines als Drucksensor ausgebildeten kapazitiven Sensors C_Sensor.
In einer zweiten Phase, der sogenannten Haltephase, welche in der Zeichnung als 1 dargestellt ist, wird die Verbindung zwischen dem kapazitiven Sensor C_Sensor und der Auswerteschaltung bzw. den Einzelkapazitäten C, C0 bis C9 mittels des steuerbaren Schalters Sx getrennt, indem der bisherige Mittelpunkt des Spannungsteilers im Schaltzustand p1 des Schalters Sx auf Masse gelegt wird.
Zusätzlich wird die Referenzspannung Vref durch ein Öffnen des Schalters Sy an der anderen Seite der parallel geschalteten Einzelkondensatoren C, C0 bis C9 getrennt, so dass das Potential Vx um Vsamp absinkt. Die Spannungsdifferenz Vref – Vsamp wird in diesem Zustand durch die Kapazitäten C und C0 bis C9 gespeichert.
In einer dritten Phase, der sogenannten sukzessiven Approximation, werden nunmehr die Schalter S9 bis S0 nacheinander (einzeln) in ihren zweiten Schaltzustand p2 geschaltet, so dass dieser Pol bzw. Anschluss des jeweiligen Kondensators mit einer festen vorbekannten Spannung, beispielsweise ebenfalls vom Pluspol der vorher genannten Spannungsquelle Vref, insbesondere einer Autobatterie, versorgt wird.
Hierdurch erhöht sich bei jedem einzelnen Umschalten der Schalter S9 bis S0 das Potential Vx an der anderen Seite der Kondensatoren C, C0 bis C9 um einen Betrag in Abhängigkeit von der Größe der Kapazität des jeweils einzeln hinzugeschalteten Kondensators C0 bis C9 im Vergleich zu der Gesamtkapazität.
Auf Grund der binären Ausgestaltung der Kapazitäten C0 bis C9 zueinander erhöht sich das Potential entsprechend um 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, usw. der Spannung. Bei jedem Erhöhungsschritt (Schaltvorgang) wird das Potential Vx über einen Komparator K mit der Referenzspannung Vref verglichen, wobei der jeweilige steuerbare Schalter S9 bis S0 nur im Zustand p2 verbleibt, sofern die Referenzspannung Vref nicht überschritten wurde.
Wird die Referenzspannung Vref von Vx durch Schalten eines Schalters S9 bis S0 von p1 auf p2, beispielsweise von einer Steuereinheit S gesteuert, übertroffen, wird dieser Schaltvorgang rückgängig gemacht. Als nächstes wird der Schalter vor der Kapazität mit dem nächstniedrigeren Wert 2^n–1·C, also beispielsweise S8, betätigt und der Anstieg von Vx wiederum mit der Referenzspannung Vref verglichen.
Nach Abschluss aller Schaltvorgänge und Vergleiche (ein Durchlauf) stellen die entsprechenden Schaltstellungen p1, p2 der Schalter S0 bis S9 als binäre Information einen Wert dar, welcher in direkt proportionaler Abhängigkeit zu dem entsprechenden Wert des kapazitiven Sensors C_Sensor steht.
Wird, wie im Beispiel dargestellt, in allen Phasen mit ein und derselben Referenzspannung Vref gearbeitet, so ergibt sich beispielsweise die Spannung Vsamp (in Näherung) aus einer Berechnung des Digitalwertes entsprechend der Schaltstellungen p1, p2 der Schalter S0 bis S9 geteilt durch den maximalen Digitalwert (alle Schalter in Stellung p2) multipliziert mit Vref. Hierbei entspricht die Schaltstellung p1 einer logischen „0" und die Schaltstellung p2 einer logischen "1"
Der sich einstellende Digitalwert kann hierbei beispielsweise in einem Register SARREF, beispielsweise in einem sukzessiven Approximationsregister, zur weiteren Verarbeitung oder Steuerung zumindest zwischengespeichert und ausgelesen werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann beispielsweise die Steuereinheit für das Ansteuern der Schalter S0 bis S9 als sogenanntes sukzessives Approximationsregister ausgebildet sein, so dass nicht nur die Schalter nacheinander entsprechend angesteuert werden können bzw. wieder rückgestellt, sondern zusätzlich die Schaltzustände bereits als „0" oder „1" Pegel am Ausgang q0 bis q9 des Registers SARREF anliegen bzw. im Register SARREF gespeichert sind. Selbstverständlich ist es denkbar, dass die Steuereinheit zur Ansteuerung der Schalter Sx und Sy ebenfalls das Register SARREF umfasst bzw. dass diese baulich in einer Einheit integriert sind.
Abhängig von der Schaltung wird hierbei bei Überschreiten von Vx der Referenzspannung Vref der Schalter wieder auf p1 zurückgeschaltet, was in diesem Fall einer logischen 0 entspricht. Wird die Spannung Vref dagegen nicht überschritten, verbleibt der entsprechende Schalter in seiner Stellung p2, was in diesem Fall einer logischen 1 entspricht. Selbstverständlich können diese Signale bei entsprechender anderer Ausgestaltung der Schaltung, wie „Umkehrung bzw. Umpolung des Komparators K", „andere Wahl der Referenzspannung", usw. auch invertiert vorliegen.
In jedem Fall repräsentieren die Schalterstellungen p1, p2 nach einem derartigen Durchlauf S9 bis S0 den entsprechenden Wert des kapazitiven Sensors C_Sensor. Ein solcher Durchlauf kann hierbei entweder auf Anforderung, in beliebigen vorgegebenen Abständen bzw. zu bestimmten Zeitpunkten oder gar, insbesondere in bestimmten Phasen, permanent (meist zyklisch) wiederholt werden.
Auf diese Weise lassen sich kapazitive Sensoren realisieren, die aufgrund eines kleineren Schaltungsaufwandes nicht nur einen geringeren Stromverbrauch, sondern zudem eine schnellere Wandlungszeit aufweisen.
Selbstverständlich ist es denkbar, derartige kapazitive Sensoren, beispielsweise Drucksensoren, nicht nur wie dargestellt innerhalb der Fahrzeugtechnik zur Überwachung des Reifendrucks, sondern auch auf anderen Gebieten anzuwenden, in denen üblicherweise kapazitive Sensoren eingesetzt werden können.

Claims

Auswerteverfahren für einen kapazitiven Ist-Wert eines kapazitiven Sensors (C_Sensor), a) bei dem der kapazitive Ist-Wert des kapazitiven Sensors (C_Sensor) mit einem Wert einer Vergleichskapazität verglichen wird, b) wobei die Vergleichskapazität sich aus mehreren unterschiedlichen, einzeln mittels Schalter (S0 bis S9) (parallel) zuschaltbaren Einzelkapazitäten (C0 bis C9) 2⁰·C bis 2ⁿ·C zusammensetzt, indem in einer ersten Phase: c) die zueinander parallel geschalteten Einzelkapazitäten (C0 bis C9) zu dem des kapazitiven Sensors (C_Sensor) in Reihe geschalten werden und insgesamt an diesen kapazitiven Spannungsteiler eine konstante Spannung (Vref) bezüglich eines Bezugspotentials einer Konstantspannungsquelle (V) angelegt wird, in einer zweiten Phase: d) die Verbindung zwischen dem kapazitiven Sensor (C_Sensor) und den Einzelkapazitäten (C0 bis C9) getrennt wird, der bisherige Mittelpunkt des kapazitiven Spannungsteilers auf das Bezugspotential gelegt wird, die Verbindung zur Konstantspannungsquelle (V) getrennt wird, und in einer dritten Phase: e) die Einzelkapazitäten (C0 bis C9) nacheinander an ihrem einen Anschluss mit der Konstantspannungsquelle (V) mittels der Schalter (S0 bis S9) verbunden werden, bis sich an dem anderen Anschluss der Einzelkapazitäten (C0 bis C9) eine Spannung (Vx) einstellt, die der konstanten Spannung (Vref) der Konstantspannungsquelle (V) annähernd entspricht, f) so dass nach abgeschlossenem Vergleich die Schalterstellung (p1, p2) der Schalter (S0 bis S9) als digitale Information (0, I) einen direkt proportionalen Wert für den Ist-Wert des kapazitiven Sensors (C_Sensor) darstellt.
Auswerteverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalterstellung (p1, p2) zur weiteren elektronischen Verarbeitung und/oder Steuerung ausgelesen wird.
Schaltungsanordnung zum Auswerten eines Ist-Wertes eines kapazitiven Sensors, mit einem kapazitiven Sensor (C_Sensor) und einer Auswerteschaltung mit einer Vergleichskapazität, einem Komparator (K) und einer Konstantspannungsquelle (V) mit einer konstanten Spannung (Vref) bezüglich eines Bezugspotentials der Konstantspannungsquelle (V), wobei die Vergleichskapazität aus Einzelkapazitäten (C0 bis C9) mit unterschiedlichen Werten besteht, die Einzelkapazitäten 2ⁿ-fach steigende Werte (2⁰·C bis 2ⁿ·C) besitzen, die Auswerteschaltung steuerbare Schalter (S0 bis S9) aufweist, um Einzelkapazitäten (C0 bis C9) einzeln wahlweise mit an ihrem einen Anschluss miteinander oder mit einem steuerbaren Schalter (Sx) oder mit der Konstantspannungsquelle (V) zu verbinden, die Schaltzustände (p1, p2) der steuerbaren Schalter (S0 bis S9) auslesbar sind, die Auswerteschaltung mittels des steuerbaren Schalters (Sx) wahlweise mit einem Anschluss des kapazitiven Sensors (C_Sensor) oder dem Bezugspotential der Konstantspannungsquelle (V) verbindbar ist, der kapazitiven Sensors (C_Sensor) mit seinem anderen Anschluss auf dem Bezugspotential liegt und die Auswerteschaltung einen steuerbare Schalter (Sy) aufweist, um die Einzelkapazitäten (C0 bis C9) gemeinsam mit ihrem anderen Anschluss mit der Konstantspannungsquelle (V) zu verbinden.
Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung baulich in einem kapazitiven Sensor integriert ist.
Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitiven Sensor als Drucksensor ausgebildet ist.