DE2247972A1

DE2247972A1 - FILLING DEVICE FOR CAPACITY MATRIX

Info

Publication number: DE2247972A1
Application number: DE19722247972
Authority: DE
Inventors: William George Crouse
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-11-30
Filing date: 1972-09-29
Publication date: 1973-06-07
Also published as: JPS4864838A; JPS5437457B2; GB1363778A; FR2161969A1; FR2161969B1

Description

Böblingen, den 27. September 1972 gg-snBoeblingen, September 27, 1972 gg-sn

Anmelderin: International Business MachinesApplicant: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: RA 971 017Official file number: New registration File number of the applicant: RA 971 017

Abfühleinrichtung für KapazitätsmatrixSensing device for capacitance matrix

Die Erfindung betrifft eine Abfühleinrichtung für Kapazitätsmatrizen, mit in den Kreuzungspunkten durch variable Kapazitäten verbundenen Zeilen- und Spaltenleitungen und mit an die Zeilenbzw. Spaltenleitungen anschließbarer Signalquelle und an die Spalten- bzw. Zeilenleitungen anschließbaren Abfühlverstärkern. Kapazitätsmatrizen finden beispielsweise als Codiereinrichtungen und als Tastenfelder allgemein Anwendung.The invention relates to a sensing device for capacity matrices, with variable capacities in the crossing points connected row and column lines and with to the row or. Column lines connectable signal source and to the Sense amplifiers connectable to column or row lines. Capacity matrices are generally used, for example, as coding devices and as keypads.

Es sind verschiedene Typen von Wandlerelementen bekannt, die in einer Matrix angeordnet und zeilen- oder spaltenweise angesteuert und entsprechend zeilen- oder spaltenweise auf das Vorhandensein von Ausgangsimpulsen abgetastet werden. Jede Zeile und Spalte definiert einen gemeinsamen, bestimmten Kreuzungspunkt, in welchem ein durch Tasten oder Druckknopf betätigter Wandler angeordnet ist. Als Wandler dienen beispielsweise variable Widerstände, Transistoren, Induktanzen und eine Vielzahl von Feldeffekt- und optischen Elementen, die eine Signaländerung bewirken. Das allen diesen Wandlern, einschließlich den kapazitiven Wandlern, anhaftende Problem besteht darin, daß ein unvollkommenes Schalten oder eine unvollkommene Zustandsänderung übersprechen und Störinterferenzen in der Matrixanordnung bewirkt. Bei einem unvollkommenen Schalter als Wandler beispielsweise, ändert sich der übergangswiderstand beim Schalten von einem hohen auf einen niedrigen Wert, während bei einem perfekten Schalter derVarious types of transducer elements are known which are arranged in a matrix and controlled in rows or columns and accordingly scanned line by line or column by column for the presence of output pulses. Every row and column defines a common, specific intersection point in which a transducer operated by keys or pushbuttons is arranged is. Variable resistors, transistors, inductances and a variety of field effect and optical elements that cause a signal change. The problem inherent in all of these converters, including capacitive converters, is that an imperfect Switching or talking over an imperfect change in status and causes spurious interference in the matrix arrangement. In the case of an imperfect switch as a converter, for example, changes the contact resistance increases when switching from a high to a low value, while with a perfect switch the

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übergangswiderstand eindeutig und schnell von einem extrem hohen Wert auf einen verschwindend kleinen Wert verringert wird, übliche elektrische Kontakte kommen einem idealen Schalter ziemlich nahe, es haften ihnen aber eine Anzahl bekannter mechanischer und elektrischer Probleme an.contact resistance clearly and quickly from an extremely high Value is reduced to an infinitesimally small value, usual electrical contacts come pretty close to an ideal switch, but a number of known mechanical ones adhere to them and electrical problems.

übersprechen tritt auf, wenn an einem Kreuzungspunkt einer Matrix ein unvollkommener Schalter angeordnet ist. Bei Betätigung dieses unvollkommenen Schalters werden Spannungen aufgebaut und Reflexionen erzeugt, die bewirken, daß auch nicht selektierte Schaltwege in der Matrix Strom führen, obwohl sie eine höhere Impedanz aufweisen. Dieses Problem tritt dann besonders störend hervor, wenn Treiber- und Abfühlleitungen einer Matrix zeitverzahnt betrieben werden. Dabei werden beispielsweise die Spalten der Matrix über eine geeignete Verteilerschaltung mit Treiberimpulsen beaufschlagt, während gleichzeitig über eine weitere Verteilerschaltung die Zeilen mit geeigneten Abfüh!verstärkern verbunden werden. Es ist bekannt, daß übersprechen und Reflexionen erhöht auftreten, wenn die Eingangsimpedanz der Abfühlverstärker nicht 0 ist. Dieses Problem ist besonders akut bei Kapazitätsmatrizen, bei denen übersprechsignale mit einem Pegel von 10 % oder mehr des Treibersignals auftreten können, wenn typische Abfühlverstärker mit hoher Eingangsimpedanz verwendet werden. Bei Kapazitätsmatrizen ist man also bestrebt, die Eingangsimpedanz der Abfühlverstärker zu verringern. Es ergaben sich jedoch praktische Schwierigkeiten, die den Einsatz derartiger Verstärker verhinderten. In erster Linie wird durch Reduzierung der Eingangsimpedanz das meßbare Spannungssignal am Eingang des Verstärkers ebenfalls vermindert. Da die Matrizen insbesondere aus Platzersparnisgründen mit mög liehst kleinen, hohe Impedanzen aufweisenden Kapazitäten aufqebaut werden müssen, stehen bei den üblichen Frequenzen nur sehr geringe Ströme am Eingang des AbfühlVerstärkers zur Verfügung, und zwar unabhängig davon, ob dieser eine hohe oder eine niedrige Eingangsimpedanz aufweist. Als Abfühlverstärker für kapazitive Matrixanordnungen wurden bisher hochohmige Verstärker verwendet, da die abzufühlenden Kapazitäten eine hohe Impedanz aufweisen, nurCrosstalk occurs when at a crossing point of a matrix an imperfect switch is placed. When this imperfect switch is operated, tensions are built up and reflections are generated which have the effect that unselected switching paths in the matrix also carry current, although they have a higher impedance exhibit. This problem is particularly troublesome when the driver and sense lines of a matrix are operated in a time-interleaved manner will. For example, the columns of the matrix are supplied with driver pulses via a suitable distribution circuit, while at the same time the lines are connected to suitable sampling amplifiers via a further distribution circuit. It it is known that crosstalk and reflections are increased when the input impedance of the sense amplifiers is not zero. This The problem is particularly acute with capacitance matrices where crosstalk signals are at a level of 10% or more of the drive signal can occur when using typical high input impedance sense amplifiers. With capacity matrices one strives to reduce the input impedance of the sense amplifier to reduce. However, practical difficulties arose which prevented the use of such amplifiers. First Line becomes measurable by reducing the input impedance Voltage signal at the input of the amplifier is also reduced. Since the matrices are possible, especially for reasons of space saving built up small, high impedance capacities have to be, with the usual frequencies only very low currents are available at the input of the sensing amplifier, namely regardless of whether it has a high or a low input impedance. As a sensing amplifier for capacitive matrix arrangements high impedance amplifiers have been used since the capacitances to be sensed have a high impedance, only

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geringen Strom liefern und somit nur ein schwaches Spannungssignal am Verstärkereingang hervorrufen, wenn dieser nicht hochohmig ausgebildet ist.deliver low current and thus only cause a weak voltage signal at the amplifier input, if this is not high-resistance is trained.

Niedrige Signalspannungen sind außerordentlich schwierig zu trennen und von externen Störspannungeh abzuschirmen. Außerdem verstärken die im System selbst auftretenden elektrischen Störspannungen dieses Problem. Da die erforderlichen hohen Eingangsimpedanzen der Abfühlverstärker zur Erzielung eines ausreichenden Spannungssignals erforderlich sind, müssen die Verstärker in unmittelbarer Nähe der abzufühlenden Kapazitäten angeordnet sein, da zusätzliche Kapazitäten durch abgeschirmte Verbindungskabel nicht zusätzlich zu verkraften sind. Das bedeutet, daß bei praktischen Anwendungen für jede abzuführende Kapazität ein in unmittelbarer Nähe angeordneter gesonderter Verstärker vorzusehen ist. Der damit verbundene Aufwand ist nicht zu vertreten.Low signal voltages are extremely difficult to separate and shield from external interference voltages. aside from that amplify the electrical interference voltages occurring in the system itself this problem. Since the required high input impedances of the sense amplifier to achieve a sufficient Voltage signal are required, the amplifier must be in the immediate Be arranged close to the capacitances to be sensed, as additional capacitances are provided by shielded connecting cables are not additionally manageable. This means that in practical applications an in separate amplifiers are to be provided in the immediate vicinity. The effort involved is not responsible.

Ein weiteres mit kapazitiven Wandlern verbundenes Problem besteht darin, daß sie dazu neigen, das ihnen zugeführte Treibersignal zu differenzieren. Das bedeutet, daß eine mit einem Rechteckimpuls beaufschlagte Kapazität am Ausgang zwei entgegengesetzt gerichtete Spannungsspitzen erzeugt. Die Dauer dieser Spitzen entspricht der Übergangszeit des Rechteckimpulses von 0 zu seiner maximalen Amplitude. Da bei den meisten digitalen Einrichtungen diese Übergangszeit außerordentlich kurz ist, sind auch die resultierenden Spannungsspitzen sehr kurz. Derartig kurze Signale in Verbindung mit ihrer geringen Amplitude erschweren das Abfühlen der Übergänge außerordentlich. Ein Weg zur Umgehung dieses Problems bestand in der Vergangenheit darin, daß spezielle Signale mit bestimmte Anstiegsflanken erzeugenden, Generatoren verwendet wurden. Derartige Generatoren sind aber komplizierter und aufwendiger als iroderne digitale Schaltungen und sie sind außerdem für Fehler anfälliger. Digitale Schaltungen können Rechtecksignale bei minimalen Kosten und hoher Zuverlässigkeit erzeugen. Die Übergangszeiten dieser Signale sind außerordentlich kurz. Das bedeutet, daß die (i:: oii den differenzierenden Effekt bei kanazitiven MatrixelementenAnother problem associated with capacitive transducers exists in that they tend to differentiate the drive signal applied to them. That means that one with a square pulse applied capacitance generates two oppositely directed voltage peaks at the output. The duration of these peaks corresponds to the transition time of the square pulse from 0 to its maximum amplitude. As with most digital facilities This transition time is extremely short, the resulting voltage peaks are also very short. Such short signals in connection with their low amplitude make it extremely difficult to sense the transitions. One way to work around this problem In the past, generators were used to generate special signals with certain leading edges. Such generators are more complicated and expensive than modern digital circuits and they are also more prone to failure. Digital circuits can generate square wave signals with minimal cost and high reliability. The transition times these signals are extremely short. That means that the (i :: oii the differentiating effect in canacitive matrix elements

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entstehenden Stromspitzen außerordentlich kurz sind und die bereits angedeuteten Abfüh!Schwierigkeiten mit sich bringen.resulting current peaks are extremely short and bring the already indicated Abfüh! difficulties with them.

Wie bereits ausgeführt, sind Abschirmungen der Zuführungsleitungen zwar wünschenswert, aber deswegen nicht möglich, da sie zusätzliche Kapazitäten und damit eine weitere Verminderung der Signalpegel am Eingang des Abfühlverstärkers hervorrufen.As already stated, the supply lines are shielded Although desirable, it is not possible because they have additional capacities and thus a further reduction in the signal level at the input of the sense amplifier.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, die beschriebenen Probleme und Mängel der bekannten Abfühleinrichtungen für Kapazitätsmatrizen zu beseitigen. Insbesondere soll das übersprechen und das Auftreten von Störspannungen reduziert werden.The object on which the invention is based is that which has been described Problems and shortcomings of the known capacitance matrix sensing devices to eliminate. In particular, crosstalk and the occurrence of interference voltages should be reduced.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die die Kapazitätsänderungen der variablen Kapazitäten abfühlenden Verstärker im Vergleich zur Impedanz der Kapazitäten selbst eine geringe Eingangsimpedanz aufweisende Stromverstärker sind. Insbesondere besteht die Abfüh!einrichtung darin, daß zwischen Ausgang und Eingang des Abfühlverstärkers eine Gegenkopplungskapazität angeordnet ist, die größer als die abzufühlenden Kapazitäten ist.According to the invention, this object is achieved in that the Changes in capacitance of the variable capacitance-sensing amplifier compared to the impedance of the capacitance itself are current amplifiers having low input impedance. In particular the Abfüh !einrichtung is that between output and input of the sense amplifier a negative feedback capacitance is arranged, which is greater than the capacities to be sensed.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel besteht darin, daß die Signalquelle über eine Verteilerschaltung und die Abfühlverstärker über eine Verteilerschaltung an die Spalten bzw. Zeilen angeschlossen sind. In einem speziellen, vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist für jede Zeile bzw. Spalte ein Abfühlverstärker vorgesehen. An advantageous embodiment is that the signal source via a distribution circuit and the sense amplifier are connected to the columns or rows via a distribution circuit. In a special, advantageous embodiment, a sense amplifier is provided for each row or column.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:Further details of the invention emerge from the following Description of the embodiments shown in the drawing. Show it:

Fig. 1 eine Kapazitätsmatrix mit den erforderlichen An-Fig. 1 shows a capacity matrix with the required

steuenmgsschaltungen und der erfindungsgeiväßen AIj füll 3 einrichtung,control circuits and the inventive AIj fill 3 facility,

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Fig. 2 die Schaltung einer Zeile bzw. Spalte derFig. 2 shows the circuit of a row or column of the

Kapazitätsmatrix in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen, niederohmigen Abfühlverstärker,Capacity matrix in connection with an inventive, low-resistance sensing amplifier,

Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abfühlverstärkers,Fig. 3 shows a preferred embodiment of the invention Sense amplifier,

Fig. 4 Signalverlaufe am Eingang eines erfindungsgemäßen Verstärkers, wenn der Kapazitätsmatrix rechteckförmige Signalimpulse zugeführt werden undFig. 4 waveforms at the input of an inventive Amplifier when square-wave signal pulses are fed to the capacitance matrix and

Fig. 5 die aufgrund von Rechtecksignalimpulsen von derFig. 5 due to square-wave signal pulses from the

erfindungsgemäßen Abfüh!einrichtung gelieferten Ausgangssignalimpulse.Abfüh! device according to the invention supplied Output signal pulses.

Es· sei zunächst Bezug auf die Fig. 1 genommen. Hier ist ein typischer Anwendungsfall für eine erfindungsgemäße Abfüh!einrichtung dargestellt. Eine Signalquelle 1 liefert eine Impulsfolge an eine Verteilerschaltung 2. Die Verteilerschaltung 2 führt die Signale den einzelnen Spalten einer Kapazitätsmatrix 3 zu. Die Verteilerschaltung 2 kann beispielsweise aus einem Schrittschaltwerk oder aus einer Reihe von Torschaltungen bestehen. Die Zeilen der Kapazitätsmatrix sind mit einer Abfühlsignal-Verteilerschaltung 4 verbunden, die der Verteilerschaltung 2 entsprechen kann» Wie dargestellt, werden über die Abfühlsignal-Verteilerschaltung 4 die einzelnen Zeilen der Kapazitätsmatrix mit jeweils einem zugeordneten Abfühlverstärker 5 verbunden. Das heißt, jeder Verstärker 5 ist jeweils einer ganzen Zeile zugeordnet, und die Signale der Signalquelle 1 ,werden jeweils einer Spalte der Kapazitätsmatrix 3 zugeführt. Die Kapazitätsmatrix enthält m χ η kapazitive Elemente 7. Jede Spaltenleitung ist über einen Lastwiderstand P_f mit Masse verbunden, so daß aufgrund eines Ausgangssignals der Verteilerschaltung 2· sämtlichen Kapazitäten einer bestimmten Spalte ein Spannungssignal zugeführt wird. Die Ausgänge der Verstärker 5 sind an einen gemeinsamen Ausgang 6 ge-Reference is first made to FIG. A typical application for a discharge device according to the invention is shown here. A signal source 1 supplies a pulse sequence to a distribution circuit 2. The distribution circuit 2 feeds the signals to the individual columns of a capacitance matrix 3. The distribution circuit 2 can for example consist of a stepping mechanism or a series of gate circuits. The lines of the capacitance matrix are connected to a sensing signal distribution circuit 4, which can correspond to the distribution circuit 2. As shown, the individual lines of the capacitance matrix are each connected to an associated sensing amplifier 5 via the sensing signal distribution circuit 4. That is, each amplifier 5 is assigned to a whole row, and the signals from the signal source 1 are each fed to a column of the capacitance matrix 3. The capacitance matrix contains m χ η capacitive elements 7. Each column line is connected _{to ground via a load resistor P f} , so that a voltage signal is fed to all capacities of a specific column on the basis of an output signal from the distribution circuit 2. The outputs of the amplifiers 5 are connected to a common output 6

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führt. Wird von einem der Verstärker eine Kapazitätsänderung abgefühlt, wird im Ausgang 6 ein Ausgangssignal erzeugt, das an eine nicht dargestellte Auswerteeinrichtung weitergeleitet wird.leads. If a change in capacitance is sensed by one of the amplifiers, an output signal is generated in output 6, which is on an evaluation device, not shown, is forwarded.

Die kapazitiven Elemente oder Wandler 7 können beliebige veränderliche Kapazitäten sein, beispielsweise solche, wie sie in Tastenfeldern Verwendung finden. Typische Kapazitätswerte im Bereich von 2 bis IO pF treten dabei auf. Die erfindungsgemäße Abfüh!einrichtung gestattet bereits die Feststellung von Kapazitätsänderungen in der Größenordnung von einem pF. Die erforderliche niedrige Eingangsimpedanz der Verstärker wird dadurch sichergestellt, daß Gegenkopplungskapazitäten 8 vorgesehen sind.The capacitive elements or transducers 7 can be any variable Be capacities, such as those used in keypads. Typical capacitance values in A range from 2 to 10 pF occur. The inventive Abfüh !einrichtung already allows the determination of capacity changes in the order of magnitude of one pF. The required low input impedance of the amplifier is ensured, that negative feedback capacitances 8 are provided.

In Fig. 2 ist ein einzelner Verstärker in Verbindung mit einer Reihe mit C. bis C bezeichneter kapazitiver Elemente 7 herausgezeichnet. Das bedeutet also, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils eines dieser kapazitiven Elemente über die Verteilerschaltung 2 mit einem rechteckförmigen Signal beaufschlagt wird. Mit dem einen Pol sind diese kapazitiven Elemente zu einem gemeinsamen Eingang 10 des Verstärkers 5 geführt, der, wie bereits ausgeführt, mit einer Gegenkopplungskapazität 8 ausgestattet ist. Diese Gegenkopplungskapazität sei bei der nachstehenden Betrachtung mit C bezeichnet. Das jeweils einem kapazitiven Element 7 züge-In Fig. 2, a single amplifier is in communication with a Row of capacitive elements 7 labeled C to C drawn out. This means that at a certain point in time one of these capacitive elements is via the distribution circuit 2 is applied with a square-wave signal. With one pole these capacitive elements are common Input 10 of the amplifier 5, which, as already stated, is equipped with a negative feedback capacitance 8. This negative feedback capacitance is assumed in the following consideration denoted by C. Each one of the capacitive elements 7 pulls

führte Signal ist mit V. bezeichnet. Das Ausgangssignal des Verstärkers für die Bezeichnung V . Ist die Eingangsimpedanz des gegengekoppelten Verstärkers niedrig, so ist die absolute Höhe der Amplitude der Ausgangsspannung V etwa gleich der absoluten Höhe der Amplitude der Eingangsspannung V, multipliziert mit dem Verhältnis der abzuführenden Kapazität C zu der Gegenkopplungskapazität C_f.led signal is marked with V. The output of the amplifier for the designation V. If the input impedance of the negative feedback amplifier is low, the absolute magnitude of the amplitude of the output voltage V is approximately equal to the absolute magnitude of the amplitude of the input voltage V, multiplied by the ratio of the capacitance C to be dissipated to the negative feedback capacitance C _f .

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ab fühlverstärkers im einzelnen dargestellt. Die angeschlossenen ab zu EUh leriden Kapazitäten 7 weisen eine Platte D auf, der die S i gna Le ζuge f Ulir t werden . Λußerdem wα i seη sie e ine P I at. te P a u £ , über die die Kapazitätsänderungen in Form einer Stromänderung ab-In Fig. 3, an embodiment of a sense amplifier from the invention is shown in detail. The connected from to EUh leriden capacities 7 have a plate D, which the S i gna Le ζ uge for Ulir t. In addition, it wα i seη a PI at. Te P au £, over which the changes in capacitance decrease in the form of a change in current.

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gefühlt und dem Eingang 10 des Transistors 13 zugeführt werden. Die kapazitive Kopplung zwischen den beiden Platten D und P kann über eine bewegbare Platte 12 verändert werden. Auf diese Weise erhält man bei Kapazitätsänderungen eine entsprechende Änderung des durch den Transistor 13 fließenden Stromes. Die gestrichelt angedeutete Kapazität 9 (C ) nach Masse stellt die Ersatzkapazität der Abschirmung der Abfüh!leitungen dar.felt and fed to the input 10 of the transistor 13. The capacitive coupling between the two plates D and P can be changed via a movable plate 12. To this Way you get a corresponding change in capacity Change in the current flowing through transistor 13. The dashed line capacitance 9 (C) to ground represents the Equivalent capacitance of the shielding of the discharge lines.

Der Kollektorausgang des Transistors 13 mit dem Lastwiderstand 14 ist auf"die Basis eines Transistors 15 geführt, an dessen Kollektor 16 die Ausgangsspannung des Verstärkers abgenommen wird. Der Gegenkopplungskondensator 8 verbindet den Emitter des Transistors 15 mit der Basis des Transistors 13, die über die Widerstände 17, 18 und 19, wobei der Widerstand 18 durch eine Kapazität C_T nach Masse überbrückt ist, ihre Vorspannung erhält. Die Kapazität, C_R ist groß genug gewählt, um die gewählten Signalfrequenzen abzuleiten. Der Verstärker weist nicht nur eine niedrige Eingangsimpedanz auf, sondern besitzt auch eine hohe Grenzfrequenz, liefert ein verstärktes Ausgangssignal und ist für die Verarbeitung digitaler Signalverlaufe geeignet.The collector output of the transistor 13 with the load resistor 14 is connected to the base of a transistor 15, at whose collector 16 the output voltage of the amplifier is taken 17, 18 and 19, with the resistor 18 being _{bridged to ground by a capacitance C T.} The capacitance, C _R is selected to be large enough to derive the selected signal frequencies. The amplifier not only has a low input impedance, It also has a high cut-off frequency, provides an amplified output signal and is suitable for processing digital signal curves.

Der Fig. 4 sind die Auswirkungen zu entnehmen, die eintreten, ' wenn der Reihenschaltung einer Kapazität und eines relativ kleinen Widerstandes ein rechteckförmiges Signal zugeführt wird. Der kleine Widerstand ist der Ersatzwiderstand für die niedrige Eingangsimpedanz des Verstärkers. In etwas übertriebener Form ist dargestellt, daß der Rechteckimpuls in einen Impuls mit endlichen Anstiegs- und Abfallzeiten umgewandelt wird. Der Strom I durchFig. 4 shows the effects that occur, ' when the series connection of a capacitance and a relatively small one Resistance a square-wave signal is supplied. Of the small resistance is the equivalent resistance for the low input impedance of the amplifier. Is in a somewhat exaggerated form shows that the square pulse is converted into a pulse with finite rise and fall times. The current I through

die Kapazität C erzeugt zwei entgegengesetzt gerichtete Stromimpulse, deren Dauer der Anstiegs- und Abfallzeit des Spannungsimpulses entspricht. In entsprechender Weise ist die an den Widerstand R abfallende Spannung eine Funktion des Stromes I und s athe capacitance C generates two oppositely directed current pulses, whose duration corresponds to the rise and fall time of the voltage pulse. In a corresponding way is the one to the resistor R falling voltage is a function of the current I and s a

zeigt denselben Verlauf. Die Anstiegs zeiten typischer Impuls-Generatoren liegen in der Größenordnung von 100 Nanosekunden und liefern die beiden dargestellten Strom- und Spannungsimpulse. Die /amplitude dieser ' ig-^ale hängt von zwei Faktoren ab. Die Amplitudeshows the same course. The rise times of typical pulse generators are on the order of 100 nanoseconds and deliver the two current and voltage pulses shown. the / amplitude of these 'ig- ^ ale depends on two factors. The amplitude

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des Stromes hängt von der Impedanz der Kapazität ab und liegt bei einer Kapazität von 2 pF und einer Spannung von 6 Volt in derof the current depends on the impedance of the capacitance and has a capacitance of 2 pF and a voltage of 6 volts in the

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Größe von 1,2 χ 10 A. Diese Stromamplitude ist umgekehrt proportional der Anstiegszeit des Rechteckimpulses. Wird dieser Strom einem geeigneten Widerstand von beispielsweise 10 Ohm aufgedrückt, so wird eine Spannung von 1,2 χ 10~ Volt erzeugt. Wie bereits ausgeführt, weisen diese Strom- und Spannungsimpulse keine sonderlich geringe Amplitude auf, sie haben aber eine sehr kurze Dauer und können daher leicht durch Störsignale überdeckt werden. Zur Lösung dieses Problems wird bei bekannten Abfüh!einrichtungen eine hohe Eingangsimpedanz vorgesehen, so daß Spannungssignale größerer Amplitude erzeugt werden. Außerdem wurden Signale größerer Übergangszeiten und größerer Dauer verwendet. Dieses Vorgehen hat jedoch, wie bereits diskutiert, zu anderen, größeren Problemen geführt. Die erfindungsgemäße Abfüh!einrichtung liefert Ausgangssignale, deren Form weitgehend der Form der Eingangssignale folgt. Dies ist auf den integrierenden Effekt der kapazitiven Gegenkopplung zurückzuführen. Außerdem entspricht die Dauer der Ausgangssignale weitgehend der Dauer der Eingangssignale und ist weit größer als die Dauer der am Verstärkereingang auftretenden Spannungs- und Stromimpulse gemäß Fig. 4. Auch wenn eine Signalquelle mit Signalen unterschiedlicher Anstiegs- und Abfallzeiten verwendet wird, ist der Einfluß auf die Amplitude der Äusgangsspannung V vernachlässigbar; wie durch die gestrichelten Linien angedeutet, wird dabei lediglich der Zeitpunkt verschoben, zu dem die Spitzenamplitude erreicht wird. Ohne die Verwendung des integrierenden Verstärkers würde mit kürzer werdenden Anstiegsund Abfallzeiten die Dauer der Spannungs- und Stromsignale am Eingang des Verstärkers außerordentlich verkürzt werden, was durch die gestrichelten Linien in Fig. 5 angedeutet ist. Eine siühero Abfühlung wäre dann außerordentlich schwierig.Size of 1.2 χ 10 A. This current amplitude is inversely proportional the rise time of the square pulse. If this current is applied to a suitable resistance of, for example, 10 ohms, in this way a voltage of 1.2 10 ~ volts is generated. As already stated, these current and voltage pulses do not have any have a particularly low amplitude, but they have a very short duration and can therefore easily be masked by interfering signals. To solve this problem, known discharge devices a high input impedance is provided so that voltage signals greater amplitude can be generated. In addition, signals of greater transition times and duration were used. This approach has however, as discussed earlier, it led to other, larger problems. The discharge device according to the invention supplies output signals whose shape largely follows the shape of the input signals. This is due to the integrating effect of the capacitive negative feedback traced back. In addition, the duration of the output signals largely corresponds to the duration of the input signals and is far greater than the duration of the voltage and current pulses occurring at the amplifier input according to FIG. 4. Even if a signal source is used with signals of different rise and fall times, the influence on the amplitude of the output voltage V negligible; as indicated by the dashed lines, only the point in time is shifted the peak amplitude is reached. Without the use of the integrating amplifier, the rise and fall would become shorter Fall times the duration of the voltage and current signals at the input of the amplifier can be extremely shortened, which is due to the dashed lines in Fig. 5 is indicated. A siühero Sensing it would then be extremely difficult.

Die Betriebsweise der crfindungsgemäßen Abfüh!einrichtung ergibt sich aus der Schallung nach Fig. 3 und den Signalverlaufen nadi den Fign. 4 und 5. Die rechteck formieren iJingangssignale können von einer unaufwendigen Signälquelle noli.dort werden. Die lOinThe mode of operation of the discharge device according to the invention results from the sound according to FIG. 3 and the signal curves nadi the FIGS. 4 and 5. The square-shaped input signals can from an inexpensive signal source noli.d there. The lOin

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und die Amplitude der Ausgangssignale hängen in erster Linie von dem mit im Absolutwert der Eingangsspannung multiplizierten Verhältnis von Kapazität in dem Kopplungspunkt der Matrix zu der Gegenkopplungskapazxtät ab. Die Ausgangssignale sind weitgehend unabhängig von den Anstiegszeiten und der Frequenz. Von den einzelnen Kapazitäten verursachte Spannungs- und Stromschwankungen werden lediglich als KapazitätsSchwankung abgefühlt. Die am Eingang des Verstärkers anstehenden Spannungspegel sind infolge der Gegenkopplung außerordentlich gering, und können unter Umständen nicht einmal feststellbar.sein. Diese Tatsache hat jedoch keinen Einfluß auf den Stromfluß. Da die Spannungssignale am Eingang des Verstärkers so schwach sind, können zusätzliche, durch eine gute Abschirmung der Abfüllleitung bewirkte Kapazitäten in Kauf genommen werden. Durch diese Abschirmung der Abfühlleitungen werden äußere Störeinflüsse weitgehend vermieden, ohne daß der Verstärker dadurch in seiner Arbeitsweise wesentlich beeinträchtigt werden würde. Die zusätzliche Kapazität bleibt ohne Einfluß, da der Spannungspegel am Eingang des Verstärkers bereits bedeutungslos gering ist. Als Ergebnis kann festgehalten werden, daß die erfindungsgemäße Abfühleinrichtung in der Lage ist, Kapazitätsänderungen in der Größenordnung von einem Pf abfühlbar sind und zwar bei Verwendung vorhandener kapazitiver Elemente und Auftreten von Signalpegeln, die bisher unüblich waren oder die sich nicht von den auftretenden Störspannungen unterscheiden ließen. Durch die Verwendung eines Verstärkers mit niedriger Eingangsimpedanz wird die anstehende Spannung abgebaut, so daß störendes über~ sprechen und Rückkopplungsprobleme in der Matrixanordnung vermieden werden können. Die erfindungsgemäße Abfühleinrichtung läßt sich mit unaufwendigen digitalen Schaltkreisen verwirklichen» Die Möglichkeit, durch gute Abschirmungen große Kapazitäten zuzulassen., ohne daß dabei andere Störeffekte auftreten würden, bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß die Verstärker auch in größerer Entfernung von der Kapazitätsmatrix angeordnet sein können, Diese Möglichkeit führt andererseits wieder dazu, daß durch Anwendung einer zeitverzahnten Technik ein einzelner Verstärker für eine Vielzahl abzufühlender kapazitiver Elemente eingesetzt werden kann,and the amplitude of the output signals depend primarily on the ratio multiplied by the absolute value of the input voltage from capacitance in the coupling point of the matrix to the negative feedback capacitance. The output signals are largely regardless of the rise times and the frequency. Of the voltage and current fluctuations caused by individual capacities are only sensed as a fluctuation in capacity. The one at the entrance The voltage levels present in the amplifier are extremely low as a result of the negative feedback and can under certain circumstances not even detectable. However, this fact has no influence on the current flow. Since the voltage signals at the input of the Amplifiers are so weak, additional capacities caused by good shielding of the filling line can be accepted will. This shielding the sensing lines are external interference is largely avoided without the amplifier being significantly impaired in its operation would. The additional capacitance has no effect, since the voltage level at the input of the amplifier is already meaningless is low. As a result, it can be stated that the invention Sensing device is capable of capacitance changes in the order of magnitude of one Pf and can be sensed while using existing capacitive elements and occurrences of signal levels that were previously unusual or that could not be distinguished from the interference voltages that occur. By the use of an amplifier with a low input impedance reduces the voltage present, so that disturbing over ~ speak and avoid feedback problems in the matrix arrangement can be. The sensing device according to the invention can be implemented with inexpensive digital circuits Possibility to allow large capacities through good shielding., without that other interfering effects would occur, has the further advantage that the amplifier also in larger Distance from the capacity matrix can be arranged, on the other hand, this possibility again leads to the fact that by application a time-interleaved technique, a single amplifier can be used for a large number of capacitive elements to be sensed,

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Claims

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Sensing device for capacitance matrix with row and column lines connected by variable capacitances at the crossing points and with a signal source that can be connected to the row or column lines and to the column or column lines. Row lines connectable sensing amplifiers, characterized in that the amplifiers (5) sensing the changes in capacitance of the variable capacitances (7) are current amplifiers with a low input impedance compared to the impedance of the capacitances themselves,

Sensing device according to Claim 1, characterized in that that between the output and input of the sensing amplifier (5) a negative feedback capacitance (8) is arranged which is greater than the capacitance (7) to be sensed.

Sensing device according to Claims 1 and 2, characterized in that that the signal source (1) via a distribution circuit (2) and that the sense amplifier (5) via a distribution circuit (4) are connected to the columns or rows.

Sensing device according to Claims 1 to 3, characterized in that that a sensing amplifier (5) is provided for each row or column.

RA 971 017

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