DE19701899A1 - Schaltungsanordnung zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder BauelementesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Kapazität bzw.
einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes, mit ei
nem Taktgenerator, einem von dem Taktgenerator gesteuerten Umschaltkontakt, ei
nem Speicherkondensator, einer Spannungsquelle und einer Auswertestufe, bei der
eine Elektrode des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes mit dem Eingang des
Umschaltkontaktes verbunden ist.
Im Rahmen der Erfindung ist mit "Kapazität" der Kapazitätswert eines kapazitiven
Schaltungs- oder Bauelementes gemeint; eine "Kapazitätsänderung" meint folglich
eine Änderung des Kapazitätswertes eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelemen
tes. Mit "Erfassung" der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung ist im Rahmen der
Erfindung sowohl eine nur qualitative Erfassung als auch eine quantitative Erfas
sung, also eine echte Messung, gemeint. "Kapazitives Schaltungs- oder Bauelement"
meint im Rahmen der Erfindung jedes Schaltungselement und jedes Bauelement, das
kapazitive Eigenschaften hat, häufig auch als Kapazität bezeichnet wird, wobei dann
nicht der Kapazitätswert gemeint ist. Ein "kapazitives Schaltungs- oder Bauelement"
ist insbesondere ein Kondensator. Als "kapazitives Schaltungs- oder Bauelement"
wird im Rahmen der Erfindung aber auch die Elektrode eines kapazitiven Nähe
rungsschalter, im Zusammenwirken mit einem Beeinflussungskörper, bezeichnet.
"Kapazitives Schaltungs- oder Bauelement" meint im Rahmen der Erfindung z. B.
aber auch die Kapazität, die miteinander kapazitiv wirkende Leitungen darstellen.
Nachfolgend wird statt von einem "kapazitiven Schaltungs- oder Bauelement" immer
von einem Sensorkondensator gesprochen, ohne daß damit eine Einschränkung auf
einen Kondensator im engeren Sinne verbunden ist.
Im Rahmen der Erfindung ist mit "Spannungsquelle" sowohl eine Spannungsquelle
insgesamt als auch ein Anschluß einer solchen Spannungsquelle gemeint.
Schließlich sei erläuternd noch angeführt, daß im Rahmen der Erfindung mit "Um
schaltkontakt" ein Schalter gemeint ist, der häufig auch als Wechsler bezeichnet wird,
der also einen Eingang und zwei Ausgänge aufweist, wobei der Eingang entweder
mit dem ersten Ausgang oder mit dem zweiten Ausgang verbunden ist.
Gegenstand der Erfindung ist nicht nur eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der
Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bau
elementes, Gegenstand der Erfindung ist vielmehr auch ein Verfahren zur Erfassung
der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder
Bauelementes.
Die eingangs beschriebene Schaltungsanordnung ist aus der DE-A-31 43 114 be
kannt. Dabei wird das kapazitive Schaltungs- oder Bauelement, dessen Kapazität
oder Kapazitätsänderung erfaßt werden soll, nachfolgend, wie bereits ausgeführt, im
mer als Sensorkondensator bezeichnet, mit Hilfe des Umschaltkontaktes abwechselnd
geladen und entladen. Mit Hilfe des Umschaltkontaktes wird auch der Sensorkon
densator mit dem Speicherkondensator - taktweise - verbunden.
Die bekannte, eingangs beschriebene Schaltungsanordnung ist zur Verwendung bei
einem kapazitiven Näherungsschalter weder bestimmt noch besonders geeignet.
Folglich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der in
Rede stehenden Art anzugeben, die zur Verwendung bei einem kapazitiven Nähe
rungsschalter besonders geeignet ist, aber auch anderweitig vorteilhaft verwendet
werden kann.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die besonders gut bei einem kapaziti
ven Näherungsschalter verwendet werden kann, aber auch bei anderen Verwendun
gen erhebliche Vorteile hat, ist zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeich
net, daß der erste Ausgang des Umschaltkontaktes mit einem Bezugspotential, der
zweite Ausgang des Umschaltkontaktes mit der ersten Elektrode des Speicherkon
densators, die erste Elektrode des Speicherkondensators einerseits über ein Wider
standsnetzwerk mit der Spannungsquelle und andererseits mit der Auswertestufe und
die zweite Elektrode des Speicherkondensators mit einem Bezugspotential verbun
den sind.
Ein erster wesentlicher Vorteil der Schaltungsanordnung gemäß der ersten Lehre der
Erfindung im Hinblick auf ihre Störunempfindlichkeit ist ihre niedrige Eingangsimpe
danz. Diese niedrige Eingangsimpedanz stellt insbesondere bei Störfrequenzen im
mittleren Frequenzbereich (ca. 10 kHz-10 MHz) eine besonders wichtige Eigen
schaft dar. Dies gilt ganz besonders für die Messung von sehr kleinen Kapazitäten,
beispielsweise weit unterhalb von 1 pF. Bei derart kleinen Kapazitäten wird der Stör
strom, der über die Elektrode der gesuchten Kapazität wieder nach Masse abfließen
muß, im wesentlichen nur von der kleinen Koppelkapazität zur Störquelle bestimmt.
Es wird sozusagen ein konstanter Störstrom erzwungen. Somit ist klar, daß Vorwider
stände zur Spannungsteilung kaum eine Wirkung besitzen, wenn die Impedanz der
eigentlichen Eingangsbeschaltung zu hoch ist. Bei niedrigeren Frequenzen, also etwa
um 10 kHz, wird der Störstrom in der Regel ungefährlich klein, so daß über die kleine
Koppelkapazität und die niedrige Eingangsimpedanz der Schaltungsanordnung ein
Hochpaßverhalten zustande kommt. Bei mittleren Frequenzen, also etwa 1 MHz,
kommt es zwar durch die parasitären Kapazitäten zwischen der Elektrode der ge
suchten Kapazität und Masse zu einer kapazitiven Spannungsteilung, die jedoch bei
weitem nicht ausreicht, zumal diese parasitären Kapazitäten auch nicht beliebig ge
zielt vergrößerbar sind, ohne die notwendige Änderung der Meßkapazität gleichzei
tig mit herunterzuteilen. Im mittleren Frequenzbereich ist also somit nur eine niedrige
Eingangsimpedanz sinnvoll, damit der bereits erzwungene Störstrom einen möglichst
kleinen Spannungsabfall an der Eingangsbeschaltung verursacht. Niedrige Eingangs
impedanzen für den mittleren Frequenzbereich werden im Stand der Technik entwe
der über Kapazitäten oder Widerstände realisiert, die normalerweise eine gleichzeitige
Messung von sehr kleinen Kapazitäten im fF-Bereich unmöglich machen. Dies ließe
sich zwar durch eine Schaltungsordnung mit einer Arbeitsfrequenz oberhalb von ca.
100 MHz realisieren, die in der Regel niederohmig genug wäre, die aber gleichzeitig
kaum beherrschbar ist und außerdem kostspielig in der Realisierung, stromintensiv
und abstrahlungsintensiv wäre.
Ein weiterer Vorteil der Schaltungsanordnung gemäß der ersten Lehre der Erfindung
besteht darin, daß in der Eingangsbeschaltung keine nichtlinearen Bauteile angeord
net sind. Bei herkömmlichen Eingangsbeschaltungen von Schaltungsanordnungen
zur Messung kleiner Kapazitäten, die beispielsweise in kapazitiven Näherungsschal
tern verwendet werden, gibt es meist einen Verstärker, der das Zeitverhalten der ge
suchten Kapazität verstärkt und in eine leichter nutzbare elektrische Größe, z. B. eine
Oszillatoramplitude, eine Frequenz oder eine Phasenlage, umsetzt. Ein solcher Ver
stärker ist aber auch den unvermeidlichen Störspannungen verschiedener Frequen
zen relativ direkt ausgesetzt. Da diese Verstärker zumindest in Teilbereichen der Aus
steuerung oder in bestimmten Frequenzbereichen nichtlineare Strom-Spannungs-
Kennlinien oder nichtlineare Eingangs-Ausgangs-Kennlinien besitzen, können durch
dem Nutzsignal überlagerte Störgrößen sehr leicht Effekte entstehen, die den eigent
lichen Meßwert zum Teil erheblich verfälschen können, z. B. durch unsymmetrische
Aussteuerbarkeit, Demodulationseffekte oder Arbeitspunktverschiebungen. Weiter
besteht die Gefahr, daß das Störsignal unter Umständen genauso wie das Meßsignal
verstärkt werden könnte, ohne daß eine elektronische Unterscheidung zwischen
Störsignal und Meßsignal besteht. Bei der vorliegenden Schaltungsanordnung wer
den in der Eingangsbeschaltung nur Glieder mit linearer Strom-Spannungs-Kennlinie
und linearer Eingangs-Ausgangs-Kennlinie verwendet, nämlich Widerstände und
Kapazitäten. Der elektronische Umschalter ist zwar konstruktiv gesehen aktiv und
ein nichtlineares Bauelement, besitzt jedoch für den Zweck der Umschaltung eine
ausreichend gute Linearität und keinen Verstärkungsfaktor, so daß selbst die den
Umschalter realisierenden elektronischen Schalter, die natürlich auch nicht ideale Ei
genschaften aufweisen, für die vorliegende Schaltungsanordnung als "lineare" Bau
teile angesehen werden können.
Schließlich besteht ein zusätzlicher Vorteil der Schaltungsanordnung gemäß der er
sten Lehre der Erfindung in ihrer Flexibilität. Die Schaltungsanordnung ist hinsicht
lich der Taktfrequenz des Taktgenerators, der Betriebsspannung, der Abtastge
schwindigkeit und der gesuchten Kapazität relativ leicht an die für eine jeweilige
Applikation günstigste Konfiguration anpaßbar. Dies beruht auf der Tatsache, daß die
einzelnen Betriebsparameter relativ wenig voneinander abhängig sind. Bei ebenfalls
aus dem Stand der Technik bekannten herkömmlichen Oszillatorschaltungen zur
Messung einer Kapazität gibt es häufig nur einen sehr engen Bereich von Oszillator
frequenz, Kopplungsfaktor, Betriebsspannung usw., in welchem ein akzeptabler
Kompromiß zwischen allen Eigenschaften der Schaltungsanordnung erzielt wird,
wobei häufig schon geringfügige Änderungen eine komplette Neuoptimierung erfor
dern. Bei der vorliegenden Schaltung sind deshalb notwendige, applikationsbedingte
Optimierungsarbeiten auch wesentlich weniger kompliziert und damit weniger zeit
aufwendig als bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Prinzipien.
Ein letzter Vorteil der Schaltungsanordnung gemäß der ersten Lehre der Erfindung,
der hier noch erwähnt werden soll, besteht darin, daß die Entladung der gesuchten
Kapazität gegen Masse und die Ladung der gesuchten Kapazität auf ein passives
Widerstandsnetzwerk erfolgt, welches die Speicherkapazität lädt, so daß vorteilhaf
terweise als Betriebsspannung nur eine Polarität zur Verfügung gestellt werden muß.
Auch ist das Aufladen der gesuchten Kapazität über das passive Widerstandsnetz
werk und den Speicherkondensator vorteilhaft, da bei dem Aufladen der gesuchten
Kapazität über ein virtuelles Massepotential, wie aus dem Stand der Technik bekannt,
die Gefahr besteht, daß durch Störspannungen leicht die Schutzdioden leitend wer
den könnten und so eine zusätzliche Ladung transportieren würden.
Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung erfährt die Schaltungsanordnung gemäß der er
sten Lehre der Erfindung dadurch, daß die Taktfrequenz des Taktgenerators zwi
schen 1 MHz und 4 MHz liegt. Ein Taktgenerator mit dieser Frequenz kann bei
spielsweise als Keramikresonator ausgeführt sein. Bei höheren Anforderungen an die
Meßgenauigkeit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der Rückgriff auf
Taktgeneratoren mit höherer Frequenzstabilität notwendig. In diesem Fall ist eine
Abwägung zwischen Frequenzstabilität und Kosten des Taktgenerators vorzuneh
men.
Die Auswahl des Frequenzbandes zwischen 1 MHz und 4 MHz für den Taktgenera
tor ist besonders auf die Messung sehr kleiner Kapazitäten zugeschnitten. Bei sehr
tiefen Frequenzen für den Taktgenerator ist die beim Lade- bzw. Entladevorgang
übertragene Energie schon fast zu klein, um eine sinnvolle Auswertung zu ermögli
chen. Für eine solche Frequenz müßte dann auch die Impedanz der Eingangsbeschal
tung relativ hoch sein, meist größer 100 kΩ, um noch eine aus der gesuchten Kapazi
tät resultierende kapazitive Impedanz als Parallelimpedanz in gleicher Größenord
nung auswerten zu können. Bei einer derartigen Auslegung der Eingangsschaltung
treten demzufolge hohe Spannungsabfälle, zum Teil im Bereich von einigen Volt,
durch den Störstrom auf. Derartige Spannungsabfälle sind in der Regel kaum ohne
Verfälschung des Meßsignales verkraftbar. Wie bereits erwähnt, wäre die Schaltungs
anordnung bei einer Taktfrequenz oberhalb von 100 MHz zwar niederohmig genug,
aber schwer beherrschbar.
Ein weiterer Vorteil einer Taktfrequenz im Bereich zwischen 1 MHz und 4 MHz liegt
in der sehr guten Mittelwertbildung für den Meßwert der gesuchten Kapazität. Bei
einer derartigen Taktfrequenz wird im Eingangsteil der Schaltungsanordnung gemäß
der ersten Lehre der Erfindung die gesuchte Kapazität über das Verfahren der La
dungsverschiebung direkt und ohne Verstärkung in eine leicht nutzbare und gut fil
terbare Gleichspannung umgewandelt, wobei gleichzeitig eine Mittelwertbildung
über viele tausend Taktzyklen stattfindet. Voraussetzung für eine richtige Mittel
wertbildung ist wiederum die Verwendung von Bauteilen, die ein lineares Verhalten
aufweisen. Ein anliegendes Störsignal muß denselben Weg durch die Eingangsbe
schaltung nehmen und erfährt somit folglich ebenfalls eine Mittelwertbildung. Da der
Mittelwert eines Störsignals, unter der Voraussetzung, daß auf dem gesamten Stör
pfad von der Quelle bis zur Gleichspannung keine nichtlineare Beeinflussung statt
findet, Null ist, ergibt die Überlagerung von Meßsignal und Störsignal nur das Meßsi
gnal. D. h. der Mittelwert des gestörten Meßsignales muß für eine vollständige Stör
unterdrückung gleich dem Mittelwert des nicht gestörten Meßsignales sein.
Weiter fallen bei Taktfrequenzen oberhalb von 4 MHz die schlecht definierbaren Um
schaltzeiten des Umschaltkontaktes und die Flankenanstiegsgeschwindigkeiten stö
rend ins Gewicht. Bei Anwendungen mit größeren zu messenden Kapazitäten sind
jedoch auch Taktfrequenzen unterhalb 1 MHz denkbar, abhängig von der erwarteten
Größe der gesuchten Kapazität.
Im Hinblick auf die Empfindlichkeit gegenüber hochfrequenten Störeinstrahlungen
ist allerdings generell anzustreben, die Taktfrequenz über 1 MHz zu legen, da bei
spielsweise die Oberwellen von Frequenzumrichterstörungen unterhalb 1 MHz noch
relativ große Amplituden aufweisen können und die beschriebene Unterdrückung
von Störungen gegen frequenzkonstante Störungen genau auf der Taktfrequenz
aufwendig ist.
Ist, gemäß einer weiteren Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung gemäß der ersten
Lehre der Erfindung, ein die Taktfrequenz des Taktgenerators modulierender Fre
quenzmodulator vorgesehen, so ist auch die Unterdrückung von frequenzkonstanten
Störgrößen auf der Taktfrequenz oder in der Nähe der Taktfrequenz möglich.
Wenn eine Störfrequenz sehr dicht neben oder genau auf der Taktfrequenz liegen
sollte und diese auch noch zusätzlich frequenzkonstant ist, entsteht eine niederfre
quente Schwebung und damit eine niederfrequente Wechselspannungskomponente
auf dem Meßsignal, die fälschlicherweise als Meßsignal interpretiert wird. Durch die
Maßnahme, die Taktfrequenz des Taktgenerators mittels eines Frequenzmodulators
zu modulieren, ist es nahezu unmöglich, durch die Überlagerung mit einer Störfre
quenz noch zu einer oben erwähnten niederfrequenten Schwebung zu gelangen. Bei
einer derartigen, vorgeschlagenen Frequenzmodulation sollte der Frequenzhub mög
lichst groß sein. Zweckmäßig ist dabei auch, wenn erreicht werden kann, daß der Fre
quenzverlauf durch die Modulation etwa dreieckförmig mit leicht veränderlicher
Flankensteilheit verläuft. Entscheidend ist die Entstehung eines breiten Frequenz
spektrums im Bereich der Taktfrequenz, das aus sehr vielen, etwa gleich großen, dicht
nebeneinanderliegenden Spektrallinien besteht, wobei die Taktfrequenz selbst über
haupt nicht mehr unter den anderen Spektrallinien herausragt. Eine diskrete Störfre
quenz kann jetzt nur noch zu sehr wenigen Spektrallinien eine niederfrequente
Schwebung bilden, wobei die gesamte Information auf ein breiteres Frequenzband
verteilt ist. Es ist ebenfalls möglich einen bandbegrenzter Rauschgenerator als Modu
lationsquelle oder gar als Taktgenerator einzusetzen.
Eine vorteilhaft einfache Arbeitspunkteinstellung der Schaltungsanordnung gemäß
der ersten Lehre der Erfindung ist dadurch gewährleistet, daß das Widerstandsnetz
werk abstimmbar ist. Der optimale Arbeitspunkt der Schaltungsanordnung gemäß der
ersten Lehre der Erfindung ist dann erreicht, wenn die Spannung an der ersten Elek
trode der Speicherkapazität der Hälfte der am Eingang des Widerstandsnetzwerkes
anliegenden Ausgangsspannung der Spannungsquelle entspricht. In diesem Fall er
gibt sich der größte Gleichspannungshub an der ersten Elektrode der Speicherkapazi
tät in Abhängigkeit von einer Kapazitätsänderung.
Die Einstellung des Arbeitspunktes der Schaltungsanordnung gemäß der ersten
Lehre der Erfindung über das Widerstandsnetzwerk ist zunächst deshalb vorteilhaft,
weil diese, beispielsweise über ein Potentiometer, sehr einfach zu realisieren ist. Das
für die Abstimmbarkeit des Widerstandsnetzwerkes notwendige Stellglied wird dar
über hinaus nur mit einem geringen Gleichstrom belastet, die Anforderungen an die
ses Stellglied sind also gering. Es kann beispielsweise auch galvanisch an Masse oder
die Versorgungsspannung angeschlossen sein. Dies beinhaltet wesentliche Vorteile
störtechnischer Art, da layout- oder applikationsbedingt lange Leitungen zum Stell
glied kaum Störeinkopplungen verursachen können. Falls erforderlich, kann die Lei
tung sogar hochkapazitiv in Sensornähe abgeblockt werden. Das Stellglied muß des
halb auch nicht potentialfrei sein und kann prinzipiell auch aus einer komplexeren
Schaltungsanordnung, z. B. einer Transistormatrix oder ähnlichem, bestehen. Weiter
minimiert die Tatsache, daß durch das Stellglied lediglich ein geringer Gleichstrom
fließt, die Anforderungen an das Frequenzverhalten des Stellgliedes, denn parasitäre
Kapazitäten und Ähnliches spielen überhaupt keine Rolle. Damit ist zukunftsweisend
auch der Weg für digitalisierte Methoden der Arbeitspunkteinstellung offen. Bei her
kömmlichen, aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnungen zur
Messung einer Kapazität ist das Stellglied häufig Bestandteil einer Oszillatorschal
tung und somit in der Regel sehr empfindlich gegen parasitäre Kapazitäten und
Störeinkopplungen.
Hinsichtlich der Störunempfindlichkeit erfährt die Schaltungsanordnung gemäß der
ersten Lehre der Erfindung eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dadurch, daß
zwischen der Elektrode der gesuchten Kapazität und dem Eingang des Umschaltkon
taktes ein mindestens einen Ankoppelwiderstand umfassendes Elektrodenankoppel
netzwerk vorgesehen ist.
Ein Ankoppelwiderstand ist insbesondere für hohe Störfrequenzen unerläßlich, weil
in diesem Fall die Störquelle niederohmig an die Elektrode der gesuchten Kapazität
angekoppelt ist. Der Ankoppelwiderstand bildet dann mit dem niederohmigen Ka
nalwiderstand des Umschaltkontaktes eine ohmsche Spannungsteilung. Der Spei
cherkondensator wirkt für Störfrequenzen oberhalb 1 MHz nahezu als Kurzschluß.
Bei noch höheren Störfrequenzen bildet der Ankoppelwiderstand dann mit der para
sitären Eingangskapazität des Umschaltkontaktes einen Tiefpaß.
Hinzu kommt die vorteilhafte Tatsache, daß im Moment des Umschaltens vom Entla
dezustand in den Ladezustand die Spannung direkt am Eingang des Umschaltkon
taktes dann auch sehr schnell - bei optimaler Arbeitspunkteinstellung - auf etwa die
Hälfte der Versorgungsspannung der Spannungsquelle ansteigt, während über den
Ankoppelwiderstand im Elektrodenankoppelnetzwerk die gesuchte Kapazität erst
langsam aufgeladen wird. Dies bedeutet für eine Störspannung allerdings, daß es
selbst im Ladezustand nahezu unmöglich ist, am Umschaltkontakt eine Spannung zu
verursachen, die außerhalb der Betriebsspannungsgrenzen liegt, bei deren Über
schreitung Schutzdioden aktiv würden und damit eine zusätzliche Ladung transpor
tiert würde.
Der Ankoppelwiderstand soll die Eingangsbeschaltung trotz der relativ niederohmi
gen Dimensionierung vor zu großen Spannungsabfällen schützen. Dies ist haupt
sächlich im Störfrequenzbereich oberhalb von 5 MHz wirksam. Die Ankoppelwider
stände sollten deshalb so hochohmig wie möglich dimensioniert werden. Dabei muß
jedoch beachtet werden, daß die gesuchte Kapazität bei allen denkbaren Situationen
möglichst noch vollständig umladbar ist.
Eine insgesamt niedrige Eingangsimpedanz bei über alle Frequenzbereiche gewähr
leisteter Störunempfindlichkeit ist in einer weiter ausgestalteten Schaltungsanord
nung gemäß der ersten Lehre der Erfindung dadurch gewährleistet, daß zwischen
dem zweiten Ausgang des Umschaltkontaktes und der ersten Elektrode der Spei
cherkapazität ein Schutzwiderstand angeordnet ist.
Zwar ist für Störfrequenzen etwa oberhalb 5 MHz die Koppelkapazität eine noch
niedrigere Impedanz und damit die Ankopplung von Störstrahlung noch härter, je
doch können hier Schutzbeschaltungen, die sich für die Arbeitsfrequenz der Schal
tungsanordnung kaum auswirken, zusammen mit parasitären Kapazitäten bereits
einen Tiefpaß mit ausreichender Dämpfung bilden. Die vorliegende Schaltungsanord
nung weist in ihrer Eingangsbeschaltung sowohl im Lade- als auch im Entladezu
stand eine ungewöhnlich niedrige Impedanz auf, die für den relevanten Frequenzbe
reich vorzugsweise unterhalb 1 kΩ liegen. Hierdurch ist gewährleistet, daß die vor
handenen Störströme in der Eingangsbeschaltung, insbesondere am Umschaltkontakt
nur ungefährlich kleine Spannungsabfälle zulassen. Im Entladezustand ist die Elek
trode der gesuchten Kapazität nur über den Ankoppelwiderstand auf ein Referenz
potential geschaltet, während im Ladezustand dieselbe Elektrode der gesuchten Ka
pazität über einen vorzugsweise niederohmigen Schutzwiderstand auf die große
Speicherkapazität geschaltet ist, die für den ausgewählten Frequenzbereich ebenfalls
eine niedrige Impedanz darstellt.
Insgesamt ist somit bei der wie vorliegend ausgestalteten Schaltungsanordnung für
alle relevanten Störgrößen eine effektive Spannungsteilung auf ungefährliche Werte
gewährleistet.
Eine optimale Schmalbandigkeit der Schaltungsanordnung nach der ersten Lehre der
Erfindung ist dadurch gewährleistet, daß, gemäß einer weiteren Ausgestaltung, zwi
schen dem zweiten Ausgang des Umschaltkontaktes und der Ausgangsstufe ein Fil
ternetzwerk angeordnet ist.
Da, wie oben erläutert, das Prinzip der Meßsignalgewinnung auf einer Mittelwertbil
dung beruht, ergibt sich für eine vollständige Störunterdrückung die Forderung, daß
sich dieser Mittelwert unter Störeinfluß nicht so langsam ändern darf, daß die sich er
gebende Gleichspannungsschwankung ein Filternetzwerk passieren kann und damit
von der Ausgangsstufe erfaßbar wird. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß die
Schwebung zwischen Taktfrequenz und Störfrequenz immer hochfrequent genug
bleibt, damit das Filternetzwerk nicht passiert werden kann. Positiv ausgedrückt heißt
das aber auch, daß nur durch Tiefpaßdimensionierung des Filternetzwerkes auf große
Zeitkonstanten von einigen Millisekunden eine gute Schmalbandigkeit erreicht wer
den kann. D. h. eine Störfrequenz bleibt auch dann ohne Auswirkung, wenn sie sehr
dicht neben der Taktfrequenz liegt, und zwar ohne aufwendige schmalbandige Filter
technik des Eingangssignales. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit einer Störbeein
flussung, insbesondere in Verbindung mit dem Einsatz eines Frequenzmodulators, auf
ein Mindestmaß. Die Modulationsfrequenz des Frequenzmodulators sollte demzu
folge auf jeden Fall so hoch sein, daß sie das Filternetzwerk nicht passieren kann. Um
die Meßgenauigkeit nicht zu stark zu beeinträchtigen, sollte die Modulationsfre
quenz gerade so hoch sein, daß sie das Filternetzwerk gerade nicht mehr passieren
kann, aber auch nicht unnötig höher.
Wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in kapazitiven Näherungssensoren
eingesetzt, so bestimmt die geforderte Objekterfassungsfrequenz, also die maximale
Frequenz, mit der bewegte Objekte noch erfaßt werden sollen, die Auslegung des Fil
ternetzwerkes.
Eine zusätzliche Verbesserung erfährt die Schaltungsanordnung gemäß der ersten
Lehre der Erfindung dadurch, daß ein mit der Ausgangsstufe verbundener Referenz
zweig zur Messung einer Referenzkapazität mit einem zweiten Umschaltkontakt, ei
ner zweiten Speicherkapazität, einem zweiten Widerstandsnetzwerk und einem zwei
ten Filternetzwerk vorgesehen ist.
Durch die Anordnung eines parallelen Referenzzweiges, der mit dem gleichen Takt
generator, dem gleichen Frequenzmodulator und der gleichen Spannungsquelle ver
bunden ist, ist in üblicher Weise gewährleistet, daß zeit- oder temperaturabhängige
Driften dieser Komponenten durch eine Differenzbildung in der Ausgangsstufe eli
miniert werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung erfährt die Schaltungsanordnung gemäß
der ersten Lehre der Erfindung dann, wenn eine Meßelektrode eines kapazitiven Nä
herungsschalters in Verbindung mit der zu beobachtenden Umgebung die gesuchte
Kapazität bildet und wenn eine Abschirmelektrode der Meßelektrode des kapazitiven
Näherungsschalters in Verbindung mit ihrer Umgebung die Referenzkapazität bildet.
Die Schaltungsanordnung gemäß der ersten Lehre der Erfindung ist in vielerlei Hin
sicht für den Einsatz in einen Näherungsschalter geradezu prädestiniert.
Da kapazitive Näherungsschalter einem starken Preisdruck unterliegen, sind die hier
für bislang bekannten Grundschaltungen relativ einfach. Im wesentlichen bestehen
sie aus einem RC-Oszillator, dessen Schwingungsamplitude bzw. Schwingungsein
satz von der Kapazität zwischen Meßelektrode und zu beobachtender Umgebung
abhängt und über eine Demodulatorschaltung in ein Schalt- oder Analogsignal umge
setzt wird. In der Füllstandstechnik, Beschleunigungsmeßtechnik, Druckmeßtechnik
usw. findet man auch viele andere Verfahren, wie z. B. die Admittanzmessung, die
Störung eines monostabilen Multivibrators durch eine Sensorkapazität als zeitbe
stimmendes Glied, Methoden, bei denen die Resonanzfrequenzänderung eines
Schwingkreises gemessen wird, Methoden zur Phasenmessung mit kleinen Kapazitä
ten, verschiedene AC-Brückenschaltungen oder Schaltungen, die Lade-Entlade-
Funktionen von RC-Gliedern benutzen. Es gibt auch Verfahren, die auf Ladungs
transport beruhen.
Die meisten der bekannten Schaltungen werden allerdings nicht in kapazitiven Nähe
rungsschaltern verwendet, sondern in anderen, störtechnisch weniger kritischen
Applikationen. Z. B. hat man in der Füllstandstechnik in der Regel den Vorteil, daß
die auswertbare Kapazitätsänderung um Größenordnungen höher liegt als bei Nähe
rungsschaltern und daß darüber hinaus das Platzangebot meist wesentlich günstiger
ist. Weiter hat man hier oft die Möglichkeit, wie auch in der Druckmeßtechnik, die
Sensorelektroden ganz oder teilweise gegen elektromagnetische Störgrößen abzu
schirmen.
Bei kapazitiven Näherungsschaltern sind die "Antennen zur Außenwelt", die natür
lich auch die Störgrößen empfangen, für die Funktion unerläßlich. Zudem kann die
Störeinkopplung auf die Sensorschaltung auf verschiedenen Wegen zustandekom
men, z. B. leitungsgeführt oder gestrahlt, und ist darüber hinaus noch sehr stark von
der Einbausituation, dem Objektabstand, der Richtung, aus der das Störsignal einge
koppelt wird, und anderen Randbedingungen abhängig. Außerdem sind die Anforde
rungen hinsichtlich des Stromverbrauchs höher, insbesondere im Hinblick auf den
Zweileiterbetrieb. Weiter muß die automatische Ausblendung von Feuchtigkeit und
Verschmutzungen auf der Oberfläche des kapazitiven Näherungsschalters leicht zu
realisieren sein. Aus all diesen Anforderungen ergibt sich für die kostengünstig, in
hohen Stückzahlen zu produzierenden kapazitiven Näherungsschalter, die unab
hängig von der direkten Nähe starker elektromagnetischer Störquellen in rauher in
dustrieller Umgebung präzise, reproduzierbare Ergebnisse liefern sollen, ein an
spruchsvolles Anforderungsprofil.
Im Gegensatz zu der Schaltungsanordnung gemäß der ersten Lehre der Erfindung er
füllen die bekannten Grundschaltungen insbesondere im Hinblick auf die Störfestig
keit nicht die beschriebenen Anforderungen.
Besonders im Hinblick auf den Einsatz der Schaltungsanordnung gemäß der ersten
Lehre der Erfindung in einem kapazitiven Näherungsschalter ist diese besonders vor
teilhaft dadurch ausgestaltet, daß die Ausgangsstufe als Komparator ausgebildet ist.
Bei der Ausbildung der Ausgangsstufe als Komparator ist vorteilhaft, daß eine hin
sichtlich der Störunterdrückung erwünschte Frequenzmodulation der Taktfrequenz
des Taktgenerators wohl den Betrag einer gemessenen Spannungs- bzw. Stromdiffe
renz beeinflussen kann, nicht jedoch deren Polarität. Da beim Einsatz einer als Kom
parator ausgebildeten Ausgangsstufe jedoch nur die Polarität, nicht aber der Betrag
einer gemessenen Differenz beurteilt wird, stellt sich hier die Frequenzstabilität nur in
geringem Maße als genauigkeitsrelevante Größe dar. Bei einer derartigen Ausbildung
der Ausgangsstufe bietet sich also ein bandbegrenzter Rauschgenerator als Taktge
nerator an.
Durch die Verbindung des Elektrodenankoppelnetzwerkes der Abschirmelektrode
mit dem Taktgenerator über ein Abstimmungsnetzwerk ist eine Möglichkeit zur Ab
stimmung des spezifischen Verhaltens eines kapazitiven Näherungsschalters, etwa
hinsichtlich Feuchtekompensation und Seitenempfindlichkeit, möglich.
Dadurch, daß das Abstimmungsnetzwerk ein Zeitverzögerungselement aufweist, ist
gewährleistet, daß das Verhalten des kapazitiven Näherungsschalters, insbesondere in
bezug auf das Verhalten während der Umschaltphasen der Umschaltkontakte, opti
miert ist.
Eine letzte vorteilhafte Ausgestaltung erfährt die Schaltungsanordnung gemäß der
ersten Lehre der Erfindung dadurch, daß das zweite Widerstandsnetzwerk über das
Ausgangssignal der Ausgangsstufe eine Mitkopplung erfährt. Über diese Maßnahme
wird für den Betrieb der Schaltungsanordnung gemäß der ersten Lehre der Erfindung
in einem kapazitiven Näherungsschalter in besonders einfacher Art und Weise eine
Hysterese des Ausgangssignals der Ausgangsstufe erzeugt.
Die aufgezeigte Aufgabe ist gemäß einer zweiten Lehre der Erfindung durch ein Ver
fahren zur Messung einer Kapazität, insbesondere zur Verwirklichung mit Hilfe einer
der zuvor beschriebenen Schaltungsanordnungen, dadurch gelöst, daß die gesuchte
Kapazität mit Hilfe eines von einem Taktgenerator gesteuerten Umschaltkontaktes
periodisch abwechselnd geladen und entladen wird, daß die gesuchte Kapazität auf
das Potential einer Speicherkapazität geladen wird, daß die gesuchte Kapazität auf
ein Referenzpotential entladen wird, daß die Speicherkapazität mit Hilfe einer Span
nungsquelle über ein Widerstandsnetzwerk nachgeladen wird und daß aus dem Po
tential der Speicherkapazität die gesuchte Kapazität mit Hilfe einer Ausgangsstufe
bestimmt wird. Dieses Verfahren gemäß der zweiten Lehre der Erfindung verwirklicht
die hinsichtlich der ersten Lehre der Erfindung beschriebenen Vorteile in bezug auf
die Störfestigkeit, also die niedrige Eingangsimpedanz, die nicht vorhandenen nicht
linearen Bauteile in der Eingangsbeschaltung, die Mittelwertbildung, die Schmal
bandigkeit sowie die Störunterdrückung auf der Taktfrequenz und die sonstigen Vor
teile, wie das flexible Funktionsprinzip, und die einfache Arbeitspunkteinstellung.
Weitere gemeinsame Vorteile der ersten und der zweiten Lehre der Erfindung sind
die, daß die Verstärkung erst nach mehrfacher Filterung erfolgt und daß die layout
technische Realisierung besonders vorteilhaft möglich ist.
Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bzw. dem erfin
dungsgemäßen Verfahren der notwendige, aber auch störempfindliche Verstärkerteil
schaltungstechnisch erst nach mehrfacher Filterung des Meßsignals angeordnet ist, ist
vorteilhaft gewährleistet, daß zu diesem Zeitpunkt das Störsignal bereits nahezu voll
ständig durch mehrere Filterstufen von dem Meßsignal getrennt ist und somit nicht
mit verstärkt wird. Hierdurch bleibt für die Ausgangsstufe, ob mit oder ohne Stör
größe in der Eingangsbeschaltung, nur noch das Meßsignal übrig. Außerdem ver
bleibt hierdurch der layouttechnischen Realisierung der Schaltungsanordnung relativ
viel Spielraum, so daß zusätzlich erforderliche Abschirmmaßnahmen leicht und effek
tiv umsetzbar sind.
Dadurch, daß der kapazitiv empfindliche Teil der Schaltungsanordnung auf einen re
lativ engen Schaltungsbereich mit wenigen Leiterbahnen im Elektrodenankoppel
netzwerk und in der Eingangsbeschaltung begrenzt ist und in den folgenden Be
standteilen der Schaltungsanordnung nur Gleichspannung oder niederfrequente Sig
nale bis zu einigen 100 Hz zu verarbeiten sind, ist der layouttechnischen Realisierung
zusätzlich viel Spielraum eingeräumt und eventuell erforderliche Abschirmmaßnah
men können, wie bereits erwähnt, einfach durchgeführt werden. Die vom Layout
bedingten parasitären Kapazitäten spielen aus den gleichen Gründen im größten Teil
der Schaltungsanordnung keine Rolle. Weiter muß der empfindliche Verstärkerteil der
Ausgangsstufe nicht unbedingt in unmittelbarer Nähe der gesuchten Kapazität ange
ordnet sein, so daß dieser leicht gegen hochfrequente Störstrahlung abblockbar ist.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Schaltungsanordnung
gemäß der ersten Lehre der Erfindung bzw. das Verfahren gemäß der zweiten Lehre
der Erfindung zur Messung einer Kapazität auszugestalten und weiterzubilden. Dazu
wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentan
sprüche, andererseits auf die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Messung
einer Kapazität nach der ersten Lehre der Erfindung und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Mes
sung einer Kapazität nach der ersten Lehre der Erfindung.
In Fig. 1 der Zeichnung ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanord
nung zur Messung einer Kapazität nach der ersten Lehre der Erfindung dargestellt.
Diese Schaltungsanordnung weist auf einen Taktgenerator 1, einen von dem Taktge
nerator 1 gesteuerten Umschaltkontakt 2, eine Speicherkapazität 3, eine Spannungs
quelle 4 und eine Ausgangsstufe 5. Eine Elektrode 6 der gesuchten Kapazität ist mit
dem Eingang 7 des Umschaltkontaktes verbunden. Gemäß der ersten Lehre der Er
findung sind die Spannungsquelle 4 mit der Speicherkapazität 3 über ein Wider
standsnetzwerk 8, der erste Ausgang 9 des Umschaltkontaktes 2 mit einem Referenz
potential 10, der zweite Ausgang 11 des Umschaltkontaktes 2 mit der ersten Elektro
de der Speicherkapazität 3, dem Ausgang des Widerstandsnetzwerkes 8 und der
Ausgangsstufe 5 und die zweite Elektrode der Speicherkapazität 3 mit dem Refe
renzpotential 10 verbunden. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer
Schaltungsanordnung entspricht das Referenzpotential 10 Masse.
Weiter weist das in Fig. 1 der Zeichnung dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer
Schaltungsanordnung einen die Taktfrequenz des Taktgenerators 1 modulierenden
Frequenzmodulator 12 auf. Zur Einstellung des Arbeitspunktes besteht das Wider
standsnetzwerk 8 aus einem konstanten Widerstand 13 und einem Potentiometer 14.
Zwischen der Elektrode 6 der gesuchten Kapazität und dem Eingang 7 des Um
schaltkontaktes 2 ist außerdem ein mindestens einen Ankoppelwiderstand 15 umfas
sendes Elektrodenankoppelnetzwerk 16 vorgesehen. Weiter ist zwischen dem zwei
ten Ausgang 11 des Umschaltkontaktes 2 und der ersten Elektrode der Speicherka
pazität ein Schutzwiderstand 17 angeordnet. Zwischen dem zweiten Ausgang 11 des
Umschaltkontaktes 2 und der Ausgangsstufe 5 ist nach dem Schutzwiderstand 17 ein
Filternetzwerk 18 angeordnet. Die bislang beschriebenen Bestandteile des in Fig. 1
dargestellten ersten Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung nach der er
sten Lehre der Erfindung werden im weiteren, mit Ausnahme des Taktgenerators 1
und des Frequenzmodulators 12, als Meßzweig bezeichnet.
Neben dem bereits beschriebenen Meßzweig weist das in Fig. 1 dargestellte Ausfüh
rungsbeispiel weiter einen Referenzzweig zur Messung einer Referenzkapazität mit
einem zweiten Umschaltkontakt 19, einer zweiten Speicherkapazität 20 und einem
zweiten Widerstandsnetzwerk 21 auf. Dem Referenzzweig zuzurechnen ist auch
noch ein Teil des bereits erwähnten Filternetzwerkes 18.
Da das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung
Bestandteil eines kapazitiven Näherungsschalters ist, ist die Elektrode 6 der gesuch
ten Kapazität die Meßelektrode des kapazitiven Näherungsschalters, während die
Referenzkapazität von der Abschirmelektrode 22 der Meßelektrode in Verbindung
mit ihrer Umgebung gebildet wird. Entsprechend einer üblichen Ausgestaltung ist bei
dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung ne
ben der Meßelektrode und der Abschirmelektrode 22 noch eine zweite, auf Masse
gelegte Abschirmelektrode 23 dargestellt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanord
nung ist die Ausgangsstufe 5 als Komparator, bestehend aus einem entsprechend ge
schalteten Operationsverstärker 24, ausgebildet.
Das in Fig. 1 dargestellte Elektrodenankoppelnetzwerk 16 ist in seinem mit der Ab
schirmelektrode 22 verbundenen Teil über ein Abstimmungsnetzwerk 25 mit dem
Taktgenerator 1 verbunden. Dieses Abstimmungsnetzwerk 25 weist unter anderem
ein Zeitverzögerungselement 26 auf.
Schließlich erfährt das zweite Widerstandsnetzwerk 21 über ein von einer Signalver
arbeitungseinheit 27 aus dem Ausgangssignal der Ausgangsstufe 5 abgeleitetes Mit
kopplungssignal über einen Mitkopplungszweig 28 eine Mitkopplung zur Erzeu
gung einer Hysterese.
Um die weitere Diskussion der Bestandteile des ersten Ausführungsbeispiels der
Schaltungsanordnung zu vereinfachen, werden diese Bestandteile noch wie folgt zu
sammengefaßt. Die als Meßelektrode ausgebildete Elektrode 6, die Abschirmelektrode
22 und die zweite Abschirmelektrode 23 werden als Sensorelektroden 29 bezeichnet,
der Umschaltkontakt 2, die Speicherkapazität 3, das Widerstandsnetzwerk 8 und der
Schutzwiderstand 17 werden, wie erwähnt, als Meßzweig 30 bezeichnet und der
zweite Umschaltkontakt 19, die zweite Speicherkapazität 20, das zweite Wider
standsnetzwerk 21 und der zweite Schutzwiderstand 31 werden als Referenzzweig
32 bezeichnet.
Die Sensorelektroden 29 bilden die Antennen zur mechanischen und elektromagneti
schen Umgebung des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels einer Schaltungs
anordnung gemäß der ersten Lehre der Erfindung. Sie sind notwendig zum detektie
ren eines Objektes und wandeln die mechanische Größe des Objektabstandes, des
Füllstandes od. dgl. in die elektrische Größe der Kapazität um. Sie sind aus gut leiten
dem Material. Ihre Größe und konstruktiven Merkmale bestimmen weitgehend den
realisierbaren Erfassungsabstand und andere Betriebsparameter des Gerätes. Die Sen
sorelektroden 29 stellen schaltungstechnisch ein Netzwerk von Kapazitäten und Wi
derständen dar, wobei in der vorliegenden Schaltung nur die Kapazitäten von prakti
scher Bedeutung sind. Die hauptsächlich auszuwertende Meßkapazität liegt bei den
meisten Applikationen zwischen der als Meßelektrode ausgebildeten Elektrode 6 und
der durch ein externes Objekt 33 gebildeten Masse.
Das Elektrodenankoppelnetzwerk 16 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel
aus einigen RC-Gliedern und hat im wesentlichen die Aufgaben, eine gewünschte
Sensorcharakteristik hinsichtlich der Medienempfindlichkeit, der Feuchtekompensa
tion, der Seitenempfindlichkeit zu realisieren, Störabstrahlungen zu unterdrücken und
Störeinstrahlungen ebenfalls zu unterdrücken.
Der in Fig. 1 dargestellte Taktgenerator 1 steuert als Rechteckgenerator die Funktio
nen der Eingangskanäle für die Signale. Er sollte steile Flanken besitzen, damit die
durch unterschiedliche Schaltschwellen entstehenden Störeinflüsse minimiert und die
elektrisch schlecht definierbaren Umschaltphasen kurz gehalten werden. Besonders
günstig läßt sich der Taktgenerator 1 in HCMOS-Technik realisieren.
Des weiteren steuert der Taktgenerator 1 direkt oder, wie hier dargestellt, über ein
Zeitverzögerungselement 26 das Elektrodenankoppelnetzwerk 16 an. Dies ist für das
spezifische Sensorverhalten, wie oben beschrieben, erforderlich. Der Taktgenerator 1
sollte idealerweise in seinem Frequenz- und Phasenverhalten weder vom Eingangssi
gnal noch vom Ausgangssignal der Schaltung und insbesondere auch nicht von
Störsignalen abhängig sein, sondern nur von dem angeschlossenen Frequenzmodula
tor 12. Dies wird durch einen layouttechnisch engen oder ggf. abgeschirmten Aufbau
erreicht. Schaltungstechnisch bietet ein Keramikresonator als frequenzbestimmendes
Glied in dieser Hinsicht eine gute Variante. Ein Keramikoszillator ist gerade noch im
erforderlichen Maße frequenzmodulierbar und besitzt gleichzeitig eine ausreichende
Resistenz gegen Zieheffekte durch Störfrequenzen. Außerdem ist der Keramikresona
tor magnetisch nicht so empfindlich wie etwa ein LC-Glied mit Ferritkern. Da im vor
liegenden Ausführungsbeispiel die Kapazität nicht quantitativ bestimmt werden soll,
ist auch die Frequenzstabilität eines Keramikoszillators unproblematisch.
Das Zeitverzögerungselement 26 dient zusammen mit dem Elektrodenankoppelnetz
werk 16 der Optimierung des Sensorverhaltens, insbesondere in bezug auf das Ver
halten während der Umschaltphasen der Eingangskanäle für die Meßsignale. Es kann
beispielsweise durch eine Gatterlaufzeit realisiert werden und unter Umständen auch
ganz entfallen.
Der Frequenzmodulator 12 steuert den Taktgenerator 1 in seiner Frequenz und dient
der Unterdrückung von Störfrequenzen, die genau auf der Taktfrequenz oder dicht
daneben liegen.
Der Sensorkanal 30 besteht aus einem Umschaltkontakt 2, der hier in HCMOS-Tech
nik realisiert sein soll, einem nachgeschalteten Schutzwiderstand 17, und einem Wi
derstandsnetzwerk 8 über das die Speicherkapazität 3 ständig geladen wird. Das Wi
derstandsnetzwerk 8 enthält eine Möglichkeit zur Einstellung des Arbeitspunktes,
also der Empfindlichkeit bzw. des Schaltabstandes, und zum Abgleich von Streuun
gen. Zu diesem Zweck ist in dem Widerstandsnetzwerk 8 ein Potentiometer 14 ange
ordnet. Der Sensorzweig 30 wird von dem Taktgenerator 1 zwischen zwei digitalen
Zuständen hin und her geschaltet. Der Sensorzweig 30 entlädt im Entladezustand die
gesuchte Kapazität und die dem elektronischen Schalter anhaftende parasitäre Ka
pazität 34 nach Masse. In dem Entladezustand ist der Eingang 7 des Umschaltkon
taktes 2 mit dem ersten Ausgang 9 verbunden. Im Ladezustand werden die gesuchte
Kapazität und die parasitäre Kapazität 34 auf die Speicherkapazität 3 geschaltet. In
diesem Zustand ist der Eingang 7 des Umschaltkontaktes 2 mit dem zweiten Ausgang
11 verbunden. Durch das Umschalten findet eine Ladungsverschiebung statt. Ein
kleiner Teil der in der gegenüber der gesuchten Kapazität und der parasitären Kapazi
tät 34 großen bis sehr großen (10 nF-1 µF) Speicherkapazität 3 wird an die gesuchte
Kapazität und die parasitäre Kapazität 34 abgegeben. Der Betrag dieser Ladungs
menge ist abhängig von der Größe der gesuchten Kapazität und der parasitären Ka
pazität 34. Werden diese Kapazitäten während eines Zustandes vollständig ent- bzw.
geladen, so ist es unerheblich, ob die Ladung schnell oder langsam auf die gesuchte
Kapazität übertragen wird; zur parasitären Kapazität wird die Ladung schneller
transportiert als zur gesuchten Kapazität, da im Elektrodenankoppelnetzwerk 16 der
zusätzliche Ankoppelwiderstand 15 angeordnet ist. Erfolgt keine vollständige Umla
dung, so wird unerwünschterweise der Einfluß der gesuchten Kapazität reduziert. Da
Q = C·U, ist die transportierte Ladungsmenge auch abhängig von der Spannung, auf
die die gesuchte Kapazität und die parasitäre Kapazität 34 aufgeladen wird. Weil
diese Spannung auch gleich der Spannung an der Speicherkapazität 3 ist, welche
wiederum eine Funktion des Ladestroms und der Ladezeit ist, stellt sich nach einer
Einschwingzeit ein Ladungsgleichgewicht ein. Die Ladungsmenge, die während der
gesamten Periodendauer über das Widerstandsnetzwerk 8 die Speicherkapazität 3
lädt, ist dann gleich der Ladungsmenge, die nur während des Ladezustandes an die
gesuchte Kapazität und die parasitäre Kapazität 34 abgeben wird. Da beide La
dungsmengen - die zufließende Ladungsmenge Q₁ als auch die abfließende La
dungsmenge Q₂ - von der Spannung abhängig sind, ist das Ladungsgleichgewicht als
Spannung an der Speicherkapazität 3 meßbar.
Unter der Voraussetzung, daß Q₁ = Q₂ ist, kann die Spannung an der Speicherkapazi
tät 3 demnach durch folgende Formel beschrieben werden:
mit
Ub = Versorgungsspannung der Spannungsquelle 4
RWN = ohmscher Widerstand des Widerstandsnetzwerkes 8,
f Frequenz des Taktgenerators,
Cm = gesuchte Kapazität und
Cp parasitäre Kapazität 34.
Ub = Versorgungsspannung der Spannungsquelle 4
RWN = ohmscher Widerstand des Widerstandsnetzwerkes 8,
f Frequenz des Taktgenerators,
Cm = gesuchte Kapazität und
Cp parasitäre Kapazität 34.
Die Speicherkapazität 3 geht nicht in diese Formel ein, da in ihr die Ladung lediglich
zwischengespeichert wird. Die Gleichspannung ist bereits recht gut geglättet
und kann nun einer Ausgangsstufe zugeführt werden.
Das größte Meßsignal als Gleichspannungshub in Abhängigkeit von einer kleinen
Kapazitätsänderung ergibt sich, wenn = Ub/2. D. h. der Arbeitspunkt der Schal
tungsanordnung wird mit dem ohmschen Widerstand des Widerstandsnetzwerkes 8
bei einer bestimmten Taktfrequenz im Optimalfall in der Nähe von = Ub/2. einge
stellt.
Der Referenzzweig 32 ist gleich aufgebaut und verhält sich gleich wie der Meßzweig
6. Er gibt eine gleich große Gleichspannung wie der Meßzweig 30 ab, so daß das mit
Hilfe der Ausgangsstufe 5 weiter verarbeitete Meßsignal jetzt eine Gleichspan
nungsdifferenz ist. Dies ist in der Regel für das spezifische Sensorverhalten der Schal
tungsanordnung, z. B. die Seitenempfindlichkeit, die Feuchtekompensation od. dgl.,
erforderlich, wobei die Sensorelektroden 29 natürlich so konstruiert und angekoppelt
werden müssen, daß die auswertbare Kapazitätsänderung zum Objekt sich nicht oder
nur wenig auf dem Referenzzweig 32 bemerkbar macht. Ansonsten würde auch das
Meßsignal wegkompensiert werden, da der Referenzzweig 32 ja gegensinnig wirkt
wie der Meßzweig 30. Außerdem können mit diesem Referenzzweig 32 die statistisch
und thermisch bedingten Störeinflüsse, wie Taktfrequenzdrift, Tastverhältnisdrift,
Drift der Versorgungsspannung, nicht ideale Eigenschaften der elektronischen Schal
ter od. dgl., unterdrückt werden, unter der Voraussetzung, daß diese sich in Polarität
und Betrag auf beiden Zweigen etwa gleich auswirken und daß die Gleichtaktunter
drückung der Ausgangsstufe 5 ausreichend hoch ist. Die restlichen thermisch beding
ten Störeinflüsse in den Widerstandsnetzwerken 8, 21 müssen mit Hilfe des Potentio
meters 14 kompensiert oder hingenommen werden.
Die nachgeschalteten Schutzwiderstände 17, 31 dienen sowohl im Meßzweig 30 als
auch im Referenzzweig 32 der Unterdrückung der Unterschiede hinsichtlich des La
dungstransportes des digitalen Steuersignales auf den Kanal der Umschaltkontakte 2,
19 während der Umschaltphase. Außerdem werden die nichtlinearen Restanteile der
Kanalwiderstände linearisiert. Die Schutzwiderstände 17, 31 bilden außerdem zusam
men mit den parasitären Kapazitäten 34, 35 einen Tiefpaß. Dies wird bei schnellen
Transienten wichtig, die in der Amplitude teilweise sehr hohe Werte besitzen können.
Damit würde wiederum das Meßsignal verfälscht werden. Außerdem läßt sich das
durch die Umschaltkontakte 2, 19 bedingte Temperaturverhalten durch Einfügen ei
nes niederohmigen Widerstandes in Form der Schutzwiderstände 17, 31 vor den
Speicherkapazitäten 3, 20 noch wesentlich verbessern.
Das Filternetzwerk 18 dient zur Ankopplung des Gleichspannungsdifferenzsignales
aus Meßzweig 30 und Referenzzweig 32 an die Ausgangsstufe 5. Es besteht im dar
gestellten Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung nach der ersten Lehre der
Erfindung aus einem line-to-line-Tiefpaß 36 und einem jeweils nachgeschalteten line
to-ground-Tiefpaß 37, 38. Dies ist für gute Störfestigkeitswerte unerläßlich, weil damit
eine effektive Abblockung des empfindlichen Einganges der Ausgangsstufe 5 gegen
hochfrequente Störeinstrahlung auf das Layout möglich ist. Weiterhin können damit
sehr kurzzeitige Störeinkopplungen, die trotz aller Maßnahmen noch die Eingangs
kanäle passieren, ausgesiebt werden. Ferner ist das Filternetzwerk 18 zur Einstellung
der maximalen Abtastfrequenz geeignet, mit der ein Objekt erfaßt werden soll.
Das Filternetzwerk 18 sollte für die Gleichspannung eine möglichst hohe Impedanz
gegen Masse bilden, weil sonst das Meßsignal unnötig geteilt wird. Der Durch
gangswiderstand sollte ca. 10 kΩ nicht überschreiten, da sonst layoutbedingte und
verstärkerbedingte Leckströme das Meßsignal wesentlich verfälschen können, be
sonders über den Temperaturbereich. Die Kondensatoren 39, 40 direkt an den Ein
gängen des einen Teil der Ausgangsstufe bildenden Operationsverstärkers 24 gegen
Masse sind aus den genannten störtechnischen Gründen fester Bestandteil der Schal
tungsanordnung, welche räumlich sehr eng an den Eingängen des Operationsver
stärkers 24 angeordnet sein sollten.
Die Ausgangsstufe 5 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Komparator ausge
führt. Der hierfür verwendete Operationsverstärker 24 muß hinsichtlich Eingangs
strom und Offsetdrift sehr gute Werte aufweisen (Eingangsstrom ca. < 2 nA, Offset
drift ca. < 10 µV/K). Da die maximale Objekt-Abtastfrequenz nun in der Regel unter
100 Hz liegt, muß die Ausgangsstufe 5 hinsichtlich der Geschwindigkeit keine erhöh
ten Anforderungen erfüllen. Eine niedrige slew-Rate oder, genauer gesagt, eine nied
rige Lehrlaufverstärkung bei Frequenzen um 50 Hz und kleinen Eingangsdifferenz
spannungen ist sogar sinnvoll zur Unterdrückung von niederfrequenten Störspan
nungen mit großer Amplitude, z. B. der Netzfrequenz mit 50 Hz.
Aus den genannten Anforderungen sollte der Operationsverstärker 24 nach heutigem
Stand der Technik vorzugsweise eine Eingangsbeschaltung in FET-Technik aufwei
sen. Da die Ausgangsstufe 5 nur niedrige Frequenzen zu verarbeiten hat, kann diese
in der Regel sogar an ihrem Ausgang abgeblockt werden, was weitere störtechnische
Vorteile bietet, falls der verwendete Verstärkertyp dies zuläßt. Auf jeden Fall sollte der
verwendete Operationsverstärker 24 eine Gleichtaktunterdrückung von < 50 dB be
sitzen, was allerdings bei einer Ausführung als Komparator kein ernsthaftes Problem
darstellt.
Die weitere Signalverarbeitung 27 verarbeitet nun das Ausgangssignal der Aus
gangsstufe 5 zur endgültigen Ausgangsfunktion des Gerätes und zählt genau ge
nommen nicht mehr zur Schaltungsanordnung zur Messung einer Kapazität. Bei Nä
herungsschaltern besteht dieser Schaltungsteil z. B. häufig aus einer Schmitt-Trigger-
Stufe mit Iniset-Funktion und einer Endstufenansteuerung z. B., kurzschlußfest. Eine
für die richtige Sensorfunktion meist erforderliche Schalthysterese kann von einer
Stufe der weiteren Signalverarbeitung 27 her erfolgen, wobei das digitale Schaltsi
gnal über einen Mitkopplungszweig 28 rückgekoppelt wird, so daß eine Mitkopp
lung entsteht. Bei Verwendung eines Analogverstärkers kann aus dem Schaltsignal
auch mit Hilfe eines Schmitt-Triggers eine Hysterese erzeugt werden.
In Fig. 2 der Zeichnung ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanord
nung gemäß der ersten Lehre der Erfindung dargestellt. In Fig. 2 sind die mit Fig. 1
der Zeichnung übereinstimmenden Bauteile mit den aus Fig. 1 bekannten Bezugszei
chen versehen.
Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in
Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung im we
sentlichen dadurch, daß bei dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel
eine Referenzkapazität 41 nicht von einer Abschirmelektrode der Meßelektrode eines
kapazitiven Näherungsschalters in Verbindung mit ihrer Umgebung gebildet wird,
sondern die Referenzkapazität 41 als feste, interne Kapazität in Form eines gängigen
Kondensators ausgebildet ist.
Außerdem wird aus der in Fig. 2 gewählten Darstellungsweise des zweiten Ausfüh
rungsbeispiels besonders deutlich, daß es sich bei der in den Ausführungsbeispielen
dargestellten Schaltungsanordnung um eine Brückenschaltung handelt.
In der bisherigen Beschreibung ist bereits teilweise auf die Dimensionierung der er
findungsgemäßen Schaltungsanordnung hingewiesen worden. Dies soll im weiteren
ergänzt werden.
Die maximale Frequenz, mit der bewegte Objekte noch erfaßt werden können, liegt
normalerweise für kapazitive Näherungssensoren - da die Vorgänge relativ langsam
sind - unter 100 Hz, im Extremfall können Frequenzen bis etwa 1 kHz gefordert sein.
Die Objekterfassungsfrequenz wird durch mehrere Faktoren limitiert. Die wesentli
chen sind die Taktfrequenz des Taktgenerators 1, die Größe der Speicherkapazität 3,
die Zeitkonstanten im Filternetzwerk 18, die slew-Rate bzw. Bandbreite der Aus
gangsstufe 5 und das Zeitverhalten der weiteren Signalverarbeitung 27.
Die Streuungen der Widerstände in den Widerstandsnetzwerken 8, 21 gehen mit in
das Meßsignal ein, können jedoch sehr klein gehalten werden, wenn für beide Wider
standsnetzwerke 8, 21 als größtmöglicher Anteil am Widerstandswert der gleiche Wi
derstand mit gleichem Wert und gleicher Bauart, Toleranz usw. vorgesehen wird, da
die Streuungen innerhalb einer Charge als sehr viel geringer angenommen werden
können als dies theoretisch möglich wäre. Der Gesamtwert der Widerstandsnetzwer
ke 8, 21 selbst bietet kaum Spielraum und ergibt sich im wesentlichen aus der Takt
frequenz des Taktgenerators 1 und den angeschlossenen Kapazitäten der gesuchten
und der parasitären Kapazität. Die Beziehung zwischen diesen Größen kann in erster
Näherung wie folgt beschrieben werden
Dies gilt für den Fall einer optimalen Einstellung des Arbeitspunktes einer erfin
dungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Die optimale Betriebsspannung ist im wesentlichen abhängig von der Funktionsfä
higkeit aller angeschlossenen aktiven Bauteile. Günstige Werte liegen zwischen 2,5 V
und 6 V. Bei kleinen Betriebsspannungen ist der Störabstand jedoch geringer. Au
ßerdem sind bei kleinen Betriebsspannungen die elektronischen Umschaltkontakte 2,
19, die im Optimalfall als CMOS-Bilateral-Schalter auf einem Chip angeordnet sind
und als Umschaltkontakte mit Unterbrechung (break-before-make) ausgebildet sind,
langsamer in Anstiegs- und Verzögerungszeiten, so daß die schlecht definierten Um
schaltphasen anteilig mehr Zeit benötigen. Weiterhin sind die realisierbaren Kanalwi
derstände höher, was störtechnisch ebenfalls ungünstig ist. Hinsichtlich der Betriebs
spannung ist zudem zu beachten, daß diese unter allen Betriebsbedingungen relativ
gut stabilisiert sein sollte, insbesondere sollte das Temperaturverhalten möglichst bes
ser als ±2% über dem Temperaturbereich sein.
Der Stromverbrauch der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist im wesentli
chen abhängig von der Taktfrequenz und der Größe der gesuchten Kapazität. Je ge
ringer die Anforderungen an die Präzision der erfindungsgemäßen Schaltungsanord
nung bei der Messung einer Kapazität sind, umso stärker läßt sich auch der Stromver
brauch einer derartigen Schaltungsanordnung reduzieren.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die Ausgangsstufe 5 vorzugsweise
für kapazitive Näherungsschalter und ähnliche Geräte, wie etwa Füllstandsüberwa
chungsgeräte oder Handtaster, mit binärer Ausgangsfunktion als, wie im ersten Aus
führungsbeispiel dargestellt, einfacher Komparator ausgeführt werden können. Die
Ausgangsstufe 5 kann aber auch aus mehreren Komparatoren, z. B. Fensterkompara
toren, bestehen um komplexe Ausgangsfunktionen, z. B. unsicherer Arbeitsbereich,
zu realisieren. Ferner kann die Ausgangsstufe 5 auch als Ladungsverstärker, Diffe
renzverstärker oder als AD-Wandler od. dgl. ausgeführt sein, um speziell analoge
Sensorfunktionen zu realisieren.
Claims (16)
1. Schaltungsanordnung zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung
eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes, mit einem Taktgenerator (1), einem
von dem Taktgenerator (1) gesteuerten Umschaltkontakt (2), einem Speicherkonden
sator (3), einer Spannungsquelle (4) und einer Auswertestufe (5), bei der eine Elek
trode (6) des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes mit dem Eingang (7) des
Umschaltkontaktes (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Aus
gang (9) des Umschaltkontaktes (2) mit einem Bezugspotential (10), der zweite Aus
gang (11) des Umschaltkontaktes (2) mit der ersten Elektrode des Speicherkondensa
tors (3), die erste Elektrode des Speicherkondensators (3) einerseits über ein Wider
standsnetzwerk (8) mit der Spannungsquelle (4) und andererseits mit der Auswerte
stufe (5) und die zweite Elektrode des Speicherkondensators (3) mit einem Be
zugspotential (10) verbunden sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfre
quenz des Taktgenerators (1) zwischen 1 und 4 MHz liegt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein
die Taktfrequenz des Taktgenerators (1) modulierender Frequenzmodulator (12) vor
gesehen ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Widerstandsnetzwerk (8) einstellbar ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Elektrode (6) des kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes und
dem Eingang (7) des Umschaltkontaktes (2) ein zumindest einen Ankoppelwider
stand (15) umfassendes Elektrodenankoppelnetzwerk (16) vorgesehen ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem zweiten Ausgang (11) des Umschaltkontaktes (2) und der ersten
Elektrode des Speicherkondensators (3) ein Schutzwiderstand (17) vorgesehen ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der ersten Elektrode des Speicherkondensators (3) und der Auswerte
stufe (5) ein Filternetzwerk (18) vorgesehen ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Referenzkondensator, ein zweiter Umschaltkontakt (19), ein zweiter Spei
cherkondensator (20) und ein zweites Widerstandsnetzwerk (21) vorgesehen sind,
der Referenzkondensator, der zweite Umschaltkontakt (19), der zweite Speicherkon
densator (20) und das zweite Widerstandsnetzwerk (21) in gleicher Weise miteinan
der verbunden sind, wie der Sensorkondensator, der erste Umschaltkontakt (2), der
erste Speicherkondensator (3) und das erste Widerstandsnetzwerk (8) miteinander
verbunden sind, und daß die erste Elektrode des zweiten Speicherkondensators (20)
mit der Auswertestufe (5) verbunden ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrode eines kapazitiven Näherungsschalters, im Zusammenwirken mit ei
nem Beeinflussungskörper, das kapazitive Schaltungs- oder Bauelement bildet.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Abschirmelektrode (22) des kapazitiven Näherungsschalters, in Verbindung mit der
Elektrode und einem Beeinflussungskörper, den Referenzkondensator bilden.
11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich
net, daß die Auswertestufe (5) als Komparator ausgebildet ist.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß
das Elektrodenankoppelnetzwerk (16) mit der Abschirmelektrode (22) und über ein
Abstimmungsnetzwerk (25) mit dem Taktgenerator (1) verbunden ist.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ab
stimmungsnetzwerk (25) ein Zeitverzögerungselement (26) aufweist.
14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeich
net, daß die Auswertestufe (5) im Sinne einer Mitkopplung mit dem zweiten Wider
standsnetzwerk (21) verbunden ist.
15. Verfahren zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines ka
pazitiven Schaltungs- oder Bauelementes, insbesondere mit Hilfe einer Schaltungsan
ordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das ka
pazitive Schaltungs- oder Bauelement mit Hilfe eines von einem Taktgenerator ge
steuerten Umschaltkontaktes periodisch abwechselnd geladen und entladen wird,
daß das kapazitive Schaltungs- oder Bauelement auf das Potential eines Speicher
kondensators geladen wird, daß das kapazitive Schaltungs- oder Bauelement auf ein
Bezugspotential entladen wird, daß der Speicherkondensator mit Hilfe einer Span
nungsquelle über ein Widerstandsnetzwerk nachgeladen wird und daß aus dem Po
tential des Speicherkondensators die Kapazität bzw. eine Kapazitätsänderung des
kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes mit Hilfe einer Auswertestufe bestimmt
wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzkonden
sator mit Hilfe eines von einem Taktgenerator gesteuerten Umschaltkontaktes peri
odisch abwechselnd geladen und entladen wird, daß der Referenzkondensator auf
das Potential eines zweiten Speicherkondensators geladen wird, daß der Referenz
kondensator auf ein Bezugspotential entladen wird, daß der zweite Speicherkonden
sator mit Hilfe einer Spannungsquelle über ein Widerstandsnetzwerk nachgeladen
wird und daß das Potential des ersten Speicherkondensators und das Potential des
zweiten Speicherkondensators einer vorzugsweise als Komparator ausgebildeten
Auswertestufe zugeführt wird.
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