WO2007122123A2 - Verfahren und schaltungsanordnung zum messen einer kapazität - Google Patents

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WO2007122123A2
WO2007122123A2 PCT/EP2007/053655 EP2007053655W WO2007122123A2 WO 2007122123 A2 WO2007122123 A2 WO 2007122123A2 EP 2007053655 W EP2007053655 W EP 2007053655W WO 2007122123 A2 WO2007122123 A2 WO 2007122123A2
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Franz-Josef Weber
Martin Witte
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Huf Hülsbeck & Fürst Gmbh & Co. Kg
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring a capacitance, where a voltage applied across the capacitor voltage e ⁇ nem input of an evaluation circuit is supplied, and the capacitance is determined from a voltage end value after a discharge of the capacitance from a predetermined initial voltage for a predetermined time period over a given resistance.
  • the invention further relates to a circuit arrangement for measuring a capacitance according to such a method.
  • Object of the invention is to provide an inexpensive and reli ⁇ casual possibility of a capacitance measurement for a capacitive proximity sensor.
  • the invention is based on the aforementioned basic principle of determining ⁇ a capacity on the basis of a voltage measurement after a predetermined discharge time.
  • the invention is further based on the knowledge that a
  • Voltage across the capacitance sensing evaluation circuit does not need to measure exactly over the entire interval of the voltages occurring across the capacitance, but that in a small subinterval, which is referred to here as the measuring interval, the most accurate possible voltage measurement neces ⁇ sary, this Measuring interval is chosen so that the voltage end, after a discharge of the capacity is reached starting from an initial voltage over a predetermined resistance for a predetermined period of time, must be in the measurement interval.
  • a voltage applied across the capacitor voltage is fed to an input of an evaluation circuit, wherein the evaluation circuit is designed so that, if these are located in a measuring interval which can detect with a pre give ⁇ NEN accuracy input voltages.
  • the capacitance is first charged to a predetermined starting voltage which exceeds a multiple of an upper limit of the measuring interval. Then, the capacity is discharged a specified differently bene time period over a predetermined resistance, whereby the voltage across the capacitance reaches a value dependent on the magnitude of the capacitance final voltage value, the resistance and the time interval are chosen so that the final voltage value in the measurement interval is , Finally, the voltage end value is detected by the evaluation circuit and the capacitance is determined from the voltage end value.
  • the capacity is determined from the voltage end value, for example by looking up in a table or by calculation according to the formula mentioned at the outset.
  • Essential ⁇ for the invention is that the evaluation circuit can detect the input voltage only in this measurement interval with the specified accuracy. If the input voltage is above or below the measurement interval, the Ausenseschal ⁇ may tung the input voltage with a significantly lower accuracy detect or only determine that it is above the upper limit or below the lower limit of the measurement interval.
  • Essence of the invention is thus an evaluation circuit with a "motion function," such that the input voltage is not detected more in the entire range of all possible input voltage values with approximately the same accuracy, but the ge ⁇ precise detection of the input voltage to a sub-interval (measurement interval) is restricted.
  • the method according to the invention is particularly advantageous when it is not the absolute value of the capacitance but only the relative change in capacitance that is to be detected. In this case, neither a precise knowledge of the resistance value or the initial voltage nor an exact setting of a time interval is required; these values need only be kept constant from measurement to measurement. Only the most accurate possible determination of the various voltage end values in the measuring interval is required.
  • the initial voltage, the resistance value and the predetermined time duration that the final voltage values to be expected for all ⁇ the capacitance values of the changing capacity in the measurement interval are then chosen.
  • the present across the capacitance voltage to an input is supplied to an amplifier as a component of the evaluation ⁇ circuit, the input voltage of the amplifier when it is in the measurement interval, is amplified by at least the factor. 2
  • the final voltage value by at least a factor of 2 is amplified and the amplified clamping ⁇ detected voltage end value.
  • the amplifier is overdriven, ie the off ⁇ output voltage of the amplifier (not by the specific value of the input voltage dependent) takes a maximum value.
  • the voltage end value is amplified, for example by means of an operational amplifier, by a factor between 10 and 1000, preferably between 10 and 50. For this purpose, a relatively inexpensive operational amplifier is sufficient.
  • the amplified final voltage value is then detected shape by means of an analog-to-digital conversion, a digital full scale generated and the generated digital end value is stored.
  • an analog-to-digital converter with a non-linear sensitivity could be used such that it only converts voltages in the measurement interval with a high resolution, while voltage values outside of Meßinter ⁇ valls be implemented with a low resolution in digital values.
  • the voltage across the capacitance is maintained after reaching the voltage end value for a second predetermined period of time, currency ⁇ rend the voltage end value is detected. This allows for a relatively slow operational amplifier and analog-to-digital converter and further reduces the cost of the circuit.
  • the charging is performed on the starting voltage, the discharging across the resistor and the holding of the voltage by alternately connecting and disconnecting a node connected to the terminal of the capacitor with a voltage source or a ground potential, wherein the connecting and decoupling by means of Switches is executed, which are controlled by a control device.
  • the switches are preferably electronic switches and the controller preferably comprises a microprocessor or microcontroller.
  • the predetermined time period is determined by a processor (a microprocessor or microcontroller) in response to a clock signal.
  • a processor a microprocessor or microcontroller
  • the temporal constancy of this clock signal is achieved for example by using a quartz oscillator for clock generation.
  • the method according to the invention can thus be carried out with a relatively simple circuit arrangement which, in addition to a few resistor components, comprises a low-cost operational amplifier and a microcontroller with an analog-to-digital converter input.
  • a terminal of the capacitor is capacitor connected to an input node of an evaluation circuit and the other terminal of the capacitor with a reference potential (for example, ground potential).
  • the evaluation circuit is designed such that it detects an input voltage, provided that it lies within a measuring interval, with a predetermined accuracy and generates a corresponding output value (the output value can be, for example, an output voltage or an output digital value or code that matches the voltage).
  • a first switching device can be the input node at a constant voltage potential (for example, the positive power supply potential which is at least in ⁇ nergur the order of several measurement intervals remains constant) connect.
  • a second switching device may couple a resistance of a predetermined magnitude (eg, a precision resistor device) between the input node and the reference potential.
  • a control means is coupled, which controls the switching means such that (a) connects the input node to the constant voltage potential, where ⁇ produces an output value at the evaluating circuit, which, when the input node on the constant voltage potential, assumes an extreme value (maximum value or minimum value), (b) then the resistance between the input node and the reference potential (ground, for example) coupled to a pre- ⁇ passed period of time, so that the voltage Zvi ⁇ rule to the input node and the reference potential falls to a lying in the measuring interval end value, and (c) then the input node of the reference potential and the constant voltage potential decoupled (high impedance) is that the voltage is maintained at the final value, wherein the evaluation ⁇ circuit generates an output value, the proportional to the final value.
  • the output of the evaluation circuit is coupled to means for storing the output value and determining an associated capacitance value.
  • This device could for example be a microcontroller.
  • the circuit arrangement is characterized in that the evaluation circuit comprises an operational amplifier and a to the output of the operational amplifier oppel ⁇ th analog-to-digital converter, wherein the analog to digital converter generates the output value.
  • the input node may be connected to the inverting input of the operational amplifier.
  • the operational amplifier has, for example, a gain between 2 and 1000, preferably between 10 and 50.
  • the input node of the evaluation circuit via a parallel connection of the resistor of predetermined size and a switching diode with an output terminal of a Con ⁇ troller (microcontroller) connected.
  • the output terminal of the controller may be at the reference potential (ground, logic low level) or the constant voltage potential (supply voltage, logic high level) or high impedance.
  • the first switching ⁇ device of the switching diode and the controller and the second switching device is formed by the controller alone.
  • the first switching means is turned “on”, ie verbin ⁇ det the input node to the constant voltage potential when the controller output terminal is at logic high level and the switching diode is thus switched through in the forward direction.
  • the second switching means is turned “on” and connects the Input node above the resistor with the reference potential (ground) when the output of the controller is at a low level (ground, for example).
  • Figure 1 is a schematic circuit diagram of the circuit arrangement according to the invention.
  • Figures 2A and 2B are exemplary voltage waveforms of the voltage across the capacitance and the voltage at the output of an operational amplifier.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a circuit arrangement according to the invention for determining a capacitance.
  • the capacitance to be determined is composed of the sum of a circuit capacitor 1 and a (in Figure 1 with dashed leads shown) "interference capacitor" 2.
  • the circuit capacitor 1 is an integral part of the circuit and designed so that its capacity under the anticipated Conversely ⁇ environmental conditions as constant as possible is.
  • stray capacitor 2 capacity is the capacity which has an electrode of a capacitive An Inc.ssen ⁇ sors respect to the ground.
  • This capacity depends ei ⁇ neschreib of the structural design of the capacitive sensor (area of the electrode spacing ⁇ share the electrode to Massebau, surrounding dielectric) and on the other hand an approaching from the proximity and size of the electrode and with Mas ⁇ se capacitively and / or resistively coupled object (for example, the hand of a user).
  • the Heidelbergsan ⁇ arrangement shown is primarily used to detect changes in capacitance 2 and to track andprooflei an operator from these changes a statement about the approach of the hand ⁇ th.
  • the design of an electrode assembly of such a capacitive proximity sensor and the function (example ⁇ wise in the arrangement in motor vehicle door handles) are known and will not be described in detail here.
  • each terminal of the capacitances is 1.2 connected to ground 3 as the reference potential, while the other terminal of the capacitor 1 and the Kapa ⁇ activity 2 coupled to an input node 4 of the designated as evaluation circuit for determining the capacitance is.
  • the evaluation circuit is a contained in the illustrated embodiment in Figure 1 essentially by an Operations ⁇ amplifier 5 and a microcontroller 6 Analog-to-digital converter 7 formed.
  • the input node 4 is in this case connected to the non-inverting input 8 of the operational amplifier 5.
  • the output 9 of the operational amplifier is connected to an input terminal 10 of the microcontroller 6, wherein the input terminal 10 is connected to the input of the analog-to-digital converter 7.
  • the output 9 of the operational amplifier 5 is coupled to the inverting input 13 of the operational amplifier 5 and ground 3 via a resistor network comprising the resistors 11 and 12.
  • the gain of the Operati ⁇ onsverEntrs is provides to a value between 10 and 50 turned ⁇ so that the magnitude of the output voltage at output 9 of 10 to 50 times the voltage on the input node 4.
  • the microcontroller 6 includes, in addition to the analog-to-digital converter 7, a number of other circuit components including a processor, a RAM, a ROM, and other input and output circuits such as analog-to-digital converters, digital-to-analog converters, and driver circuits - grasp.
  • the voltage supply of the microcontroller is symbolically represented by the terminal 14, to which the voltage U 0 is applied.
  • An ⁇ circuit 15 is shown.
  • the microcontroller can have a number of other supply voltage and ground connections and can also be supplied with several different supply voltages.
  • the microcontroller 6 has an output terminal 16 which can assume three states.
  • the voltage U can be output at it is 0, it can be grounded, and it can be switched to high impedance (ie len ofcertainspotentia ⁇ and be decoupled mass).
  • With the help of Steueraus ⁇ gear terminal 16 of the microcontroller 6 controls the measurement sequence described in more detail below, by placing the potential of the terminal 16 from ⁇ transition to fixed time points within a measurement sequence to the voltage U 0 or to ground, or is switched to high impedance.
  • the measuring sequences including the control of the output terminal 16 and the processing tion of the output signals of the analog-to-digital converter 7 are controlled by a program contained in the microcontroller.
  • the output terminal 16 is connected to a control node 17 of the measuring circuit, which in turn is coupled via a parallel circuit of a discharge resistor 18 and a switching diode 19 to the input node 4.
  • the switching diode 19 is poled so that it passes only a current flow from the control knot ⁇ 17 to the input node 4.
  • the microcontroller 6 controls the following measurement sequence.
  • the output ⁇ connection 16 is set to the voltage U 0 . This voltage is stabilized and largely constant over time.
  • the parallel connection of the capacitors ⁇ is Ci + C 2 via the diode 19 quickly to the voltage U 0 charged, which occurs after a short time on the input node. 4
  • the output terminal 16 is jumped to ground potential.
  • the Kondensa ⁇ gates 1 and 2 are discharged via the discharge resistor 18 exponentially with the aforementioned time constant, there is on the input node 4, the following voltage curve:
  • the voltage Uo applied to the inverting input 8 of the operational amplifier 5 is so high that the operational amplifier is overdriven. He remains overridden until the clamping ⁇ voltage on the input node 4 exponentially dropped to a value which ent of the upper limit of a measurement interval ⁇ speaks.
  • the output 9 remains at a maximum voltage value.
  • the output terminal is switched to high impedance 16, so that the presence at this time to the input node 4 voltage substantially (ie parasitic discharges apart) gehal- th is. Also, the control node 17 is then at this voltage potential.
  • the predetermined time period T is chosen so that the presence of the end of the time duration to the input node 4 voltage in the entire range of expected changes in capacitance of the capacitance 2 in a measurement interval of the operational amplifier 5, but still not near zero ge ⁇ has been. This means that the time period T is selected is that (play then when the user's hand is at ⁇ directly on the electrode of the capacitive sensor) at the highest expected capacity, the clamping ⁇ voltage just below the upper limit of the measurement interval has dropped, the operational amplifier just ie no longer overridden is. On the other hand, the time period T is not too large ge ⁇ chooses to obtain a measurable voltage at the lowest expected capacity.
  • the analog-to-digital converter 7 samples the voltage on the output 9 of the operational amplifier. With the gain values set above, this voltage is approximately 10 to 50 times the voltage on the input node 4. With known gain, the digital value output by the analog-to-digital converter may be that present at the input node 4 at the end of the time interval T. Voltage and from this (with knowledge of the voltage Uo and the resistor R) the capacitance Ci + C 2 are determined according to the formula mentioned above.
  • the exact values of the gain, the voltage Uo, the resistance R and the time interval T are unknown and also of minor interest, since the microcontroller only the relative (percentage) change in the capacitance C 2 over time to determine.
  • the above-described measurement sequence is cyclically repeated several times.
  • the peri ⁇ dically output from the analog-to-digital converter digital values are stored and processed, that is compared and from this the relative change in capacitance calculated net.
  • the relative capacitance changes are typically in the lower percent or even per thousand range. Correspondingly low and the changes in the self-adjusting at the end of the time interval T measuring voltages on the input is node 4.
  • the circuit arrangement now makes use of the fact that only those established at the end of the Zeitin ⁇ tervalls T voltage, but not all disputes during the measuring cycle on the input node 4 resulting voltages must be measured accurately. On the basis of this, the voltage resulting at the end of the interval T is greatly amplified (by a factor of 10 to 50 or more) with the aid of the amplifier 5, and on the other hand, it is assumed that the operational amplifier 5 optimized for the amplification of this range is located all over Input voltage range is overridden.
  • the input node voltage to a voltage of the initial path 9 is not relevant for the establishment, measurement. It only needs to be ensured that in the range of all expected capacity changes which results at the end of the interval T measuring voltage in the measuring interval of the operation ⁇ amplifier 5 is located.
  • the accuracy of the measuring arrangement can be improved by minimizing parasitic current flows and increasing the temporal constancy of the voltage U 0 and the resistance R. This and an ideal behavior of Operations ⁇ amplifier 5 allow a relatively long discharge time T, wel ⁇ che in a relatively low voltage at the end of the programmable time valls leads. Then a relatively small measurement interval at ei ⁇ nem operational amplifier with a relatively large gain is possible.
  • FIGS. 2A and 2B show experimentally detected voltage profiles, the waveforms labeled A representing the voltage on the input node 4, the waveforms labeled B the voltage at the output 9 of the operational amplifier and the waveforms labeled C a binary test output signal of the microcontroller 6 tions for status Informa ⁇ .
  • Figure 2B differs from Figure 2A only in that in Figure 2A for the course A, a voltage scale was selected, which allows a complete representation of the curve A, while in Figure 2B for the courses A and B, the same voltage scale was selected, which voltage value respectively the vertical distance between two horizontal ge ⁇ dotted lines corresponds, can be seen from the channel information shown under the respective diagram (Ch2, Ch3, Ch4).
  • the height of a box formed by the dotted lines corresponds to a voltage of 1.00 V for the curve A, to a voltage of 500 mV for the curve B and to a voltage of 5.00 V for the curve C.
  • 2B corresponds to the height of a box for the curves A and B of a voltage of 500 mV and for the curve C of a voltage of 5 V.
  • the horizontal distance between two vertical dot lines corresponds to a period of 20.0 ⁇ s.
  • a circuit capacitor 1 of about 2OpF and a discharge resistance of about 560 k ⁇ were used, resulting in a time constant ⁇ of wa et ⁇ yielded 13 microseconds.
  • the parasitic capacitor 2 has a capacitance of about 1% of the circuit capacitor 1, ie about 0.2 pF.
  • alternative exporting ⁇ are approximate shape imaginable. For example, needs from the digital output of the analog-to-digital converter the associated KAPA capacity not to be calculated, it can speed to increase the Ge ⁇ be looked up in a look-up table is created based on previously measured values. Moreover, it is not necessary for detection of a relative change in capacitance, un ⁇ indirectly convert the output digital values of the analog-to-digital converter 7 in capacitance values; the voltage values can be directly compared and further processed.
  • additional circuit elements may be included. For example, the terminal of the capacitor 1 not connected to the input node 4 does not need to be connected directly to ground 3; it can for example be coupled to a ⁇ a resistor. As already stated, a resistor in series with the diode 19 can also be switched on.

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Abstract

Zum Messen einer Kapazität wird eine über der Kapazität anliegende Spannung einer Auswerteschaltung zugeführt. Die Auswerteschaltung ist so ausgebildet, daß sie Eingangsspannungen, sofern diese in einem Meßintervall liegen, mit einer vorgegebenen Genauigkeit erfassen kann. Die Kapazität wird zunächst auf eine ein Mehrfaches einer Obergrenze des Meßintervalls übersteigende Anfangsspannung aufgeladen, dann über einen vorgegebenen Widerstand eine vorgegebene Zeitdauer entladen, wodurch die Spannung einen von der Kapazität abhängigen Spannungsendwert erreicht. Dabei werden der Widerstand und das Zeitintervall so gewählt, daß der Spannungsendwert in dem Meßintervall liegt. Dann wird der Spannungsendwert erfaßt und aus dem Spannungsendwert die Kapazität bestimmt. Bei einer Schaltungsanordnung zum Messen der Kapazität eines Kondensators ist ein Anschluß des Kondensators (2) mit einem Eingangsknoten (4) der Auswerteschaltung und der andere Anschluß mit einem Bezugspotential (3) verbunden. Eine erste Schalteinrichtung kann den Eingangsknoten mit einem konstanten Spannungspotential verbinden. Eine zweite Schalteinrichtung kann einen Widerstand (18) vorgegebener Größe zwischen dem Eingangsknoten und dem Bezugspotential einkoppeln. Eine Steuereinrichtung (6) steuert die beiden Schalteinrichtungen derart an, daß der Eingangsknoten mit dem konstanten Spannungspotential verbunden wird, wobei die Auswerteschaltung einen Ausgangswert erzeugt, der dann, wenn der Eingangsknoten auf dem konstanten Spannungspotential liegt, einen Extremwert annimmt, dann der Widerstand zwischen dem Eingangsknoten und dem Bezugspotential für eine vorgegebene Zeitdauer eingekoppelt wird, so daß die Spannung zwischen dem Eingangsknoten und dem Bezugspotential auf einen in dem Meßintervall liegenden Endwert abfällt, und dann der Eingangsknoten von dem Bezugspotential und dem konstanten Spannungspotential derart entkoppelt wird, daß die Spannung auf dem Endwert gehalten wird, wobei die Auswerteschaltung einen zu dem Endwert proportionalen Ausgangswert erzeugt. Der Ausgang der Auswerteschaltung ist mit einer Einrichtung zum Speichern des Ausgangswerts und zum Bestimmen eines zugehörigen Kapazitätswerts gekoppelt.

Description

PATENTANWÄLTE ZENZ ■ HELBER ■ HOSBACH & PARTNER ■ HUYSSENALLEE 58-64 ■ D-451 28 ESSEN
H 41 9 WO S-AD
Verfahren und Schaltungsanordnung zum Messen einer
Kapazität
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer Kapazität, wobei eine über der Kapazität anliegende Spannung ei¬ nem Eingang einer Auswerteschaltung zugeführt wird und wobei die Kapazität aus einem Spannungsendwert bestimmt wird, der sich nach einem Entladen der Kapazität von einer vorgegebenen Anfangsspannung für eine vorgegebene Zeitdauer über einen vorgegebenen Widerstand ergibt. Ferner betrifft die Erfindung ei¬ ne Schaltungsanordnung zum Messen einer Kapazität nach einem solchen Verfahren.
Wenn eine auf einen vorgegebenen Spannungswert aufgeladene Kapazität (beispielsweise eines Kondensators) über einen Wi¬ derstand entladen wird, so fällt die Spannung ausgehend von dem Anfangswert exponentiell ab nach der Formel:
U(t)=U0-e~^,
wobei U0 die Anfangsspannung, R der Wert des Widerstands und C die Kapazität (des Kondensators) ist. Wenn nach einem vorgegebenen Zeitintervall T nach Beginn der Entladung über dem Kondensator eine Spannung Umeß gemessen würde, so könnte aus den Werten von Umeß, T, U0 und R die Kapazität bestimmt werden nach der Formel:
C = --In
R Umieß
Eine Bestimmung der Kapazität unter Verwendung dieser Formel wäre beispielsweise möglich, wenn die Werte von U0 und R möglichst exakt vorgegeben werden könnten und eine möglichst genaue Messung von Umeß zu einem möglichst exakt festgelegten Zeitpunkt T erfolgen könnte. Bekannte Schaltungsanordnungen zum Bestimmen der Kapazität auf diese Weise sind jedoch entwe¬ der schaltungstechnisch sehr aufwendig (und teuer) oder aufgrund einer Vielzahl von Störeinflüssen relativ ungenau. Die Anforderungen an die Genauigkeit sind dann geringer, wenn nicht die Kapazität selbst, sondern nur eine relative Än¬ derung der Kapazität über eine vorgegebene Zeitdauer ermittelt werden soll. In diesem Fall ist die genaue Kenntnis der Werte von Uo und R nicht erforderlich; diese Werte müssen nur über die bestimmte Zeitdauer konstant gehalten werden. Auch ist die exakte Dauer des Zeitintervalls T von untergeordneter Bedeu¬ tung; es muß nur bei jeder Messung möglichst die gleiche Zeit¬ dauer zwischen dem Beginn des Entladens und dem MeßZeitpunkt vergehen. Lediglich eine möglichst genaue Messung der Spannung Umeß ist in einem solchen Fall erforderlich.
Ein Anwendungsbeispiel, bei dem weniger die Bestimmung der absoluten Kapazität als vielmehr die Bestimmung der relativen Kapazitätsänderung gewünscht wird, sind kapazitive Annähe¬ rungssensoren zur Erfassung der Annäherung eines Bedienerkör- perteils an einen Türgriff eines Kraftfahrzeugs.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine preiswerte und zuver¬ lässige Möglichkeit einer Kapazitätsmessung für einen kapazitiven Annäherungssensor zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Die Erfindung geht aus von dem eingangs genannten Grund¬ prinzip der Bestimmung einer Kapazität auf der Grundlage einer Spannungsmessung nach einer vorgegebenen Entladezeit. Der Er- findung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, daß eine die
Spannung über der Kapazität erfassende Auswerteschaltung nicht über dem gesamten Intervall der über der Kapazität auftretenden Spannungen exakt zu messen braucht, sondern daß lediglich in einem kleinen Teilintervall, das hier als Meßintervall be- zeichnet wird, eine möglichst genaue Spannungsmessung erfor¬ derlich ist, wobei dieses Meßintervall so gewählt wird, daß der Spannungsendwert, der nach einem Entladen der Kapazität ausgehend von einer Anfangsspannung über einen vorgegebenen Widerstand für eine vorgegebene Zeitdauer erreicht wird, in dem Meßintervall liegen muß.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen einer Kapa- zität wird eine über der Kapazität anliegende Spannung einem Eingang einer Auswerteschaltung zugeführt, wobei die Auswerteschaltung so ausgebildet ist, daß sie Eingangsspannungen, sofern diese in einem Meßintervall liegen, mit einer vorgegebe¬ nen Genauigkeit erfassen kann. Die Kapazität wird zunächst auf eine vorgegebene Anfangsspannung, die ein Mehrfaches einer O- bergrenze des Meßintervalls übersteigt, aufgeladen. Dann wird die Kapazität über einen vorgegebenen Widerstand eine vorgege¬ bene Zeitdauer entladen, wodurch die Spannung über der Kapazität einen von der Größe der Kapazität abhängigen Spannungsend- wert erreicht, wobei der Widerstand und das Zeitintervall so gewählt werden, daß der Spannungsendwert in dem Meßintervall liegt. Schließlich wird der Spannungsendwert von der Auswerte¬ schaltung erfaßt und aus dem Spannungsendwert die Kapazität bestimmt. Die Kapazität wird aus dem Spannungsendwert bei- spielsweise durch Nachschlagen in einer Tabelle oder durch Berechnung nach der eingangs genannten Formel bestimmt. Wesent¬ lich für die Erfindung ist, daß die Auswerteschaltung die Eingangsspannung nur in diesem Meßintervall mit der vorgegebenen Genauigkeit erfassen kann. Liegt die Eingangsspannung oberhalb oder unterhalb des Meßintervalls, so darf die Auswerteschal¬ tung die Eingangsspannung nur mit einer deutlich geringeren Genauigkeit erfassen oder lediglich feststellen, daß sie über der Obergrenze oder unter der Untergrenze des Meßintervalls liegt. Kern der Erfindung ist somit eine Auswerteschaltung mit einer „Lupenfunktion" derart, daß die Eingangsspannung nicht mehr im gesamten Bereich aller möglichen Eingangsspannungswerte mit etwa gleicher Genauigkeit erfaßt wird, sondern die ge¬ naue Erfassung der Eingangsspannung auf ein Teilintervall (Meßintervall) beschränkt wird. Dies ermöglicht mit einer relativ einfachen Auswerteschaltung eine relativ hohe Genauigkeit der Erfassung des Spannungsendwerts. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren dann, wenn nicht der Absolutwert der Kapazität sondern nur die relative Kapazitätsänderung erfaßt werden soll. In diesem Fall ist weder eine präzise Kenntnis des Widerstandswerts oder der Anfangsspannung noch eine exakte Einstellung eines Zeitintervalls erforderlich; diese Werte brauchen lediglich von Messung zu Messung konstant gehalten zu werden. Es ist lediglich eine möglichst genaue Bestimmung der verschiedenen Spannungsendwerte in dem Meßintervall erforderlich. Die Anfangsspannung, der Widerstandswert und die vorgegebene Zeitdauer werden dann so gewählt, daß die Spannungsendwerte für sämtliche zu erwarten¬ den Kapazitätswerte der sich ändernden Kapazität in dem Meßintervall liegen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemä- ßen Verfahrens wird die über der Kapazität anliegende Spannung einem Eingang eines Verstärkers als Bestandteil der Auswerte¬ schaltung zugeführt, wobei die Eingangsspannung des Verstärkers dann, wenn sie im Meßintervall liegt, um wenigstens den Faktor 2 verstärkt wird. Somit wird der Spannungsendwert um wenigstens den Faktor 2 verstärkt und der verstärkte Span¬ nungsendwert erfaßt. Bei Eingangsspannungen oberhalb des Me߬ intervalls wird der Verstärker übersteuert, d. h. die Aus¬ gangsspannung des Verstärkers nimmt einen (nicht mehr von dem konkreten Wert der Eingangsspannung abhängigen) Maximalwert an. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die Begriffe „oberhalb des Meßintervalls" oder „Maximalwert" bei negativer Polung gegebenenfalls durch die äquivalenten Begriffe „unterhalb des Meßintervalls" und „Minimalwert" zu ersetzen sind o- der daß die Begriffe so zu interpretieren sind, daß sie unab- hängig vom Vorzeichen für die Absolutwerte der Spannungen gelten. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Spannungsendwert beispielsweise mittels eines Operationsverstärkers um einen Faktor zwischen 10 und 1000, vorzugsweise zwischen 10 und 50, verstärkt. Hierzu ist ein relativ preiswerter Operati- onsverstärker ausreichend. Bei einer bevorzugten Ausführungs¬ form wird dann der verstärkte Spannungsendwert erfaßt, indem mittels einer Analog-Digital-Umsetzung ein digitaler Endwert erzeugt und der erzeugte digitale Endwert gespeichert wird. Bei alternativen Ausführungsformen könnte anstelle der Kombination eines Operationsverstärkers mit einem Analog-Digital- Umsetzer auch ein Analog-Digital-Umsetzer mit einer nichtli- nearen Empfindlichkeit derart eingesetzt werden, daß dieser lediglich Spannungen in dem Meßintervall mit einer hohen Auflösung umsetzt, während Spannungswerte außerhalb des Meßinter¬ valls mit einer geringen Auflösung in Digitalwerte umgesetzt werden . Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Spannung über der Kapazität nach Erreichen des Spannungsendwerts für eine zweite vorgegebene Zeitdauer gehalten, wäh¬ rend der Spannungsendwert erfaßt wird. Dies gestattet einen relativ langsamen Operationsverstärker und Analog-Digital- Umsetzer und verringert die Kosten der Schaltung weiter.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Aufladen auf die Anfangsspannung, das Entladen über den Widerstand und das Halten der Spannung durch abwechselndes Verbinden und Entkoppeln eines mit dem Anschluß des Kondensators verbundenen Knotens mit einer Spannungsquelle oder einem Massepotential ausgeführt, wobei das Verbinden und Entkoppeln mit Hilfe von Schaltern ausgeführt wird, die von einer Steuereinrichtung gesteuert werden. Die Schalter sind vorzugsweise elektronische Schalter und die Steuereinrichtung umfaßt vorzugsweise einen Mikroprozessor oder MikroController.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung wird die vorgegebene Zeitdauer von einem Prozessor (einem Mikroprozessor oder Mi- krocontroller) in Abhängigkeit von einem Taktsignal bestimmt. Die zeitliche Konstanz dieses Taktsignals wird beispielsweise durch Einsatz eines Quarzoszillators für die Takterzeugung erreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit mit einer relativ einfachen Schaltungsanordnung ausgeführt werden, die neben wenigen Widerstandsbauelementen einen preiswerten Operationsverstärker und einen MikroController mit einem Analog- Digital-Umsetzer-Eingang umfaßt.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Messen einer Kapazität eines Kondensators ist ein Anschluß des Kon- densators mit einem Eingangsknoten einer Auswerteschaltung verbunden und der andere Anschluß des Kondensators mit einem Bezugspotential (beispielsweise Massepotential) . Wie bereits zu dem Verfahren ausgeführt, ist die Auswerteschaltung so aus- gebildet, daß sie eine Eingangsspannung, sofern diese in einem Meßintervall liegt, mit einer vorgegebenen Genauigkeit erfaßt und einen entsprechenden Ausgangswert erzeugt (der Ausgangs¬ wert kann beispielsweise eine Ausgangsspannung oder auch ein Ausgangsdigitalwert oder Code sein, der der Spannung ent- spricht) . Eine erste Schalteinrichtung kann den Eingangsknoten mit einem konstanten Spannungspotential (beispielsweise dem positiven Spannungsversorgungspotential, welches zumindest in¬ nerhalb der Größenordnung einiger Meßintervalle konstant bleibt) verbinden. Eine zweite Schalteinrichtung kann einen Widerstand vorgegebener Größe (z. B. ein Präzisionswiderstandsbauelement) zwischen dem Eingangsknoten und dem Bezugspotential einkoppeln. Mit der ersten und der zweiten Schalteinrichtung ist eine Steuereinrichtung gekoppelt, welche die Schalteinrichtungen derart ansteuert, daß (a) der Eingangskno- ten mit dem konstanten Spannungspotential verbunden wird, wo¬ bei die Auswerteschaltung einen Ausgangswert erzeugt, der dann, wenn der Eingangsknoten auf dem konstanten Spannungspotential liegt, einen Extremwert (Maximalwert oder Minimalwert) annimmt, (b) dann der Widerstand zwischen dem Eingangsknoten und dem Bezugspotential (Masse beispielsweise) für eine vorge¬ gebene Zeitdauer eingekoppelt wird, so daß die Spannung zwi¬ schen dem Eingangsknoten und dem Bezugspotential auf einen in dem Meßintervall liegenden Endwert abfällt, und (c) dann der Eingangsknoten von dem Bezugspotential und dem konstanten Spannungspotential derart entkoppelt (hochohmig) wird, daß die Spannung auf dem Endwert gehalten wird, wobei die Auswerte¬ schaltung einen Ausgangswert erzeugt, der proportional zu dem Endwert ist. Der Ausgang der Auswerteschaltung ist mit einer Einrichtung zum Speichern des Ausgangswerts und Bestimmen ei- nes zugehörigen Kapazitätswerts gekoppelt. Diese Einrichtung könnte beispielsweise ein MikroController sein. Vorzugsweise ist die Schaltungsanordnung dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen Operationsverstärker und einen mit dem Ausgang des Operationsverstärkers gekoppel¬ ten Analog-Digital-Umsetzer aufweist, wobei der Analog- Digital-Umsetzer den Ausgangswert erzeugt. Der Eingangsknoten kann mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden sein. Der Operationsverstärker hat beispielsweise eine Verstärkung zwischen 2 und 1000, vorzugsweise zwischen 10 und 50. Bei einer bevorzugten, einfachen Ausgestaltung der Schaltungsanordnung ist der Eingangsknoten der Auswerteschaltung über eine Parallelschaltung des Widerstands vorgegebener Größe und einer Schaltdiode mit einem Ausgangsanschluß eines Con¬ trollers (MikroControllers) verbunden. Der Ausgangsanschluß des Controllers kann auf dem Bezugspotential (Masse; logisch niedriger Pegel) oder dem konstanten Spannungspotential (Versorgungsspannung, logisch hoher Pegel) liegen oder hochohmig sein. Somit wird bei dieser Ausführungsform die erste Schalt¬ einrichtung von der Schaltdiode und dem Controller und die zweite Schalteinrichtung von dem Controller allein gebildet. Die erste Schalteinrichtung ist „eingeschaltet", d. h. verbin¬ det den Eingangsknoten mit dem konstanten Spannungspotential, wenn der Ausgangsanschluß des Controllers auf logisch hohem Pegel liegt und die Schaltdiode somit in Durchlaßrichtung ge- schaltet ist. Die zweite Schalteinrichtung ist „eingeschaltet" und verbindet den Eingangsknoten über dem Widerstand mit dem Bezugspotential (Masse) , wenn der Ausgang des Controllers sich auf niedrigem Pegel (Masse beispielsweise) befindet.
Vorteilhafte und/oder bevorzugte Weiterbildungen der Er- findung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 ein schematisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; und Figuren 2A und 2B beispielhafte Spannungsverläufe der Spannung über der Kapazität und der Spannung am Ausgang eines Operationsverstärkers .
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfin- dungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Bestimmen einer Kapazität. Die zu bestimmende Kapazität setzt sich zusammen aus der Summe eines Schaltungskondensators 1 und eines (in Figur 1 mit gestrichelten Zuleitungen dargestellten) „Störkondensators" 2. Bei der bevorzugten Anwendung der Schaltungsanordnung für ei- nen kapazitiven Annäherungssensor ist der Schaltungskondensator 1 fester Bestandteil der Schaltungsanordnung und so ausgebildet, daß seine Kapazität unter den zu erwartenden Umge¬ bungsbedingungen möglichst konstant ist. Bei der als „Störkondensator" bezeichneten Kapazität 2 handelt es sich um die Ka- pazität, die eine Elektrode eines kapazitiven Annäherungssen¬ sors gegenüber der Masse aufweist. Diese Kapazität hängt ei¬ nerseits von der konstruktiven Gestaltung des kapazitiven Sensors (Fläche der Elektrode, Abstand der Elektrode zu Massebau¬ teilen, umgebendes Dielektrikum) und andererseits von der Nähe und Größe eines sich an die Elektrode annähernden und mit Mas¬ se kapazitiv und/oder resistiv gekoppelten Objekts (beispielsweise der Hand eines Benutzers) ab. Die gezeigte Schaltungsan¬ ordnung dient hauptsächlich dazu, die Änderungen der Kapazität 2 zu erfassen und zu verfolgen und aus diesen Änderungen eine Aussage über die Annäherung der Hand eines Bedieners abzulei¬ ten. Die Gestaltung einer Elektrodenanordnung eines solchen kapazitiven Annäherungssensors sowie die Funktion (beispiels¬ weise bei der Anordnung in Kraftfahrzeugtürgriffen) sind bekannt und sollen hier nicht näher beschrieben werden. Wie in Figur 1 dargestellt, ist jeweils ein Anschluß der Kapazitäten 1,2 mit Masse 3 als Bezugspotential verbunden, während der andere Anschluß des Kondensators 1 bzw. der Kapa¬ zität 2 mit einem Eingangsknoten 4 der als Auswerteschaltung bezeichneten Schaltung zum Bestimmen der Kapazität gekoppelt ist. Die Auswerteschaltung wird bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen von einem Operations¬ verstärker 5 und einem in einem MikroController 6 enthaltenen Analog-Digital-Umsetzer 7 gebildet. Der Eingangsknoten 4 ist hierbei mit dem nicht-invertierenden Eingang 8 des Operationsverstärkers 5 verbunden. Der Ausgang 9 des Operationsverstärkers ist mit einem Eingangsanschluß 10 des MikroControllers 6 verbunden, wobei der Eingangsanschluß 10 mit dem Eingang des Analog-Digital-Umsetzers 7 verbunden ist. Zur Einstellung der gewünschten Verstärkung ist der Ausgang 9 des Operationsverstärkers 5 über ein Widerstandsnetzwerk aus den Widerständen 11 und 12 mit dem invertierenden Eingang 13 des Operationsver- stärkers 5 und Masse 3 gekoppelt. Die Verstärkung des Operati¬ onsverstärkers wird auf einen Wert zwischen 10 und 50 einge¬ stellt, so daß der Betrag der Ausgangsspannung am Ausgang 9 das 10- bis 50-fache der Spannung auf dem Eingangsknoten 4 beträgt . Der MikroController 6 enthält neben dem Analog-Digital- Umsetzer 7 eine Reihe weiterer Schaltungskomponenten, die einen Prozessor, einen RAM, einen ROM und weitere Eingangs- und Ausgangsschaltungen, wie beispielsweise Analog-Digital- Umsetzer, Digital-Analog-Umsetzer und Treiberschaltungen, um- fassen. Die Spannungsversorgung des MikroControllers ist symbolisch durch den Anschluß 14 dargestellt, an den die Spannung U0 angelegt ist. Daneben ist ein mit Masse 3 gekoppelter An¬ schluß 15 gezeigt. Selbstverständlich kann der MikroController eine Reihe weiterer Versorgungsspannungs- und Masseanschlüsse aufweisen und kann auch mit mehreren verschiedenen Versorgungsspannungen versorgt werden.
Der MikroController 6 weist einen Ausgangsanschluß 16 auf, der drei Zustände annehmen kann. An ihm kann die Spannung U0 ausgegeben werden, er kann auf Masse gelegt werden, und er kann hochohmig geschaltet werden (d.h. von Spannungspotentia¬ len und Masse entkoppelt werden) . Mit Hilfe des Steueraus¬ gangsanschlusses 16 steuert der MikroController 6 den unten näher beschriebenen Meßablauf, indem das Potential des Aus¬ gangsanschlusses 16 zu fest vorgegebenen Zeitpunkten innerhalb eines Meßablaufs auf die Spannung U0 oder auf Masse gelegt o- der hochohmig geschaltet wird. Die Meßabläufe einschließlich der Ansteuerung des Ausgangsanschlusses 16 und der Verarbei- tung der Ausgangssignale des Analog-Digital-Umsetzers 7 werden von einem in dem Mikcrocontroller enthaltenen Programm gesteuert .
Der Ausgangsanschluß 16 ist mit einem Steuerknoten 17 der Meßschaltung verbunden, der wiederum über eine Parallelschaltung aus einem Entladewiderstand 18 und einer Schaltdiode 19 mit dem Eingangsknoten 4 gekoppelt ist. Die Schaltdiode 19 ist dabei so gepolt, daß sie lediglich einen Stromfluß vom Steuer¬ knoten 17 zum Eingangsknoten 4 durchläßt. Wenn die Spannung Uo an den Steuerknoten 17 angelegt wird, so wird die Parallel¬ schaltung der Kapazitäten 1 und 2 über die Parallelschaltung aus dem Widerstand 18 und der Schaltdiode 19, deren Widerstand im wesentlichen durch den Durchlaßwiderstand der Schaltdiode 19 bestimmt wird, aufgeladen, bis die Spannung auf dem Ein- gangsknoten 4 Uo erreicht hat. Aufgrund des geringen Durchla߬ widerstands der Schaltdiode 19 erfolgt das relativ schnell. Wenn der Stromfluß durch die Schaltdiode 19 begrenzt werden soll, kann in den Diodenzweig in Reihe zu der Diode 19 ein weiterer Widerstand eingeschaltet werden. Dies erhöht selbst- verständlich die Aufladezeit. Wenn an den Steuerknoten 17 Massepotential angelegt wird und sich der Eingangsknoten 4 auf einem höheren Potential, beispielsweise auf der Spannung U0 gegenüber Masse, befindet, so wird die Parallelschaltung der Kapazitäten 1 und 2 über den Entladewiderstand 18 entladen. Stromflüsse über die in Sperrichtung gepolte Schaltdiode 19 und über die Eingänge des Operationsverstärkers 5 sind nähe¬ rungsweise gleich Null, können also vernachlässigt werden. Bei einem Widerstandswert R des Entladewiderstands 18, einer Kapa¬ zität Ci des Schaltungskondensators 1 und einer Kapazität C2 des Störkondensators 2 ergibt sich eine Entladezeitkonstante τ = R(Ci + C2) .
Wenn der Steuerknoten 17 und der Ausgangsanschluß 16 des MikroControllers 6 hochohmig geschaltet werden, so wird die zu diesem Zeitpunkt auf dem Eingangsknoten vorhandene Spannung nahezu gehalten. Ein geringfügiger Abfall der Spannung ergibt sich aus parasitären Widerständen zwischen dem Eingangsknoten 4 und Masse, beispielsweise innerhalb des Operationsverstär- kers 5, innerhalb der Ausgangstreiberschaltung des Ausgangsanschluß 16 sowie über die Kondensatoren 1 und 2 und andere Schaltungselemente .
Zum Bestimmen der Kapazität Ci + C2 steuert der Mikrocon- troller 6 folgenden Meßablauf an. Zunächst wird der Ausgangs¬ anschluß 16 auf die Spannung U0 gelegt. Diese Spannung ist stabilisiert und zeitlich weitgehend konstant. Wenn an dem Steuerknoten 17 die Spannung U0 anliegt, wird die Parallel¬ schaltung der Kapazitäten Ci + C2 über die Diode 19 schnell auf die Spannung U0 aufgeladen, die sich nach kurzer Zeit auf dem Eingangsknoten 4 einstellt. Anschließend wird der Ausgangsanschluß 16 sprunghaft auf Massepotential gelegt. Die Kondensa¬ toren 1 und 2 entladen sich über den Entladewiderstand 18 expotentiell mit der oben genannten Zeitkonstante, wobei sich auf dem Eingangsknoten 4 der folgende Spannungsverlauf ergibt:
Figure imgf000013_0001
Die an dem invertierenden Eingang 8 des Operationsverstärkers 5 anliegende Spannung Uo ist so hoch, daß der Operationsver- stärker übersteuert wird. Er bleibt übersteuert, bis die Span¬ nung auf dem Eingangsknoten 4 exponentiell auf einen Wert abgefallen ist, der der Obergrenze eines Meßintervalls ent¬ spricht. Bei der Übersteuerung des nicht-invertierenden Eingangs 8 des Operationsverstärkers 5 bleibt der Ausgang 9 auf einem Maximalspannungswert . Nach einer von der Programmsteue¬ rung des MikroControllers 6 vorgegebenen Zeitdauer T wird der Ausgangsanschluß 16 hochohmig geschaltet, so daß die zu diesem Zeitpunkt auf dem Eingangsknoten 4 vorhandene Spannung im wesentlichen (d.h. von parasitären Entladungen abgesehen) gehal- ten wird. Auch der Steuerknoten 17 liegt dann auf diesem Spannungspotential. Die vorgegebene Zeitdauer T wird so gewählt, daß die zum Ende der Zeitdauer auf dem Eingangsknoten 4 vorhandene Spannung im gesamten Bereich der zu erwartenden Kapazitätsänderungen der Kapazität 2 in einem Meßintervall des Operationsverstärkers 5 liegt, aber noch nicht nahezu Null ge¬ worden ist. Dies bedeutet, daß die Zeitdauer T so gewählt wird, daß bei der höchsten zu erwartenden Kapazität (bei¬ spielsweise dann, wenn sich die Hand des Benutzers unmittelbar an der Elektrode des kapazitiven Sensors befindet) die Span¬ nung gerade unter die Obergrenze des Meßintervalls abgefallen ist, d.h. der Operationsverstärker gerade nicht mehr übersteuert ist. Andererseits wird die Zeitdauer T nicht zu groß ge¬ wählt, um bei der geringsten zu erwartenden Kapazität noch eine meßbare Spannung zu erhalten.
Nachdem der Ausgangsanschluß 16 des MikroControllers 6 hochohmig geschaltet ist, tastet der Analog-Digital-Umsetzer 7 die Spannung auf dem Ausgang 9 des Operationsverstärkers ab. Mit den oben genannten eingestellten Verstärkungswerten beträgt diese Spannung etwa das 10- bis 50-fache der Spannung auf dem Eingangsknoten 4. Bei bekannter Verstärkung kann aus dem von dem Analog-Digital-Umsetzer ausgegebenen Digitalwert die zum Ende des Zeitintervalls T auf dem Eingangsknoten 4 vorhandene Spannung und daraus (in Kenntnis der Spannung Uo und des Widerstands R) die Kapazität Ci + C2 nach der eingangs genannten Formel bestimmt werden. Bei der praktischen Anwendung als Annäherungssensor sind jedoch die exakten Werte der Verstärkung, der Spannung Uo, des Widerstands R und des Zeitintervalls T nicht bekannt und auch von untergeordnetem Interesse, da der MikroController lediglich die relative (prozentuale) Änderung der Kapazität C2 über der Zeit bestimmen soll. Zu diesem Zweck wird der oben geschilderte Meßablauf zyklisch mehrfach wiederholt. Die peri¬ odisch von dem Analog-Digital-Umsetzer ausgegebenen Digitalwerte werden gespeichert und verarbeitet, d.h. miteinander verglichen und daraus die relative Kapazitätsänderung berech- net.
Die relativen Kapazitätsänderungen liegen typischerweise im unteren Prozent- oder sogar Promille-Bereich. Dementsprechend gering sind auch die Änderungen der sich am Ende des Zeitintervalls T einstellenden Meßspannungen auf dem Eingangs- knoten 4. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nutzt nun den Umstand aus, daß lediglich diese sich am Ende des Zeitin¬ tervalls T einstellende Spannung, nicht aber sämtliche sich während des Meßzyklus auf dem Eingangsknoten 4 ergebenden Spannungen, genau gemessen werden muß. Ausgehend davon wird die sich am Ende des Intervalls T ergebende Spannung mit Hilfe des Verstärkers 5 stark verstärkt (um den Faktor 10 bis 50 o- der mehr) und es wird andererseits hingenommen, daß der auf die Verstärkung dieses Bereichs optimierte Operationsverstärker 5 im gesamten darüberliegenden Eingangsspannungsbereich übersteuert wird. Die aufgrund der Übersteuerung falsche Um¬ setzung der Eingangsknotenspannung in eine Spannung des Aus- gangs 9 ist für die vorzunehmende Messung irrelevant. Es muß lediglich sichergestellt werden, daß im Bereich sämtlicher zu erwartender Kapazitätsänderungen die sich am Ende des Intervalls T ergebende Meßspannung im Meßintervall des Operations¬ verstärkers 5 liegt. Die Genauigkeit der Meßanordnung kann verbessert werden, indem parasitäre Stromflüsse minimiert und die zeitliche Konstanz der Spannung U0 und des Widerstands R erhöht werden. Dies und ein ideales Verhalten des Operations¬ verstärkers 5 erlauben eine relativ lange Entladezeit T, wel¬ che zu einer relativ geringen Spannung am Ende des Zeitinter- valls führt. Dann ist ein relativ kleines Meßintervall bei ei¬ nem Operationsverstärker mit relativ großer Verstärkung möglich. Dies erhöht die Empfindlichkeit der Meßanordnung. Aller¬ dings sind Rauscheinflüsse zu minimieren und Störfelder abzu¬ schirmen. Die Meßgenauigkeit für die Kapazität C2 kann auch durch eine Verringerung der Kapazität Ci des Schaltungskondensators 1 vergrößert werden. Andererseits wird die Schaltung dadurch empfindlicher gegenüber Störeinflüssen.
Die sich bei dem oben genannten Meßzyklus ergebenden Spannungsverläufe auf dem Eingangsknoten 4 und am Ausgang 9 sollen nachfolgend anhand der Figuren 2A und 2B näher beschrieben werden. Die Figuren 2A und 2B zeigen experimentell erfaßte Spannungsverläufe, wobei die mit A bezeichneten Verläufe die Spannung auf dem Eingangsknoten 4 darstellen, die mit B bezeichneten Verläufe die Spannung am Ausgang 9 des Operations- Verstärkers und die mit C bezeichneten Verläufe ein binäres Testausgangssignal des MikroControllers 6 für Statusinforma¬ tionen. Figur 2B unterscheidet sich von Figur 2A lediglich darin, daß in Figur 2A für den Verlauf A ein Spannungsmaßstab gewählt wurde, der eine vollständige Darstellung des Verlaufs A gestattet, während in Figur 2B für die Verläufe A und B der gleiche Spannungsmaßstab gewählt wurde, welchem Spannungswert jeweils der vertikale Abstand zwischen zwei horizontalen ge¬ punkteten Linien entspricht, ist aus den unter dem jeweiligen Diagramm gezeigten Kanalinformationen (Ch2, Ch3, Ch4) zu entnehmen. In Figur 2A entspricht die Höhe eines durch die ge¬ punkteten Linien gebildeten Kästchens für den Verlauf A einer Spannung von 1,00 V, für den Verlauf B einer Spannung von 500 mV und für den Verlauf C einer Spannung von 5,00 V. In Figur 2B entspricht die Höhe eines Kästchens für die Verläufe A und B einer Spannung von 500 mV und für den Verlauf C einer Spannung von 5 V. In beiden Figuren entspricht der horizontale Ab- stand zwischen zwei vertikalen Punkt-Linien einer Zeitdauer von 20,0 μs .
Aus den Figuren 2A und 2B lassen sich folgende Spannungs¬ verläufe entnehmen. Zum Zeitpunkt ti wird der Ausgangsanschluß 16 des MikroControllers 6 auf die Spannung Uo geschaltet, wor- aufhin die Spannung auf dem Eingangsknoten 4 (Verlauf A) sprunghaft auf einen Wert von etwa 5,4 V ansteigt, da der Kon¬ densator über die Schaltdiode 19 aufgeladen wird (bei der Auf¬ lösung der Figuren 2A und 2B ist das Einschwingen der Knotenspannung nicht zu erkennen) . Während die Spannung auf dem Ein- gangsknoten 4 auf dem Wert Uo gehalten wird, folgt die Span¬ nung am Ausgang 9 des Operationsverstärkers (Verlauf B) diesen Spannungsanstieg, bis die Sättigungsgrenze (der Maximalwert) von etwa 3,4 V erreicht ist. Die Eingangsspannung von 5,4 V übersteuert den Operationsverstärker. Man erkennt in den Figu- ren 2A und 2B, daß der Operationsverstärker langsam (innerhalb von etwa 20 μs) einschwingt. Nachdem das Ausgangssignal des Operationsverstärkers den Maximalwert erreicht hat, wird der Ausgang 16 des Controllers 6 zum Zeitpunkt t2 sprunghaft auf Masse gelegt, was durch einen sprunghaften Abfall des Status- Signals (Verlauf C) angezeigt ist. Zum Zeitpunkt t2 beginnt somit die Entladung der Kapazität; die Spannung auf dem Eingangsknoten 4 (Verlauf A) fällt exponentiell ab. Währens des Abfallens unterschreitet die Spannung auf dem Eingangsknoten 4 zum Zeitpunkt t3 die Obergrenze des Meßintervalls; der Opera¬ tionsverstärker ist nicht mehr übersteuert und die Ausgangs¬ spannung (Verlauf B) folgt ab diesem Zeitpunkt t3 der Knoten- Spannung auf dem Eingangsknoten 4. Bei den in den Figuren 2A und 2B dargestellten Beispielen beträgt die Spannung am Ausgang 9 etwa das 3-fache der Eingangsspannung. Zum Zeitpunkt t4 wird der Ausgangsanschluß 16 des MikroControllers 6 hochohmig geschaltet, woraufhin die Spannung am Eingangsknoten im we- sentlichen gehalten wird, d.h. nur noch geringfügig abfällt. Zum Zeitpunkt ts wird der Eingangsknoten 4 auf Masse gelegt, so daß die Spannung sprunghaft auf Null abfällt. Hier sei an¬ gemerkt, daß das Schaltelement, mit dem der Knoten 4 niederoh- mig auf Masse gelegt werden kann, in Figur 1 zur Vereinfachung nicht dargestellt worden ist. Dieses Schaltelement kann auch entfallen und der Eingangsknoten 4 über den Entladewiderstand 18 und den Anschluß 16 auf Masse entladen werden. Dies würde aber mit derselben Zeitkonstante und demselben exponentiellen Abfall geschehen, wie er im Zeitintervall zwischen "C2 und t4 zu erkennen ist.
Bei einer beispielhaften Meßanordnung wurden ein Schaltungskondensator 1 von etwa 2OpF und ein Entladewiderstand von etwa 560 kΩ verwendet, woraus sich eine Zeitkonstante τ von et¬ wa 13 μs ergab. Bei einer Abschätzung der Empfindlichkeit der Meßanordnung wurde ferner angenommen, daß der Störkondensator 2 eine Kapazität von etwa 1 % des Schaltungskondensators 1, also etwa 0,2 pF aufweist. Bei einer Meßzeit T = τ (= RCi - oh¬ ne Störkondensator) und einer Spannung von U0 = 5V ergibt sich ohne Störkondensator eine gemessene Spannung von 1,839 V und mit Störkondensator eine Spannung von 1,858 V. Die Differenz von 19 mV betrögt etwa 1 % der gemessenen Spannung. Bei einer Meßzeit von T = 2 τ und ansonsten gleichen Verhältnissen ergibt sich eine Meßspannung von 0,6766 V ohne Störkondensator und 0,6902 V mit Störkondensator. Die Differenz von 13,6 mV entspricht etwa 2 % der Spannung. Bei einer Meßzeit von T = 3 τ ergibt sich ohne Störkondensator eine Spannung von 0,2489 V und mit Störkondensator eine Spannung von 0,2564 V. Die Diffe- renz von 7,5 mV beträgt etwa 3% der Spannung. Spannungsände¬ rungen im Bereich einiger Prozent lassen sich mit einem preiswerten Analog-Digital-Umsetzer gut auflösen. Eine längere Meßzeit führt zu einer höheren Empfindlichkeit der Meßanordnung. Allerdings erfordern die sich ergebenden geringeren Spannungen präzisere Analogschaltungen.
Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind alternative Ausfüh¬ rungsformen denkbar. Beispielsweise braucht aus dem digitalen Ausgangswert des Analog-Digital-Umsetzers die zugehörige Kapa- zität nicht berechnet zu werden, sie kann zur Erhöhung der Ge¬ schwindigkeit auch in einer Nachschlagetabelle nachgeschlagen werden, wobei die Nachschlagetabelle aufgrund zuvor gemessener Werte erstellt wird. Darüber hinaus ist es bei einer Erfassung einer relativen Kapazitätsänderung nicht erforderlich, die ausgegebenen Digitalwerte des Analog-Digital-Umsetzers 7 un¬ mittelbar in Kapazitätswerte umzurechnen; die Spannungswerte können direkt verglichen und weiterverarbeitet werden. Darüber hinaus können zusätzliche Schaltungselemente enthalten sein. Beispielsweise braucht der nicht mit dem Eingangsknoten 4 ver- bundene Anschluß des Kondensators 1 nicht direkt mit Masse 3 verbunden zu sein; es kann beispielsweise ein Widerstand ein¬ gekoppelt sein. Wie bereits gesagt, kann auch ein Widerstand in Reihe zu der Diode 19 eingeschaltet sein.

Claims

PATENTANWÄLTE ZENZ ■ HELBER ■ HOSBACH & PARTNER ■ HUYSSENALLEE 58-64 ■ D- 451 28 ESSENH 41 9WO S-ADPatentansprüche
1. Verfahren zum Messen einer Kapazität, wobei eine über der Kapazität anliegende Spannung einem Eingang einer Auswerteschaltung zugeführt wird, wobei die Auswerteschaltung so ausgebildet ist, daß sie Eingangsspannungen, sofern diese in einem Meßintervall liegen, mit einer vorgegebenen Genauigkeit erfassen kann, wobei: a) die Kapazität auf eine vorgegebene Anfangsspannung, die ein Mehrfaches einer Obergrenze des Meßinter¬ valls übersteigt, aufgeladen wird, b) die Kapazität über einen vorgegebenen Widerstand ei¬ ne vorgegebene Zeitdauer entladen wird, wodurch die Spannung über der Kapazität einen von der Größe der
Kapazität abhängigen Spannungsendwert erreicht, wo¬ bei der Widerstand und das Zeitintervall so gewählt werden, daß der Spannungsendwert in dem Meßintervall liegt, c) der Spannungsendwert von der Auswerteschaltung erfaßt und aus dem Spannungsendwert die Kapazität be¬ stimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die über der Kapazität anliegende Spannung einem Ein¬ gang eines Verstärkers als Bestandteil der Auswerteschaltung zugeführt wird, daß die Eingangsspannung des Verstärkers dann, wenn sie im Meßintervall liegt, um wenigstens den Faktor 2 verstärkt wird, so daß der Spannungsendwert um wenigstens den Faktor 2 ver¬ stärkt und der verstärkte Spannungsendwert erfaßt wird, und daß der Verstärker bei Eingangsspannungen oberhalb des Meßintervalls übersteuert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsendwert mittels eines Operationsverstärkers um einen Faktor zwischen 10 und 1000, vorzugsweise zwischen 10 und 50, verstärkt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der verstärkte Spannungsendwert erfaßt wird, indem mittels einer Analog-Digital-Umsetzung ein digitaler Endwert erzeugt und der erzeugte digitale Endwert gespeichert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung über der Kapazität nach Errei¬ chen des Spannungsendwerts für eine zweite vorgegebene Zeit¬ dauer gehalten wird, während der Spannungsendwert erfaßt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufladen auf die Anfangsspannung, das Entladen über den Widerstand und das Halten der Spannung durch abwechselndes Verbinden und Entkoppeln eines mit einem Anschluß des Konden- sators verbundenen Knotens mit einer Spannungsquelle oder ei¬ nem Massepotential ausgeführt wird, wobei das Verbinden und Entkoppeln mit Hilfe von Schaltern ausgeführt wird, die von einer Steuereinrichtung gesteuert werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangsspannung von einer konstanten Spannungsquelle zur Verfügung gestellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch ge- kennzeichnet, daß die vorgegebene Zeitdauer von einem Prozes¬ sor in Abhängigkeit von einem Taktsignal bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Prozessor umfaßt und daß die vor- gegebene Zeitdauer von dem Prozessor in Abhängigkeit von einem Taktsignal bestimmt wird.
10. Schaltungsanordnung zum Messen einer Kapazität eines Kondensators, wobei ein Anschluß des Kondensators mit einem Eingangskno¬ ten einer Auswerteschaltung verbunden ist und der andere An- Schluß des Kondensators mit einem Bezugspotential verbunden ist, wobei die Auswerteschaltung so ausgebildet ist, daß sie eine Eingangsspannung, sofern diese in einem Meßintervall liegt, mit einer vorgegebenen Genauigkeit erfaßt und einen entsprechenden Ausgangswert erzeugt, wobei eine erste Schalteinrichtung den Eingangsknoten mit einem konstanten Spannungspotential verbinden kann, wobei eine zweite Schalteinrichtung einen Widerstand vor¬ gegebener Größe zwischen dem Eingangsknoten und dem Bezugspo¬ tential einkoppeln kann, wobei eine Steuereinrichtung mit der ersten und der zwei¬ ten Schalteinrichtung gekoppelt ist und diese derart ansteu¬ ert, daß a) der Eingangsknoten mit dem konstanten Span¬ nungspotential verbunden wird, wobei die Auswerteschal- tung einen Ausgangswert erzeugt, der dann, wenn der Eingangsknoten auf dem konstanten Spannungspotential liegt, einen Extremwert annimmt, b) dann der Widerstand zwischen dem Eingangsknoten und dem Bezugspotential für eine vorgegebene Zeitdauer eingekoppelt wird, so daß die Spannung zwischen dem
Eingangsknoten und dem Bezugspotential auf einen in dem Meßintervall liegenden Endwert abfällt, und c) dann der Eingangsknoten von dem Bezugspotential und dem konstanten Spannungspotential derart entkoppelt wird, daß die Spannung auf dem Endwert gehalten wird, wobei die Auswerteschaltung einen Ausgangswert erzeugt, der proportional zu dem Endwert ist, wobei der Ausgang der Auswerteschaltung mit einer Einrich¬ tung zum Speichern des Ausgangswerts und Bestimmen eines zuge- hörigen Kapazitätswerts gekoppelt ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen Operationsverstärker und einen mit dem Ausgang des Operationsverstärkers gekoppel¬ ten Analog-Digital-Umsetzer aufweist, wobei der Analog-Digi- tal-Umsetzer den Ausgangswert erzeugt.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsknoten mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärkers eine Verstärkung zwischen 2 und 1000, vorzugsweise zwischen 10 und 50, auf¬ weist .
14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsknoten über eine Parallelschaltung des Widerstands vorgegebener Größe und einer Schaltdiode mit einem Ausgangsanschluß eines Controllers verbunden ist, wobei der Ausgangsanschluß des Controllers auf dem Bezugs¬ potential oder dem konstanten Spannungspotential liegen oder hochohmig sein kann, so daß die erste Schalteinrichtung von der Schaltdiode und dem Controller und die zweite Schalteinrichtung von dem Controller gebildet wird.
15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugspotential einem Massepotential und das konstanten Spannungspotential einem hohen Logikausgangspegel des Controllers entspricht.
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