WO2014154649A1 - Schaltungsanordnung zum erfassen einer kapazitätsänderung - Google Patents

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WO2014154649A1
WO2014154649A1 PCT/EP2014/055885 EP2014055885W WO2014154649A1 WO 2014154649 A1 WO2014154649 A1 WO 2014154649A1 EP 2014055885 W EP2014055885 W EP 2014055885W WO 2014154649 A1 WO2014154649 A1 WO 2014154649A1
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measuring
capacitor
control unit
storage capacitor
circuit arrangement
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PCT/EP2014/055885
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Ralf Daiminger
Detlef Russ
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Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kommanditgesellschaft, Hallstadt
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Publication date
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    • 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
    • G—PHYSICS
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    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/96071—Capacitive touch switches characterised by the detection principle
    • H03K2217/960725—Charge-transfer

Definitions

  • Circuit arrangement for detecting a change in capacitance
  • the invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of claim 1, a method for operating a circuit arrangement for measuring a capacitance and / or a capacitance change of a measuring capacitor and a corresponding computer program for operating a circuit arrangement and a corresponding machine-readable storage medium.
  • a circuit arrangement for measuring a capacitance and / or a capacitance change is known, for example, from DE 197 01 899 A1.
  • a first changeover contact between a first switch position and a second switch position is switched back and forth.
  • the first switch position results in a charging process in which a storage capacitor is charged via a resistor network.
  • a measuring capacitor whose capacity and / or capacitance change is to be detected discharges to ground.
  • the second switch position of the first changeover contact leads to a discharging process in which the previously charged first storage capacitor discharges via a high-impedance coupling resistor into the measuring capacitor.
  • the measuring capacitor is charged in this way.
  • the unloading process and the charging process are part of a measuring process.
  • the potential of the first storage capacitor is supplied to an evaluation circuit of the circuit arrangement.
  • the course of the potential of the first Storage capacitor depends on the (variable) capacity of the measuring capacitor.
  • the course of the potential of the second storage capacitor during the charging phase of the reference capacitor ie during the discharge of the first storage capacitor, is substantially constant. Consequently, by means of a comparison of the profile of the potential of the first storage capacitor with the profile of the potential of the second storage capacitor, a capacitance and / or a capacitance change of the measurement capacitor can be measured.
  • This type of capacitance measurement is generally referred to as so-called "switched capacitor measurement".
  • the voltage divider for recharging the first storage capacitor comprises a constant resistance and a variable resistance potentiometer.
  • a specific resistance value of the potentiometer can also be manually set an operating point, for example, a sensitivity of the previously known circuit arrangement or the duration of the charging phase or an end potential, which occupies the first storage capacitor after a charging process.
  • the invention is therefore based on the object of proposing a circuit arrangement for detecting a capacitance and / or a capacitance change of a measuring capacitor, which can work faster and more accurately.
  • this object is achieved by a circuit arrangement having the features of claim 1.
  • the circuit arrangement according to the invention for measuring the capacitance and / or the capacitance change of the measuring capacitor comprises the control unit, which is designed to control the measuring network.
  • the evaluation unit for providing the measurement result monitors potential profiles in the measurement network which result from the specific control of the measurement network.
  • the provided measurement result is indicative of the capacitance and / or the capacitance change of the measuring capacitor.
  • the first storage capacitor and the reference capacitor coupled to it form the first measurement branch of the measurement network.
  • the second storage capacitor and the measurement capacitor which can be coupled thereto form the second measurement branch of the measurement network.
  • the evaluation unit monitors the potential curve at the first measuring point of the first measuring branch and the potential curve at the second measuring point of the second measuring branch during a measuring process, ie during a specific control of the measuring network result in the control unit. From a comparison of the two potential curves, the evaluation unit can close on the capacity and / or on the capacitance change of the measuring capacitor, which will be explained in more detail below.
  • the control unit is designed to cause a voltage swing on the reference capacitor for setting the operating point of the circuit arrangement in the precharging phase of the measuring process.
  • the control unit supplies the first storage capacitor and the reference capacitor essentially without resistance with a precharge voltage.
  • the control unit is coupled to the first storage capacitor and the reference capacitor via a substantially resistance-free connection for the purposes of the precharge.
  • the voltage swing that occurs due to the application of the pre-charge voltage to the reference capacitor is depending on the precharge voltage and a ratio between the capacitance of the first storage capacitor and the capacitance of the reference capacitor, but not of a resistive precharge resistor.
  • a precharge current which occurs due to the application of the precharge voltage, accordingly experiences no ohmic limitation due to a precharge resistor connected between the control unit on the one hand and the reference capacitor and the first storage capacitor.
  • a precharge resistor is not provided in the circuit arrangement according to the invention.
  • the control unit does not charge the reference capacitor in the precharge phase via a precharge resistor, but by a charge transfer method, whereby the control unit causes a transfer of charge from the first storage capacitor during the precharge phase
  • This charge transfer is essentially resistance-free, since there is no ohmic resistance between the reference capacitor and the first storage capacitor Due to the resistance-free charge transfer, the reference capacitor is charged very fast, as will be explained in more detail below
  • the voltage swing can be set by dimensioning the reference capacitor and by dimensioning the storage capacitor, in particular by setting corresponding capacitance values arrangement leads to a multitude of advantages:
  • the pre-charging of the reference capacitor and thus the setting of the operating point of the circuit arrangement are extremely fast.
  • the resulting in the prior art charging time which is calculated from the reciprocal of the product of a specially provided (usually high impedance) pre-charge resistance and a capacitance value, does not apply to the circuit arrangement according to the invention, since no ohmic pre-charge limits the pre-charge.
  • a resistor which may be formed by lines and / or contacts between the control unit on the one hand and the first measuring branch on the other hand, has no significant influence on the pre-charging of the reference capacitor in the circuit arrangement according to the invention.
  • the circuit arrangement according to the invention Since precharging is not provided for precharging between the control unit on the one hand and the reference capacitor and the first storage capacitor on the other hand, any noise introduced by such a precharge resistor is also eliminated. Thus, in the circuit arrangement according to the invention at this point also no dirt shunt resistors, which can quickly lead to larger measurement errors and sometimes to a malfunction in the previously known circuit arrangement. Thus, the circuit arrangement according to the invention is more resistant to the development of moisture and / or dirt and has a more reliable behavior.
  • a capacitor is charged via a generally high-impedance resistor for setting an operating point.
  • the charging process is interrupted.
  • This interruption of the charging process leads to an inaccuracy in the end voltage of the capacitor and thus to an inaccurate operating point setting, because the interruption of the charging process can take place only with a limited time accuracy.
  • a control unit of the previously known circuit arrangement is clocked, for example, at a frequency of 2 MHz, the charging process could only be interrupted there every 500 ns. A more accurate adjustment of the operating point could be achieved on the one hand by a higher-clocked control unit and on the other hand by an even greater charging resistance.
  • control unit of the circuit arrangement according to the invention is designed to apply the pre-charge voltage to the reference capacitor and the first storage capacitor and the reference capacitor and the first storage capacitor are coupled to the control unit essentially without resistance, this conflict of objectives does not apply to the circuit arrangement according to the invention.
  • the precharge happens extremely fast due to the absence of a precharge resistor. For fast Consequently, providing the accurate measurement result, the control unit of the circuit arrangement according to the invention need not necessarily be clocked particularly high.
  • the setting of the operating point is determined, for example, by the number of precharge cycles. On a high clock accuracy it does not matter so far in the circuit arrangement according to the invention.
  • the uninterrupted pre-charging of the reference capacitor also has the advantage that any jitter present when the precharge voltage is set by the control unit has no effect on the amplitude of the voltage swing.
  • the circuit arrangement according to the invention does not place high demands on a jitter-poor time signal.
  • the circuit arrangement according to the invention can not only provide an accurate measurement result in a short time, but also be made very cost-effective.
  • the circuit arrangement usually performs a plurality of measuring operations in order to reliably measure the capacitance and / or the capacitance change, wherein the control unit sets the operating point of the circuit arrangement again during each measuring process.
  • the control unit sets the operating point of the circuit arrangement again during each measuring process.
  • a “measuring capacitor” is not necessarily to be understood as a capacitor in the narrower sense, but the measuring capacitor can also be formed by an open electrode of the measuring network, which has a specific capacity above ground in that an object, such as a hand or a foot of a human being, enters the air gap between the open electrode on the one hand and the mass on the other hand Circuit arrangement is in particular designed to detect such a capacitance change.
  • the phrase "essentially free of resistance" means that the precharge voltage provided by the control unit is supplied to the composite capacitor of the reference capacitor and the first storage capacitor via a feed line on which no ohmic resistor is arranged
  • An essentially resistance-free coupling between components of the circuit arrangement is to be understood herein as meaning, for example, a line or a printed conductor on which no further components such as resistors, capacitors or coils are provided.
  • the control unit is implemented, for example, in the form of a microcontroller having a multiplicity of pins via which the measurement network is coupled to the control unit.
  • the measurement network largely comprises passive electronic components, such as ohmic resistors and capacitors.
  • the circuit arrangement according to the invention is not limited to a use of certain capacitor types.
  • polarized and / or non-polarized capacitor types can be selected for the storage capacitors and / or the reference capacitor. If the measurement is carried out at a high switching frequency, low-loss capacitor types are appropriate.
  • the evaluation unit can also be implemented in the control unit, for example.
  • the inputs of the evaluation unit are preferably switched to high impedance, so that a potential profile at the first measuring point and a potential profile at the second measuring point can be detected at this.
  • the control unit is preferably designed to set a pin of the control unit, to which the reference capacitor and the first storage capacitor are coupled with substantially no resistance, to a high voltage.
  • the amount of the precharge voltage is preferably constant and corresponds for example to a high level, as usually 5 volts. Of course, other high levels are possible, such as 7.5 volts or 2.5 volts.
  • further embodiments of the circuit arrangement for measuring the capacitance and / or the capacitance change of the measuring capacitor will be described. The features of these embodiments can be combined with each other as well as with the features of the above-described variants of the circuit arrangement to form additional embodiments.
  • the control unit is designed to discharge the first storage capacitor in a second step of the precharge phase.
  • a renewed loading of the first storage capacitor and the reference capacitor with the precharge voltage leads to a renewed voltage swing at the reference capacitor.
  • This renewed voltage swing in turn depends only on the previous voltage swing, the amount of precharge voltage and the ratio between the capacitance of the first storage capacitor and the capacitance of the reference capacitor, but not on a precharge resistor.
  • the control unit is designed to repeat the first step and the second step during the precharging phase of the measuring process until a voltage at the reference capacitor, in particular the potential at the first measuring point, exceeds a first threshold value.
  • the first threshold value is a voltage amount which has been determined or calculated by the evaluation unit during a preceding measurement process. This will be explained in more detail below.
  • a deviation of the capacitance of the measuring capacitor during a current measuring operation compared to a capacitance during a preceding measuring operation leads in this variant when fully charging the first and the second storage capacitor to significant deviations between the potential profile at the first input of the evaluation unit on the one hand and the potential profile at the second input the evaluation unit on the other.
  • the evaluation unit can thus more easily detect a deviation between the potential profiles and thus detect a change in capacitance which caused for example by an object, such as a human hand or foot, between an open electrode in the measurement network and the earth.
  • the circuit arrangement according to the invention implements the charge transfer method for precharging the reference capacitor and dispenses with usual, long-term charging of the reference capacitor by means of a precharge resistor, it is possible for the repetition of the first step and second step to follow swiftly, so that the duration of an entire measurement process is not significantly increased by the exact adjustment of the operating point of the circuit arrangement.
  • the circuit arrangement according to the invention can therefore measure / detect very quickly and precisely the capacitance and / or the capacitance change of the measuring capacitor.
  • the first measuring branch has one or more additional capacitors, which are connected in parallel to the first storage capacitor during the precharging phase.
  • the control unit is designed to discharge not only the first storage capacitor during the second step of the precharge phase but also the additional capacitor (s).
  • a measuring process usually includes a discharge phase, the precharging phase and a full charge phase. The procedure of the preloading phase has already been explained above.
  • control unit is designed to discharge the first storage capacitor, the second storage capacitor and the reference capacitor and optionally the additional capacitor (s) in the discharge phase of the measurement process.
  • control unit initializes the circuit arrangement for a new measurement.
  • the control unit is preferably designed to initiate the precharging phase after the discharge phase and to carry this out as described above.
  • the preload phase presents the control unit the operating point of the circuit arrangement, in particular by the pre-charging of the reference capacitor described above.
  • the second measuring branch has a change-over contact, via which the measuring capacitor is coupled to the second storage capacitor.
  • the control unit is designed to set the changeover contact optionally in a first switch position, in which the measuring capacitor is electrically insulated from the second storage capacitor, or in a second switch position, in which the measuring capacitor is connected to the second storage capacitor.
  • the control unit is preferably also designed to transfer the changeover contact once or several times briefly into the second switch position during a transfer phase of the measurement process, so that charge equalization between the measurement capacitor and the second storage capacitor can take place once or several times.
  • the control unit transfers the switching contact, for example, once or several times for about 50 ns in the second switch position. During this time, charge flows from the measuring capacitor into the second storage capacitor or from the second storage capacitor into the measuring capacitor. It should be noted at this point, however, that the time duration in which the changeover contact is in the second switch position has no direct influence on the configuration of the precharge phase.
  • the first switch position of the measuring capacitor is preferably connected to a pin of the control unit, which is at a high level.
  • UmladeHarshub is generated, the amplitude of which depends on the size of the capacitance of the measuring capacitor.
  • This Umladeongshub is for example at about 50 mV.
  • the advantage of switching multiple times is that the amplitude of the recharging voltage swing is increased. As a result, an improved signal-to-noise ratio can be achieved, and thus the evaluation unit can more reliably provide the measurement result.
  • control unit is further configured, in a full charge phase of the measuring operation, the first storage capacitor and the second storage capacitor to load. Should the additional capacitor also be provided, the control unit preferably ensures that the additional capacitor is not charged in the full charge phase.
  • the evaluation unit is preferably designed to compare the potential profile at the first measuring point, that is to say the potential profile at the first input of the evaluation unit, and the potential profile at the second measuring point, that is to say at the second input of the evaluation unit. This will be explained in more detail below.
  • control unit is designed to successively perform the discharge phase, the precharge phase, the charge phase and the charge phase, wherein the evaluation unit is preferably designed to generate the measurement result during the full charge phase.
  • the actual measurement of the capacitance and / or the capacitance change is therefore preferably during the full charge phase.
  • the two preceding phases, the discharge phase and the pre-charge phase serve to prepare this measurement.
  • a respective measurement process extends, for example, over a period of time between 10 and 100 ⁇ .
  • the recharging phase preferably carries out the control unit after the discharging phase and the precharging phase as well as before the full charging phase. In this way, negative effects on the measurement process, which could be caused by any leakage current in the second storage capacitor, can be avoided or reduced.
  • the first storage capacitor in the first measuring branch of the measuring network is coupled on the one hand via a first charging resistor to a first pin of the control unit and via the reference capacitor to the first measuring point and to a second pin of the control unit, and essentially without resistance to a third one Pin of the control unit switched and on the other hand is grounded. Consequently, the second pin is connected to the first measuring point.
  • a first electrode of the first storage capacitor is connected, for example, to a ground terminal.
  • a second electrode of the first storage capacitor is coupled on the one hand via the first charging resistor to the first pin of the control unit and the reference capacitor to the second pin of the control unit.
  • the second electrode of the first storage capacitor is substantially without resistance connected to the third pin of the control unit.
  • the first storage capacitor and the Reference capacitor are thus connected in series between the second pin and a ground terminal, provided that the third pin of the control unit is switched to high impedance.
  • the second storage capacitor is coupled on the one hand via a second charging resistor to the first pin of the control unit and connected substantially without resistance to the second measuring point and on the other hand is grounded.
  • a first electrode of the second storage capacitor is thus also connected to a ground terminal.
  • a second electrode of the second storage capacitor is connected via the second charging resistor to the first pin of the control unit.
  • the second electrode of the second storage capacitor is connected substantially without resistance to the second input of the evaluation unit.
  • the measuring capacitor can be coupled to the second storage capacitor via the second electrode of the second storage capacitor.
  • control unit is designed to switch the second pin to a high level and the third pin to high impedance in the first step of the precharge phase.
  • control unit supplies the first storage capacitor and the reference capacitor with the precharge voltage, so that the reference capacitor and the first storage capacitor are precharged.
  • the controller causes the voltage swing on the reference capacitor to be generated.
  • the amount of precharge voltage provided by the controller is at a typical high level voltage level, such as at 2.5V, at 3.3V at 5V, or at 7V, depending on what technology the controller is in is implemented.
  • control unit is further configured to switch the second pin to high impedance and the third pin to a low level in the second step of the precharge phase, so that the first storage capacitor discharges.
  • charge transported into the reference capacitor during the first step remains substantially unchanged.
  • control unit is designed to repeat the first step and the second step n times during the precharging phase of the measuring process, until a voltage at the reference capacitor which is approximately equal to a voltage which has been applied to the second measuring point during a preceding measuring operation ,
  • Equation (1) indicates the voltage U C Ref, n applied to the reference capacitor after the nth repetition of the first and the second step of the precharge phase, the high level in this example being 5 V (5 V):
  • C A indicates the capacity of the first storage capacitor and C Re f the capacitance of the reference capacitor.
  • the indicated 5 V form the output voltage at an output of the control unit. As described above, this output voltage may also have a different value, such as 2.5V or 3.3V or 7.5V.
  • the voltage at the reference capacitor UcRef, n 5 V * C A / C R ef. This makes it clear that the amount of the voltage swing across the reference capacitor only depends on the capacitance values of the reference capacitor and the first storage capacitor, but not on a resistance value of a precharge resistor.
  • control unit is designed to initially load the reference capacitor - ie in the discharge phase - to an initial voltage for setting the operating point, and then - in the precharge phase - gradually discharge it until the voltage at the reference capacitor in approximately matches the first threshold.
  • the voltage at the reference capacitor is determined according to equation (1 a)
  • UcRef. n 5V - (5V - UcRef, nl) * C A / CRef (1 a)
  • one or more additional capacitors are connected in parallel to the first storage capacitor are. This can reduce the amount of Spanungshubs be increased.
  • the first storage capacitor is coupled thereto via the additional capacitor / capacitors to a fourth pin of the control unit.
  • the control unit is designed, for example, to switch the fourth pin to a low level during the precharging phase of the measuring process, for example to 0 volts.
  • the reference capacitor forms a capacitive voltage divider with the first storage capacitor and the optional additional capacitors, by appropriate dimensioning of the additional capacitor (s), in particular by setting corresponding capacitance values, the amplitude of the voltage swing caused by the control unit in the precharging phase at the reference capacitor to be discontinued.
  • equation (2) indicates the voltage at the reference capacitor during the precharge phase:
  • C L denotes the capacity of the additional capacitor.
  • the control unit is designed to initially load the reference capacitor - ie in the discharge phase - to set the operating point to the initial voltage, and then - ie in the precharge phase - to discharge gradually, until the voltage across the reference capacitor is approximately equal to the first threshold.
  • the voltage at the reference capacitor is determined according to equation (2a)
  • a measuring operation in the circuit arrangement according to the invention usually involves the discharge phase, the precharge phase and the full charging phase.
  • the second storage capacitor is preferably connected substantially without resistance to a fifth pin of the control unit.
  • the control unit is preferably designed, in the discharge phase of the measuring operation, the first pin, the second pin, the third pin and the fifth pin and possibly the fourth pin, respectively to switch to a low level, so that the first storage capacitor, the second storage capacitor and the reference capacitor and optionally the additional capacitor / the additional capacitors each discharged.
  • the control unit initializes the circuitry for a new measurement.
  • the control unit is preferably designed to initiate the precharging phase after the discharge phase and to carry this out as described above.
  • control unit is further configured to switch the first pin to a high level in the full charge phase of the measurement process, so that the first storage capacitor is charged via the first charge resistor and the second storage capacitor via the second charge resistor.
  • the control unit preferably switches the fourth pin to high impedance so that no current flows into the additional capacitor (s).
  • the evaluation unit is preferably designed to compare the potential profile at the first measurement point and the potential profile at the second measurement point, which will be described in more detail below.
  • the evaluation unit is formed, a time difference value between a first time at which the potential at the first input of the evaluation, ie at the first measuring point exceeds a second predetermined threshold, and a second time at which the potential at the second input of the evaluation, ie at the second measuring point, the second predetermined threshold value to detect, and to provide depending on the detected time difference value, the measurement result. If the time difference value is, for example, 50 ns, then the capacitance of the measuring capacitor has hardly changed or hardly changed in comparison with a previous measuring process.
  • the control unit is preferably designed to carry out the operating point by precharging the reference capacitor in such a way that the time difference value, assuming the capacitance of the measuring capacitor remains unchanged, assumes a technically meaningful value, such as 50 ns. If the capacitance of the measuring capacitor changes, this time difference value changes.
  • the operating point is readjusted by the control unit only when the time difference value is outside the measuring range of the evaluation unit.
  • the evaluation unit is designed in a variant of the circuit arrangement, a charge difference value between a first charge amount that has flowed during a predetermined period of the full charge phase in the first storage capacitor, and a second charge amount, during the same period in the second Storage capacitor is flowed to detect and provide depending on the detected charge difference value, the measurement result.
  • the control unit is further configured to repeat the measuring process.
  • the evaluation unit is designed to record the time difference value or the charge difference value between the respective first time and the respective second time or between the respective first charge quantity and the respective second charge quantity for each of the measurement operations and to store the detected time difference values or the detected charge difference values and to generate the measurement result as a function of the stored time difference values or charge difference values.
  • the evaluation unit provides an averaged measurement result, whereby the reliability is further increased.
  • the first storage capacitor and the second storage capacitor have an approximately equal capacity. It is likewise preferred that the first charging resistor and the second charging resistor have a substantially equal ohmic resistance value. This facilitates the provision of a measurement result for the evaluation unit, since the detected time difference and / or the detected charge difference essentially depends on a change in the capacitance of the measuring capacitor, but not on differences between capacitance values of the first and the second storage capacitor and / or differences between Resistance values of the first and the second charging resistor is due.
  • the circuit arrangement according to the invention is basically suitable for all applications which measure a capacitance and in which an operating point adjustment takes place, for example in the case of a capacitive sensor for detecting an approach and / or a presence of an object.
  • the inventive Circuit arrangement is suitable, for example, for use in the context of capacitive anti-jamming protection in a vehicle.
  • the invention also proposes a switch module with a circuit breaker for switching a current and a driver for controlling the circuit breaker, in which the driver comprises a circuit arrangement according to the first aspect of the present invention.
  • the driver is designed to supply the measurement result to the power switch as a control signal for switching the current on or off.
  • the switch arrangement according to the invention is therefore particularly suitable for use in a switch module, in particular in a proximity switch module.
  • Such switch modules are often used in the vehicle sector, where, for example, an opening of a tailgate by a foot movement or a hand movement, which causes a change in capacitance of the measuring capacitor, should be made.
  • the above object is achieved by a method having the features of independent claim 12.
  • the method of the second aspect of the invention shares the advantages of the circuit arrangement of the first aspect of the invention.
  • Preferred embodiments of the method correspond to the above-described preferred embodiments of the circuit arrangement of the first aspect of the invention, in particular as defined in the dependent claims.
  • FIG. 1 shows a schematic and exemplary representation of a
  • Circuit arrangement according to the first aspect of the invention and Fig. 2 is a schematic and exemplary representation of a switch module according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic and exemplary representation of a circuit arrangement for measuring a capacitance and / or capacitance change of a measuring capacitor C Mes .
  • the circuit arrangement comprises a control unit 100, a measurement network 200 and an evaluation unit 300.
  • the control unit 100 is coupled to the measurement network 200 via a plurality of pins 110, 120, 130, 140, 150, 160 and 170 and designed to control the measurement network 200.
  • the control unit 100 is implemented in the form of a microcontroller.
  • the control unit 100 selectively switches a first pin 110, a second pin 120, a third pin 130, a fourth pin 140, a fifth pin 150, a sixth pin 160 and a control pin 170 to a high level (US Pat. H), to a low level (L) or high impedance (Z).
  • the high level is for example at 5 volts and the low level at 0 volts.
  • the high level can also be at 3.3 volts, at 2.5 volts or at 7.5 volts or at another voltage.
  • the evaluation unit 300 has a first input 340 and a second input 380, which are connected to a first measuring point 240 and a second measuring point 280 of the measuring network 200.
  • the evaluation unit 300 monitors a potential profile at the first measurement point 240 and a potential profile at the second measurement point 280.
  • the evaluation unit 300 provides a measurement result 302 which is indicative of the capacitance and / or capacitance change of the measurement capacitor C Mes .
  • the evaluation unit 300 is shown as a separate unit, it is understood that this can also be integrated in the control unit 100, for example.
  • the measurement network 200 essentially comprises ohmic and capacitive components and a changeover contact 295.
  • the connection lines shown represent resistance-free connections, such as lines or interconnects, between the individual components of the circuit arrangement. All components of the circuit arrangement are arranged, for example, on a printed circuit board.
  • a first measuring branch 250 of the measuring network 200 comprises a first storage capacitor C A and a reference capacitor C Ref .
  • a second measuring branch 290 of the measuring network 200 comprises a second storage capacitor C B , which is coupled via the switching contact 295 to the measuring capacitor C Mes .
  • the first measuring point 240 is provided.
  • the potential at the first measuring point 240 is supplied to the evaluation unit 300 via the first input 340.
  • the second measuring point 280 is arranged.
  • the potential at the second measuring point 280 is fed to the evaluation unit 300 via a second input 380.
  • the measuring capacitor C Mes is coupled via the changeover contact 295 to the second storage capacitor C B.
  • the control unit 100 controls the changeover contact 295 via the control pin 170.
  • the control unit 100 selectively switches the control pin 170 to a high level or a low level. If the control pin 170 is at a low level, then the changeover contact 295 is in a first switch position, in which the measuring capacitor C Mes is connected to the sixth pin 160 of the control unit 100 and is electrically insulated from the second storage capacitor C B.
  • the changeover contact 295 is in a second switch position, in which the measuring capacitor C Mes is connected to the second storage capacitor C B.
  • Fig. 1 shows the changeover contact 295 in the first switch position.
  • a high level on the control pin 170 it would also be possible for a high level on the control pin 170 to lead to the first switch position and a low level for the second switch position.
  • the first storage capacitor C A is connected on the one hand to a ground terminal 202.
  • the first storage capacitor C A is coupled via a first charging resistor R A to the first pin 1 10 and via the reference capacitor C Ref both to the second pin 120 and to the first input 340 and substantially without resistance to the third pin 130 of the control unit 100 switched.
  • An additional capacitance C L is arranged between the fourth pin 140 and a first node 230 of the measurement network 200. If pin 140 is at a low level, the additional capacitance C L and the first storage capacitor C A are connected in parallel to one another.
  • the second storage capacitor C B is on the one hand also connected to a ground terminal 202.
  • the second storage capacitor is coupled to the first pin 110 via a second charging resistor R B and connected to the fifth pin 150 of the control unit 100 and to the second input 380 of the evaluation unit 300 essentially without resistance.
  • the measuring capacitor C Mes is formed for example by an open electrode of the measuring network 200, which has a certain capacity with respect to ground.
  • Fig. 1 is not intended to suggest that the measuring capacitor C Mes is necessarily a capacitor in the narrower sense. Rather, the measuring capacitor C Mes can be a capacitive component of whatever kind, which is coupled to the second storage capacitor C B via the changeover contact 295.
  • a potential curve at the first measuring point 240 and a potential curve at the second measuring point 280 result, which will be explained in more detail below.
  • the circuit arrangement For measuring the capacitance and / or capacitance change of the measuring capacitor C Mes , the circuit arrangement carries out one or more measuring operations.
  • a respective measuring process comprises, for example, four phases, namely a discharging phase, a precharging phase, a recharging phase and a charging phase.
  • the wiring of the pins 110, 120, 130, 140, 150, 160 and 170 during these phases is exemplified in the table shown in FIG.
  • the first pin 1 10 of the control unit 1 10 is used in particular for fully charging the storage capacitors C A and C B via the charging resistors R A and R B.
  • a precharging of the reference capacitor C Re f takes place.
  • the control unit 100 discharges the first storage capacitor C A and the additional capacity C L. Via the fifth pin 150, a discharge of the second storage capacitor C B takes place . Via the fourth pin 140, the control unit 100 can optionally switch on the additional capacitor C L in the precharge phase. As described above, the control pin 170 is used to switch the switching contact 295. The sixth pin 160 is used to charge the measuring capacitor C Me s- the measuring capacitor C Mes is so in the event that the changeover 295 is in the first switch position, the switched sixth pin 160, which is always at a high level. In the following, a complete measuring process will be described by way of example.
  • H for a high level
  • L for a low Level
  • Z for high impedance
  • the discharge phase, the first storage capacitor C A , the second storage capacitor C B , the additional capacitor C L and the reference capacitor C Ref of the measurement network 200 are discharged.
  • the control unit 100 switches the pins 1 10, 120, 130, 140, 150 and 170 to L.
  • the pins 1 10, 120, 130, 140, and 150 serve as charge sinks in this circuit.
  • charge which is possibly stored in the capacitors C A , C B , C Ref , and / or C L , drain.
  • the precharge phase is used to set an operating point. In this case, the voltage at the second storage capacitor C B does not change. The second storage capacitor C B thus remains in a discharged state, in particular during this phase.
  • the measuring capacitor C Mes is further connected to the sixth pin 160, which is at a high level.
  • the control unit 100 supplies the first storage capacitor C A and the reference capacitor C Ref substantially without resistance with a precharge voltage. For this purpose, the control unit 100 switches the first pin 1 to Z, the second pin 120 to H, the third pin 130 to Z and the fourth pin 140 to L.
  • the voltages at the reference capacitor C Ref , at the additional capacitor C L and the voltage at first storage capacitor C A rise according to the respective capacitance values.
  • the first measuring branch 250 is configured such that a voltage swing across the reference capacitor C Ref caused by the precharge voltage is dependent on the precharge voltage and a ratio between a capacitance of the first storage capacitor C A , a capacitance of the additional capacitor C L and a capacitance of the reference capacitor C Ref and substantially independent of a precharge resistance.
  • the first measuring branch 250 has no ohmic resistance and is connected substantially without resistance to the second pin 120, the third pin 130 and the fourth pin 140 of the control unit 100.
  • no current flows through the third pin 130 and the fifth pin 150 because they are switched to Z, thus acting as an open circuit.
  • the precharge phase furthermore, the first storage capacitor C A and the additional capacitor C L are connected in parallel with one another.
  • the control unit switches the second pin 120 from H to Z and the third pin 130 from Z to L.
  • the wiring of the remaining pins remains unchanged.
  • This pin assignment causes the third pin 130 acts as a charge sink, in which the storage capacitor C A and the additional capacitor C L discharged.
  • the control unit 100 repeats these two steps during the precharging phase of a measuring operation until the voltage across the reference capacitor C Ref exceeds a first predetermined threshold value. A portion of the charge, which is stored in the first storage capacitor C A and in the additional capacitor C L , is in each case transferred substantially without resistance into the reference capacitor.
  • the first threshold value is essentially identical to a voltage amount which the evaluation unit 300 has determined or calculated during a preceding measurement operation by detecting the potential profile at the second input 380.
  • the evaluation unit 300 preferably determines or calculates this voltage amount after the control unit 100 has transferred the changeover contact 295 once or several times briefly to the second switch position and a charge equalization has taken place between the measuring capacitor C Mes and the second storage capacitor C B , ie after the transfer phase (cf. once).
  • C A in equation (2) indicates the capacity of the first storage capacitor, C Re f the capacitance of the reference capacitor and C L the capacitance of the additional capacitor.
  • the indicated 5 V form the output voltage at the second pin 120. As described above, this output voltage can also have a different value, such as 2.5 V or 3.3V or 7.5V.
  • the adjustment of the operating point, so setting the voltage at the reference capacitor C Re f also according to equation (2a).
  • the pin circuit slightly deviates in the "precharge phase" line according to the table shown in Fig. 1.
  • the second pin 120 would not be switched from H to Z. but from L to Z or, if a plurality of charge transfer steps are performed, toggling several times between L and Z.
  • the control unit 100 is also adapted to modify the first step described above by not using the fourth pin 140 during the first step Then, no current can flow into the additional capacitor C L.
  • the precharging of the reference capacitor C Re f in this variant takes place with a different voltage swing, namely with
  • the precharge of the reference capacitor C Ref can be adjusted by dimensioning the additional capacitor C L and by appropriate wiring of the fourth pin 140. In particular, it is also possible to operate the circuit arrangement without the additional capacitor C L.
  • the voltage is set at the reference capacitor C Ref according to equation (1 a), ie by previous full charge and then the following discharge.
  • the control unit 100 does not charge the reference capacitor C Ref via a resistor, but through a charge transfer method.
  • the pre-charging of the reference capacitor C Ref and thus the adjustment of the operating point is carried out very quickly and accurately.
  • the amplitude of the voltage swing which the control unit causes during a respective first step of the precharging phase at the reference capacitor C ref can be set in particular by dimensioning the additional capacitor C L.
  • the reference capacitor C Ref is now precharged and the first storage capacitor C A discharged.
  • the state in the first measurement branch 250 remains unchanged.
  • the pins 1 10 to 150 are therefore each switched to Z.
  • the reference capacitor C Ref is precharged and the first storage capacitor C A is discharged.
  • the control unit 100 transfers the changeover contact 295 once or several times briefly into the second switch position in the transfer phase of the measurement process, so that a charge equalization between the measurement capacitor C Mes and the second storage capacitor C B can take place once or several times.
  • the control unit 100 transfers the changeover contact 295, for example, once or several times for about 50 ns in the second switch position. For this purpose, the control unit 100 switches the control pin 170 to a high level for just this time. During this time, charge from the measuring capacitor C Mes flows into the second storage capacitor C B because the measuring capacitor C Mes has been previously charged via the sixth pin 160. By the one-time or multiple short-term switching of the changeover 295 so charge from the measuring capacitor C Mes flows into the previously discharged second storage capacitor C B. There, consequently, a small Umladeschreib is generated, the amplitude of which depends on the size of the capacitance of the measuring capacitor C Mes . This Umladeitatishub is for example at about 50 mV. The advantage of switching multiple times is that the amplitude of the recharging voltage swing is increased. As a result, an improved signal-to-noise ratio can be achieved and thus the evaluation unit 300 can more reliably provide the measurement result 302.
  • the control unit 100 causes a charging of the first storage capacitor C A and the second storage capacitor C B.
  • the control unit 100 switches the first pin 1 10 to H and all other pins 120, 130, 150 and in particular pin 140 each to Z.
  • the control unit 100 causes a first charging current through the first charging resistor R A , which charges the first storage capacitor C A , and a second charging current through the second charging resistor R B , which charges the second storage capacitor C B.
  • no current flows via the second pin 120, the third pin 130, the fourth pin 140 and the fifth pin 150 and, of course, via the inputs of the evaluation unit 300.
  • the potentials at the first measuring point 240 and at the second measuring point 280 begin to increase simultaneously.
  • the evaluation unit 300 monitors the potential profile at the first measurement point 240 and the potential profile at the second measurement point 280 during the full charge phase.
  • the evaluation unit 300 records a time difference value between a first time at which the potential at the first input of the evaluation unit 340, ie at the first measurement point 240, exceeds a second predetermined threshold, and a second time at which the potential at the second input of the evaluation unit 380, ie at the second measuring point 280, exceeds the second predetermined threshold value.
  • the second predetermined threshold like the high level, is about 5 volts.
  • the evaluation unit detects both in the potential curve at the first measuring point 240 and in the potential curve at the second measuring point 280 a transition from a low level to a high level.
  • the evaluation unit 300 provides the measurement result 302. If the time difference value is, for example, zero or almost zero, then the capacitance of the measuring capacitor C Mes has not changed, or barely changed, in comparison with a previous measuring process. On the other hand, if the time difference value between the first and the second time point is comparatively large, then the evaluation unit preferably lets this conclude that a significant change in capacitance took place in the measuring capacitor C Mes and provided a corresponding measurement result 302.
  • the adjustment of the operating point of the circuit arrangement in the precharge phase, namely by precharging the reference capacitor C ref results in that even extremely small capacitance changes on the measuring capacitor C Mes cause a comparatively large time difference between the first time and the second time.
  • a capacitance change in the measurement capacitor C Mes of approximately 1 pF leads to a time difference of approximately 10 ns, which can be detected by the evaluation unit.
  • this timing can also be configured differently depending on the circuit dimensioning and / or depending on the timing of a measurement process.
  • the circuit arrangement shown in Fig. 1 is characterized in particular by the fact that the adjustment of the operating point by the charge transfer method is particularly fast and accurate.
  • FIG. 2 shows a schematic and exemplary illustration of a switch module 400 with a circuit breaker 410 for switching a current 412 and a driver 420 for controlling the circuit breaker 410.
  • the circuit breaker 410 is part of a drive unit, not shown in FIG. 2 for opening or closing a vehicle component.
  • the power switch 410 is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or other power switch.
  • the driver 420 comprises a circuit arrangement as shown in FIG.
  • the circuit arrangement continuously performs successive measuring operations, as have been described for Fig. 1.
  • the driver 420 supplies the measurement result 302 to the power switch 410 as a control signal for turning on or off the power 412.
  • the measurement capacitor C Mes of the measurement network 200 is formed, for example, by an open electrode on the vehicle.
  • the capacitance of the measuring capacitor C M changes, it has for example because issued a hand or foot of a person between the electrode and earth, the evaluation unit 300 detects the driver 420, this capacitance change, and to the power switch 410, the measurement result 302 as a control signal to so the power switch 410 closes and current 412 can flow through the power switch 410. This causes, for example, opening a tailgate of a vehicle.
  • L low level e.g. 0 volts
  • H high level e.g. 5 volts

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Messen einer Kapazität und/oder einer Kapazitätsänderung eines Messkondensators (CMes). Die Schaltungsanordnung umfasst ein Messnetzwerk (200), eine Steuereinheit (100) zum Steuern des Messnetzwerkes (200) und eine Auswerteeinheit (300) zum Bereitstellen eines Messergebnisses (302). Das Messnetzwerk (200) weist einen ersten Messzweig (250) mit einem an einen Referenzkondensator (CRef) gekoppelten ersten Speicherkondensator (CA) und einen zweiten Messzweig (290) mit einem für eine Kopplung an den Messkondensator (CMes)ausgestalteten zweiten Speicherkondensator (CB) auf. Ein erster Messpunkt (240) des ersten Messzweiges (250) ist auf einen ersten Eingang (340) der Auswerteeinheit (300) geschaltet und ein zweiter Messpunkt (280) des zweiten Messzweiges (290) auf einen zweiten Eingang (320) der Auswerteeinheit (300). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuereinheit (100) zum Einstellen eines Arbeitspunktes der Schaltungsanordnung den ersten Speicherkondensator (CA) und den Referenzkondensator (CRef) mit einer Vorladespannung beaufschlägt und dass der erste Speicherkondensator (CA) und der Referenzkondensator (CRef) im Wesentlichen widerstandsfrei an die Steuereinheit (100) gekoppelt sind.

Description

Schaltungsanordnung zum Erfassen einer Kapazitätsänderung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 , ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Messen einer Kapazität und/oder einer Kapazitätsänderung eines Messkondensators sowie ein entsprechendes Computerprogramm zum Betreiben einer Schaltungsanordnung und ein entsprechendes maschinenlesbares Speichermedium.
Eine Schaltungsanordnung zum Messen einer Kapazität und/oder einer Kapazitätsänderung ist beispielsweise aus der DE 197 01 899 A1 bekannt.
Dort wird ein erster Umschaltkontakt zwischen einer ersten Schalterstellung und einer zweiten Schalterstellung hin und her geschaltet. Die erste Schalterstellung führt zu einem Ladevorgang, bei dem ein Speicherkondensator über ein Widerstandsnetzwerk geladen wird. Während dieses Ladevorgangs entlädt sich ein Messkondensator, dessen Kapazität und/oder Kapazitätsänderung zu erfassen ist, nach Masse. Die zweite Schalterstellung des ersten Umschaltkontaktes führt zu einem Entladevorgang, bei dem sich der zuvor geladene erste Speicherkondensator über einen hochohmigen Ankoppelwiderstand in den Messkondensator entlädt. Der Messkondensator wird so geladen. Der Entladevorgang und der Ladevorgang sind Teil eines Messvorgangs.
Das Potential des ersten Speicherkondensators ist einer Auswerteschaltung der Schaltungsanordnung zugeführt. Der Verlauf des Potentials des ersten Speicherkondensators ist abhängig von der (veränderlichen) Kapazität des Messkondensators.
In gleicher weise wird bei der DE 197 01 899 A1 synchron zum Laden und Entladen des Messkondensators ein Referenzkondensator, dessen Kapazität bekannt ist, entladen und über einen zweiten Speicherkondensator geladen. Auch das Potential des zweiten Speicherkondensators ist der Auswerteschaltung zugeführt.
Im Gegensatz zu dem variablen Verlauf des Potentials des ersten Speicherkondensators ist der Verlauf des Potentials des zweiten Speicherkondensators während der Ladephase des Referenzkondensators, also während des Entladens des ersten Speicherkondensators, im Wesentlichen gleichbleibend. Folglich kann mittels eines Vergleichs des Verlaufs des Potentials des ersten Speicherkondensators mit dem Verlauf des Potentials des zweiten Speicherkondensators eine Kapazität und/oder eine Kapazitätsänderung des Messkondensators gemessen werden. Diese Art einer Kapazitätsmessung wird allgemein auch als sog. „switched capacitor measurement" bezeichnet.
Bei jedem Messvorgang geht durch das Laden des Messkondensators und des Referenzkondensators und durch das anschließende Entladen über Masse eine bestimmte Ladungsmenge verloren. Für einen nachfolgenden Messvorgang werden die Speicherkondensatoren daher auf ein bestimmtes Potential nachgeladen. Dies erfolgt bei der DE 197 01 899 A1 über zwei Spannungsteiler. Der Spannungsteiler für das Nachladen des ersten Speicherkondensators umfasst einen konstanten Widerstand sowie ein Potentiometer mit variablem Widerstandswert.
Durch Festlegen eines bestimmten Widerstandswertes des Potentiometers kann zudem manuell ein Arbeitspunkt eingestellt werden, beispielsweise eine Empfindlichkeit der vorbekannten Schaltungsanordnung oder die Dauer der Ladephase oder ein Endpotential, das der erste Speicherkondensator nach einem Ladevorgang einnimmt.
Nachteilig an der vorbekannten Schaltungsanordnung ist diese mittels des Widerstandsnetzwerks erfolgende Einstellung eines Arbeitspunktes. Durch die Verwendung von Widerständen ergeben sich lang andauernde Ladezeiten, wodurch ein Erfassen einer Kapazität und/oder einer Kapazitätsänderung des Messkondensators, was mehrere Messvorgänge und damit mehrere Ladevorgänge beinhalten kann, vergleichsweise viel Zeit in Anspruch nimmt. Darüber hinaus werden durch die Verwendung von Widerständen Ungenauigkeiten eingekoppelt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Erfassen einer Kapazität und/oder einer Kapazitätsänderung eines Messkondensators vorzuschlagen, die schneller und genauer arbeiten kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Messen der Kapazität und/oder der Kapazitätsänderung des Messkondensators umfasst die Steuereinheit, die zum Steuern des Messnetzwerks ausgebildet ist. Die Auswerteeinheit zum Bereitstellen des Messergebnisses überwacht im Messnetzwerk Potentialverläufe, die sich auf Grund der bestimmten Steuerung des Messnetzwerkes ergeben. Das bereitgestellte Messergebnis ist indikativ für die Kapazität und/oder die Kapazitätsänderung des Messkondensators.
Der erste Speicherkondensator und der an diesen gekoppelte Referenzkondensator bilden den ersten Messzweig des Messnetzwerks. Der zweite Speicherkondensator und der daran koppelbare Messkondensator bilden den zweiten Messzweig des Messnetzwerkes. Zum Messen der Kapazität und/oder der Kapazitätsänderung des Messkondensators überwacht die Auswerteeinheit zum einen den Potentialverlauf am ersten Messpunkt des ersten Messzweiges und zum anderen den Potentialverlauf am zweiten Messpunkt des zweiten Messzweiges, die sich während eines Messvorgangs, also während einer bestimmten Steuerung des Messnetzwerkes durch die Steuereinheit ergeben. Aus einem Vergleich der beiden Potentialverläufe kann die Auswerteeinheit auf die Kapazität und/oder auf die Kapazitätsänderung des Messkondensators schließen, was weiter unter näher erläutert werden soll. Die Steuereinheit ist ausgebildet, zum Einstellen des Arbeitspunktes der Schaltungsanordnung in der Vorladephase des Messvorgangs einen Spannungshub am Referenzkondensator zu verursachen. Dazu beaufschlägt die Steuereinheit den ersten Speicherkondensator und den Referenzkondensator im Wesentlichen widerstandsfrei mit einer Vorladespannung. Die Steuereinheit ist für die Zwecke der Vorladung über eine im Wesentlichen widerstandsfreie Verbindung an den ersten Speicherkondensator und den Referenzkondensator gekoppelt. Der Spannungshub, der sich aufgrund der Beaufschlagung mit der Vorladespannung am Referenzkondensator einstellt, ist abhängig von der Vorladespannung und einem Verhältnis zwischen der Kapazität des ersten Speicherkondensators und der Kapazität des Referenzkondensators, nicht aber von einem ohmschen Vorladewiderstand. Ein Vorladestrom, der sich aufgrund der Beaufschlagung mit der Vorladespannung einstellt, erfährt demnach keine ohmsche Begrenzung aufgrund eines zwischen der Steuereinheit einerseits und dem Referenzkondensator und dem ersten Speicherkondensator geschalteten Vorladewiderstand. Ein solcher Vorladewiderstand ist bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nicht vorgesehen. Zum Einstellen des Arbeitspunktes der Schaltungsanordnung lädt die Steuereinheit den Referenzkondensator in der Vorladephase nicht über einen Vorladewiderstand vor, sondern durch ein Ladungstransferverfahren (engl.:„Charge-Transfer"). Dabei verursacht die Steuereinheit während der Vorladephase einen Transfer von Ladung aus dem ersten Speicherkondensator in den Referenzkondensator. Dieser Ladungstransfer erfolgt im Wesentlichen widerstandsfrei, da zwischen dem Referenzkondensator und dem ersten Speicherkondensator kein ohmscher Widerstand angeordnet ist. Aufgrund des widerstandsfreien Ladungstransfers wird der Referenzkondensator sehr schnell geladen. Dies soll weiter unten näher erläutert werden. Dabei kann der am Referenzkondensator verursachte Spannungshub durch Dimensionierung des Referenzkondensators und durch Dimensionierung des Speicherkondensators, insbesondere durch Festlegen entsprechender Kapazitätswerte, eingestellt werden. Diese Eigenschaft der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung führt zu einer Vielzahl von Vorteilen:
Zunächst erfolgen das Vorladen des Referenzkondensators und damit das Einstellen des Arbeitspunktes der Schaltungsanordnung äußerst schnell. Die gemäß Stand der Technik entstehende Ladezeit, die sich aus dem Kehrwert des Produktes von einem eigens vorgesehenen (in der Regel hochohmigen) Vorladewiderstand und einem Kapazitätswert berechnet, fällt bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nicht an, da kein ohmscher Vorladewiderstand den Vorladestrom begrenzt. Ein Widerstand, der eventuell durch Leitungen und/oder Kontakte zwischen der Steuereinheit einerseits und dem ersten Messzweig andererseits gebildet ist, hat bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung keinen nennenswerten Einfluss auf das Vorladen des Referenzkondensators. Da zum Vorladen zwischen der Steuereinheit einerseits und dem Referenzkondensator und dem ersten Speicherkondensator andererseits kein Vorladewiderstand vorgesehen ist, entfällt auch ein etwaiges durch einen solchen Vorladewiderstand eingekoppeltes Rauschen. Damit bilden sich bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung an dieser Stelle auch keine Schmutznebenschlusswiderstände, die bei der vorbekannten Schaltungsanordnung schnell zu größeren Messfehlern und mitunter zu einem Funktionsausfall führen können. Damit ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung resistenter gegen Feuchtigkeitsentwicklungen und/oder Schmutzentwicklungen und weist ein zuverlässigeres Verhalten auf.
Gemäß dem Stand der Technik wird zum Einstellen eines Arbeitspunktes ein Kondensator über einen in der Regel hochohmigen Widerstand geladen. Sobald der Kondensator einen Schwellenwert überschreitet, wird der Ladevorgang unterbrochen. Diese Unterbrechung des Ladevorgangs führt zu einer Ungenauigkeit bei der Endspannung des Kondensators und damit zu einer ungenauen Arbeitspunkteinstellung, weil die Unterbrechung des Ladevorgangs nur mit einer begrenzten Zeitgenauigkeit erfolgen kann. Wird eine Steuereinheit der vorbekannten Schaltungsanordnung beispielsweise mit einer Frequenz von 2 MHz getaktet, so könnte dort der Ladevorgang nur alle 500 ns unterbrochen werden. Eine genauere Einstellung des Arbeitspunktes könnte einerseits durch eine höher getaktete Steuereinheit und andererseits durch einen noch größeren Ladewiderstand, erreicht werden. Allerdings sind hoch getaktete Steuereinheiten teurer und ein größerer Ladewiderstand würde den Ladevorgang - und damit den Messvorgang - noch weiter verlangsamen. Die vorbekannte Schaltungsanordnung unterliegt folglich insbesondere dem Zielkonflikt, dass eine genauere Arbeitspunkteinstellung einen längeren Messvorgang bedingt. Bei vielen Anwendungen sind indes schnelle und genaue Messvorgänge zweckmäßig.
Da die Steuereinheit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ausgebildet ist, den Referenzkondensator und den ersten Speicherkondensator mit der Vorladespannung zu beaufschlagen und der Referenzkondensator und der erste Speicherkondensator im Wesentlichen widerstandsfrei an die Steuereinheit gekoppelt sind, trifft dieser Zielkonflikt auf die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nicht zu. Eine Unterbrechung des Vorladestroms findet nicht statt. Vielmehr leitet die Steuereinheit während eines Messvorgangs eine der Vorladephase nachgelagerte Phase erst dann ein, wenn die Vorladephase in einem eingeschwungenen Zustand ist, also das Vorladen des Referenzkondensators beendet worden ist. Das Vorladen geschieht aufgrund des Nichtvorhandenseins eines Vorladewiderstands äußerst schnell. Zum schnellen Bereitstellen des genauen Messergebnisses muss die Steuereinheit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung folglich nicht notwendigerweise besonders hoch getaktet sein. Die Einstellung des Arbeitspunktes wird beispielsweise über die Anzahl der Vorladezyklen bestimmt. Auf eine hohe Taktgenauigkeit kommt es insoweit bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nicht an.
Das unterbrechungsfreie Vorladen des Referenzkondensators hat darüberhinaus den Vorteil, dass ein eventuell beim Stellen der Vorladespannung durch die Steuereinheit vorhandener Jitter keine Auswirkungen auf die Amplitude des Spannungshubs hat. Anders ausgedrückt: Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung stellt keine hohen Anforderungen an ein Jitter-armes Zeitsignal.
Damit kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nicht nur ein genaues Messergebnis in kurzer Zeit bereitstellen, sondern darüber hinaus auch sehr kostengünstig hergestellt werden.
Es sei angemerkt, dass die Schaltungsanordnung üblicherweise eine Vielzahl von Messvorgängen durchführt, um die Kapazität und/oder die Kapazitätsänderung zuverlässig zu messen, wobei die Steuereinheit bei jedem Messvorgang den Arbeitspunkt der Schaltungsanordnung erneut einstellt. Um zügig ein Messergebnis bereitzustellen, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Einstellen des Arbeitspunktes schnell und zuverlässig erfolgt. Dies wird durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung erreicht. Mit dem Begriff „Kapazität" ist im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung ein Kapazitätswert des Messkondensators gemeint. Folglich bezeichnet der Begriff „Kapazitätsänderung" eine betragsmäßige Änderung des Werts der Kapazität des Messkondensators. Ein „Messkondensator" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise als Kondensator im engeren Sinne zu verstehen. Vielmehr kann der Messkondensator auch durch eine offene Elektrode des Messnetzwerkes gebildet sein, die über Masse eine bestimmte Kapazität aufweist. Die Kapazität eines derartigen Messkondensators kann sich beispielsweise dadurch ändern, dass sich ein Objekt, wie beispielsweise eine Hand oder ein Fuß eines Menschen, in die Luftstrecke zwischen der offenen Elektrode einerseits und Masse andererseits begibt. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist insbesondere ausgebildet, eine solche Kapazitätsänderung zu detektieren.
Mit „Messen einer Kapazität und/oder einer Kapazitätsänderung" ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere auch ein bloßes Detektieren einer Kapazitätsänderung zu verstehen.
Mit der Formulierung„im Wesentlichen widerstandsfrei" ist beispielsweise gemeint, dass die von der Steuereinheit bereitgestellte Vorladespannung dem Verbund aus Referenzkondensator und erstem Speicherkondensator über eine Zuleitung zugeführt ist, an der kein ohmscher Widerstand angeordnet ist. Abgesehen von einer Impedanz einer solchen Zuleitung erfährt der sich aufgrund der Vorladespannung einstellende Vorladestrom keine ohmsche Begrenzung. Unter einer im Wesentlichen widerstandsfreien Kopplung zwischen Komponenten der Schaltungsanordnung ist vorliegend beispielsweise eine Leitung oder eine Leiterbahn zu verstehen, an der keine weiteren Bauteile wie Widerstände, Kondensatoren oder Spulen vorgesehen sind.
Die Steuereinheit ist beispielsweise in Gestalt eines Microcontrollers implementiert, der eine Vielzahl von Pins aufweist, über die das Messnetzwerk an die Steuereinheit gekoppelt ist. Das Messnetzwerk umfasst weitestgehend passive elektronische Bauelemente, wie ohmsche Widerstände und Kondensatoren.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist nicht auf eine Verwendung bestimmter Kondensatortypen beschränkt. Es können für die Speicherkondensatoren und/oder den Referenzkondensator beispielsweise polarisierte und/oder nicht-polarisierte Kondensatortypen gewählt werden. Erfolgt das Messen bei einer hohen Schaltfrequenz, sind verlustarme Kondensatortypen zweckmäßig.
Die Auswerteeinheit kann beispielsweise auch in der Steuereinheit implementiert sein. Die Eingänge der Auswerteeinheit sind bevorzugt hochohmig geschaltet, so dass an diesen ein Potentialverlauf am ersten Messpunkt und ein Potentialverlauf am zweiten Messpunkt erfasst werden können.
Um den Referenzkondensator und den ersten Speicherkondensator mit der Vorladespannung zu beaufschlagen, ist die Steuereinheit bevorzugt dazu ausgebildet, einen Pin der Steuereinheit, an den der Referenzkondensator und der erste Speicherkondensator im Wesentlichen widerstandsfrei gekoppelt sind, auf einen High- Pegel zu schalten. Der Betrag der Vorladespannung ist bevorzugt konstant und entspricht beispielsweise einem High-Pegel, wie üblicherweise 5 Volt. Freilich sind auch andere High-Pegel möglich, wie beispielsweise 7,5 Volt oder 2,5 Volt. Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen der Schaltungsanordnung zum Messen der Kapazität und/oder der Kapazitätsänderung des Messkondensators beschrieben. Die Merkmale dieser Ausführungsformen können miteinander als auch mit den Merkmalen der oben bereits beschriebenen Varianten der Schaltungsanordnung kombiniert werden, um zusätzliche Ausführungsformen zu bilden.
Bei einer Ausführungsform ist die Steuereinheit ausgebildet, in einem zweiten Schritt der Vorladephase den ersten Speicherkondensator zu entladen. So führt ein erneutes Beaufschlagen des ersten Speicherkondensators und des Referenzkondensators mit der Vorladespannung zu einem erneuten Spannungshub am Referenzkondensator. Dieser erneute Spannungshub ist wiederum lediglich abhängig von dem vorherigen Spannungshub, dem Betrag der Vorladespannung und dem Verhältnis zwischen der Kapazität des ersten Speicherkondensators und der Kapazität des Referenzkondensators, nicht aber von einem Vorladewiderstand. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist die Steuereinheit ausgebildet, während der Vorladephase des Messvorgangs den ersten Schritt und den zweiten Schritt zu wiederholen, bis eine Spannung am Referenzkondensator, insbesondere das Potential am ersten Messpunkt, einen ersten Schwellenwert überschreitet. Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Schwellenwert um einen Spannungsbetrag, der während eines vorhergehenden Messvorgangs von der Auswerteeinheit ermittelt oder berechnet worden ist. Dies soll weiter unten näher erläutert werden.
Durch ein solches Einstellen des Arbeitspunktes wird eine besonders hohe Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung erreicht. Eine Abweichung der Kapazität des Messkondensators während eines aktuellen Messvorgangs im Vergleich zu einer Kapazität während eines vorhergehenden Messvorgangs führt in dieser Variante bei einem Vollladen des ersten und des zweiten Speicherkondensators zu deutlichen Abweichungen zwischen dem Potentialverlauf am ersten Eingang der Auswerteeinheit einerseits und dem Potentialverlauf am zweiten Eingang der Auswerteeinheit andererseits. Die Auswerteeinheit kann so eine Abweichung zwischen den Potentialverläufen leichter erkennen und damit eine Kapazitätsänderung detektieren, die beispielsweise durch ein Objekt, wie eine Hand oder ein Fuß eines Menschen, zwischen einer offenen Elektrode im Messnetzwerk und der Erde verursacht wurde.
Dadurch, dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung das Ladungstransferverfahren zum Vorladen des Referenzkondensators implementiert und auf ein übliches, langandauerndes Laden des Referenzkondensators mittels eines Vorladewiderstandes verzichtet, ist es möglich, dass die Wiederholung des ersten Schrittes und zweiten Schritts zügig folgt, so dass die Dauer eines gesamten Messvorgangs durch die genaue Einstellung des Arbeitspunktes der Schaltungsanordnung nicht signifikant vergrößert wird. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann demnach sehr schnell und genau die Kapazität und/oder die Kapazitätsänderung des Messkondensators messen/detektieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung weist der erste Messzweig einen oder mehrere zusätzliche Kondensatoren auf, die während der Vorladephase parallel zu dem ersten Speicherkondensator geschaltet sind. Durch Dimensionierung der zusätzlichen Kondensatoren / des zusätzlichen Kondensators kann der Betrag des sich während der Vorladephase am Referenzkondensator einstellenden Spannungshubs genauer eingestellt, insbesondere vergrößert werden. Dazu muss die Kapazität des ersten Speicherkondensators nicht geändert werden. Bevorzugt ist die Steuereinheit ausgebildet, während des zweiten Schritts der Vorladephase nicht nur den ersten Speicherkondensators zu entladen, sondern auch den zusätzlichen Kondensator / die zusätzlichen Kondensatoren. Ein Messvorgang beinhaltet bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung üblicherweise eine Entladephase, die Vorladephase sowie eine Vollladephase. Der Ablauf der Vorladephase wurde oben bereits erläutert.
In einer bevorzugten Variante der Schaltungsanordnung ist die Steuereinheit ausgebildet, in der Entladephase des Messvorgangs den ersten Speicherkondensator, den zweiten Speicherkondensator und den Referenzkondensator und gegebenenfalls den zusätzlichen Kondensator / die zusätzlichen Kondensatoren zu entladen. In der Entladephase des Messvorgangs initialisiert die Steuereinheit die Schaltungsanordnung damit für eine neue Messung.
Die Steuereinheit ist bevorzugt ausgebildet, nach der Entladephase die Vorladephase einzuleiten und diese wie oben beschrieben durchzuführen. Bei der Vorladephase stellt die Steuereinheit den Arbeitspunkt der Schaltungsanordnung ein, insbesondere durch das oben beschriebene Vorladen des Referenzkondensators. Dadurch wird eine hohe Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung erzielt. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung weist der zweite Messzweig einen Umschaltkontakt auf, über den der Messkondensator an den zweiten Speicherkondensator gekoppelt ist. Dabei ist die Steuereinheit ausgebildet, den Umschaltkontakt wahlweise in eine erste Schalterposition, bei der der Messkondensator vom zweiten Speicherkondensator elektrisch isoliert ist, oder in eine zweite Schalterposition, bei der der Messkondensator auf den zweiten Speicherkondensator geschaltet ist, zu versetzen. Die Steuereinheit ist bevorzugt ferner ausgebildet, in einer Umladephase des Messvorgangs den Umschaltkontakt einmalig oder mehrmalig kurzzeitig in die zweite Schalterposition zu überführen, so dass einmalig oder mehrmalig ein Ladungsausgleich zwischen dem Messkondensator und dem zweiten Speicherkondensator stattfinden kann.
Um diesen Ladungsausgleich zu verursachen, überführt die Steuereinheit den Umschaltkontakt beispielsweise einmalig oder mehrmalig für etwa 50 ns in die zweite Schalterposition. In dieser Zeit fließt Ladung vom Messkondensator in den zweiten Speicherkondensator oder vom zweiten Speicherkondensator in den Messkondensator. An dieser Stelle sei aber angemerkt, dass die Zeitdauer, in der sich der Umschaltkontakt in der zweiten Schalterposition befindet, keinen direkten Einfluss auf die Ausgestaltung der Vorladephase hat. Bei der ersten Schalterposition ist der Messkondensator bevorzugt auf einen Pin der Steuereinheit geschaltet, welcher auf einem High-Pegel liegt. Durch das einmalige oder mehrmalige kurzzeitige Umschalten des Umschaltkontaktes fließt Ladung von dem Messkondensator in den zuvor entladenen zweiten Speicherkondensator. Dort wird folglich ein kleiner Umladespannungshub erzeugt, dessen Amplitude von der Größe der Kapazität des Messkondensators abhängig ist. Dieser Umladespannungshub liegt bei beispielsweise bei etwa 50 mV. Der Vorteil des mehrmaligen Umschaltens liegt darin, dass die Amplitude des Umladespannungshubs vergrößert wird. Dadurch kann ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis erzielt werden und somit die Auswerteeinheit zuverlässiger das Messergebnis bereitstellen.
Bevorzugt ist die Steuereinheit ferner ausgebildet, in einer Vollladephase des Messvorgangs den ersten Speicherkondensator und den zweiten Speicherkondensator zu laden. Sollte der zusätzliche Kondensator ebenfalls vorgesehen sein, so stellt die Steuereinheit bevorzugt sicher, dass der zusätzliche Kondensator in der Vollladephase nicht geladen wird. Während dieser Vollladephase ist die Auswerteeinheit bevorzugt ausgebildet, den Potentialverlauf am ersten Messpunkt, also den Potentialverlauf am ersten Eingang der Auswerteinheit, und den Potentialverlauf am zweiten Messpunkt, also am zweiten Eingang der Auswerteeinheit, miteinander zu vergleichen. Dies soll weiter unten näher dargestellt werden.
Zusammengefasst ist die Steuereinheit in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Schaltungsanordnung ausgebildet, bei dem Messvorgang nacheinander die Entladephase, die Vorladephase, die Umladephase und die Vollladephase durchzuführen, wobei die Auswerteeinheit bevorzugt ausgebildet ist, das Messergebnis während der Vollladephase zu erzeugen. Das eigentliche Messen der Kapazität und/oder der Kapazitätsänderung erfolgt demnach bevorzugt während der Vollladephase. Die beiden vorhergehenden Phasen, die Entladephase und die Vorladephase, dienen der Vorbereitung dieser Messung. Ein jeweiliger Messvorgang erstreckt sich beispielsweise über eine Zeitdauer zwischen 10 und 100 μβ.
Die Umladephase führt die Steuereinheit bevorzugt nach der Entladephase und der Vorladephase sowie vor der Volladephase durch. Auf diese Weise können negative Auswirkungen auf den Messvorgang, die durch einen etwaigen Leckstrom beim zweiten Speicherkondensator verursacht werden könnten, vermieden oder verringert werden.
Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist im ersten Messzweig des Messnetzwerks der erste Speicherkondensator einerseits über einen ersten Ladewiderstand an einen ersten Pin der Steuereinheit und über den Referenzkondensator an den ersten Messpunkt und an einen zweiten Pin der Steuereinheit gekoppelt sowie im Wesentlichen widerstandsfrei auf einen dritten Pin der Steuereinheit geschaltet und liegt andererseits auf Masse. Folglich ist der zweite Pin mit dem ersten Messpunkt verbunden.
Eine erste Elektrode des ersten Speicherkondensators ist beispielsweise mit einem Masseanschluss verbunden. Eine zweite Elektrode des ersten Speicherkondensators ist zum einen über den ersten Ladewiderstand an den ersten Pin der Steuereinheit und über den Referenzkondensator an den zweiten Pin der Steuereinheit gekoppelt. Außerdem ist die zweite Elektrode des ersten Speicherkondensators im Wesentlichen widerstandsfrei auf den dritten Pin der Steuereinheit geschaltet. Der erste Speicherkondensator und der Referenzkondensator sind somit zwischen dem zweiten Pin und einem Masseanschluss in Serie geschaltet, sofern der dritte Pin der Steuereinheit hochohmig geschaltet ist.
Im zweiten Messzweig des Messnetzwerks ist der zweite Speicherkondensator einerseits über einen zweiten Ladewiderstand an den ersten Pin der Steuereinheit gekoppelt sowie im Wesentlichen widerstandsfrei auf den zweiten Messpunkt geschaltet und liegt andererseits auf Masse. Eine erste Elektrode des zweiten Speicherkondensators ist also ebenfalls mit einem Masseanschluss verbunden. Eine zweite Elektrode des zweiten Speicherkondensators ist über den zweiten Ladewiderstand mit dem ersten Pin der Steuereinheit verbunden. Ferner ist die zweite Elektrode des zweiten Speicherkondensators im Wesentlichen widerstandsfrei auf den zweiten Eingang der Auswerteeinheit geschaltet. Über die zweite Elektrode des zweiten Speicherkondensators kann der Messkondensator an den zweiten Speicherkondensator gekoppelt sein.
Außerdem ist bei dem konkreten Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung die Steuereinheit ausgebildet, in dem ersten Schritt der Vorladephase den zweiten Pin auf einen High-Pegel und den dritten Pin hochohmig zu schalten. Dadurch beaufschlägt die Steuereinheit den ersten Speicherkondensator und den Referenzkondensator mit der Vorladespannung, so dass der Referenzkondensator und der erste Speicherkondensator vorgeladen werden. Während dieses ersten Schritts der Vorladephase veranlasst die Steuereinheit das Erzeugen des Spannungshubs am Referenzkondensator. Der Betrag der Vorladespannung, die von der Steuereinheit gestellt wird, liegt bei einem üblichen High-Pegel Spannungsniveau, wie beispielsweise bei 2,5 V, bei 3,3 V bei 5 V oder bei 7 V, je nachdem, in welcher Technologie die Steuereinheit implementiert ist.
Bevorzugt ist die Steuereinheit ferner dazu ausgebildet, in dem zweiten Schritt der Vorladephase den zweiten Pin hochohmig und den dritten Pin auf einen Low-Pegel zu schalten, so dass sich der erste Speicherkondensator entlädt. Während des Entladens des ersten Speicherkondensators bleibt während des ersten Schritts in den Referenzkondensator transportierte Ladung im Wesentlichen unverändert. Durch ein erneutes Beaufschlagen des Referenzkondensators und des ersten Speicherkondensators mit der Vorladespannung, sprich durch ein erneutes Schalten des zweiten Pins auf einen High-Pegel und des dritten Pins auf hochohmig, verursacht die Steuereinheit einen erneuten Spannungshub am Referenzkondensator. Bevorzugt ist die Steuereinheit ausgebildet, während der Vorladephase des Messvorgangs den ersten Schritt und den zweiten Schritt n-Mal zu wiederholen, bis am Referenzkondensator eine Spannung anliegt, die in etwa gleich ist zu einer Spannung, die während eines vorhergehenden Messvorgangs am zweiten Messpunkt angelegen hat.
Gleichung (1 ) gibt die am Referenzkondensator anliegende Spannung UCRef, n nach der n- ten Wiederholung des ersten und des zweiten Schritts der Vorladephase an, wobei der High-Pegel in diesem Beispiel bei 5 Volt (5 V) liegt:
UcRef, n = (5 V - UcRef, n-l ) * CA CRef + UcRef, n-1 (1 )
CA gibt die Kapazität des ersten Speicherkondensators an und CRef die Kapazität des Referenzkondensators. Die angegeben 5 V bilden die Ausgangsspannung an einem Ausgang der Steuereinheit. Wie oben beschrieben, kann diese Ausgangsspannung auch einen abweichenden Wert, wie beispielsweise 2,5 V oder 3,3 V oder 7,5 V aufweisen.
Nach der Entladephase, der ersten Phase des Messvorgangs, beträgt die Spannung am Referenzkondensator zunächst UCRef, o = 0 V. Nach erstmaligem Durchführen des ersten und zweiten Schritts (n = 1 ) beträgt die Spannung am Referenzkondensator UcRef, n = 5 V * CA/CRef. Dies macht deutlich, dass der Betrag des Spannungshubs am Referenzkondensator lediglich abhängig ist von den Kapazitätswerten des Referenzkondensators und des ersten Speicherkondensators, nicht aber von einem Widerstandswert eines Vorladewiderstands.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, zum Einstellen des Arbeitspunktes den Referenzkondensator zunächst - also in der Entladephase - auf eine Initialspannung zu laden, und dann - also in der Vorladephase - stufenweise zu entladen, bis die Spannung am Referenzkondensator in etwa übereinstimmt mit dem ersten Schwellenwert. In diesem Fall bestimmt sich die Spannung am Referenzkondensator gemäß Gleichung (1 a)
UcRef. n = 5 V - (5 V - UcRef, n-l ) * CA/CRef (1 a) Wie oben bereits allgemein erläutert worden ist, ist es auch bei dem konkreten Ausführungsbeispiel bevorzugt, dass parallel zum ersten Speicherkondensator ein oder mehrere zusätzliche Kondensatoren geschaltet sind. Dadurch kann der Betrag des Spanungshubs vergrößert werden. Beispielsweise ist der erste Speicherkondensator dazu über den zusätzlichen Kondensator / die zusätzlichen Kondensatoren an einen vierten Pin der Steuereinheit gekoppelt. Die Steuereinheit ist beispielsweise ausgebildet, den vierten Pin in der Vorladephase des Messvorgangs auf einen Low-Pegel zu schalten, beispielsweise auf 0 Volt.
Da der Referenzkondensator mit dem ersten Speicherkondensator und den optional vorhandenen zusätzlichen Kondensatoren einen kapazitiven Spannungsteiler bildet, kann durch entsprechende Dimensionierung des zusätzlichen Kondensators / der zusätzlichen Kondensatoren, insbesondere durch Einstellen entsprechender Kapazitätswerte, die Amplitude des Spannungshubs, die die Steuereinheit in der Vorladephase am Referenzkondensator verursacht, eingestellt werden. Im Falle eines wie oben beschrieben zugeschalteten zusätzlichen Kondensators gibt während der Vorladephase nicht Gleichung (1 ), sondern Gleichung (2) die Spannung am Referenzkondensator an:
UcRef, n = (5 V - UcRef, n-l) * (CA+C|_)/CRef + UcRef, n-1 (2)
Dabei bezeichnet CL die Kapazität des zusätzlichen Kondensators. Auch bei der Variante mit dem zusätzlichen Kondensator ist es grundsätzlich möglich, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, zum Einstellen des Arbeitspunktes den Referenzkondensator zunächst - also in der Entladephase - auf die Initialspannung zu laden, und dann - also in der Vorladephase - stufenweise zu entladen, bis die Spannung am Referenzkondensator in etwa übereinstimmt mit dem ersten Schwellenwert. In diesem Fall bestimmt sich die Spannung am Referenzkondensator gemäß Gleichung (2a)
UcRef, n = 5 V - (5 V - UcRef, n-l) * (CA+CL)/CRef (2a) Wie oben erläutert, beinhaltet ein Messvorgang bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung üblicherweise die Entladephase, die Vorladephase sowie die Vollladephase.
Der zweite Speicherkondensator ist bevorzugt im Wesentlichen widerstandsfrei auf einen fünften Pin der Steuereinheit geschaltet. Bei dem konkreten Ausführungsbeispiel ist die Steuereinheit bevorzugt ausgebildet, in der Entladephase des Messvorgangs den ersten Pin, den zweiten Pin, den dritten Pin und den fünften Pin und ggf. den vierten Pin jeweils auf einen Low-Pegel zu schalten, so dass sich der erste Speicherkondensator, der zweite Speicherkondensator und der Referenzkondensator und gegebenenfalls der zusätzliche Kondensator / die zusätzlichen Kondensatoren jeweils entladen. In der Entladephase des Messvorgangs initialisiert die Steuereinheit die Schaltungsanordnung für eine neue Messung. Die Steuereinheit ist bevorzugt ausgebildet, nach der Entladephase die Vorladephase einzuleiten und diese wie oben beschrieben durchzuführen.
Bevorzugt ist die Steuereinheit ferner ausgebildet, in der Vollladephase des Messvorgangs den ersten Pin auf einen High-Pegel zu schalten, so dass der erste Speicherkondensator über den ersten Ladewiderstand und der zweite Speicherkondensator über den zweiten Ladewiderstand geladen werden. Die Steuereinheit schaltet den vierten Pin bevorzugt hochohmig, so dass kein Strom in den zusätzlichen Kondensator / die zusätzlichen Kondensatoren fließt. Während dieser Vollladephase ist die Auswerteeinheit bevorzugt ausgebildet, den Potentialverlauf am ersten Messpunkt und den Potentialverlauf am zweiten Messpunkt miteinander zu vergleichen, was weiter unten näher dargestellt werden soll.
Beispielsweise ist die Auswerteeinheit ausgebildet, einen Zeitdifferenzwert zwischen einem ersten Zeitpunkt, an dem das Potential am ersten Eingang der Auswerteeinheit, also am ersten Messpunkt, einen zweiten vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, und einen zweiten Zeitpunkt, an dem das Potential am zweiten Eingang der Auswerteeinheit, also am zweiten Messpunkt, den zweiten vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, zu erfassen und in Abhängigkeit des erfassten Zeitdifferenzwerts das Messergebnis bereitzustellen. Beträgt der Zeitdifferenzwert beispielsweise 50 ns, so hat sich die Kapazität des Messkondensators im Vergleich zu einem vorherigen Messvorgang nicht oder kaum geändert. Weicht die Zeitdifferenzwert zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt hingegen von diesen 50 ns ab, so lässt dies die Auswerteeinheit bevorzugt darauf schließen, dass eine signifikante Kapazitätsänderung beim Messkondensator erfolgte und ein entsprechendes Messergebnis bereitstellen.
Die Steuereinheit ist bevorzugt ausgebildet, den Arbeitspunkt durch Vorladen des Referenzkondensators derart vorzunehmen, dass der Zeitdifferenzwert bei unveränderter Kapazität des Messkondensators einen technisch sinnvollen Wert annimmt, wie beispielsweise 50 ns. Ändert sich die Kapazität des Messkondensators, so ändert sich dieser Zeitdifferenzwert. In einer Variante erfolgt eine Nachregelung des Arbeitspunktes durch die Steuereinheit erst dann, wenn der Zeitdifferenzwert außerhalb des Messbereichs der Auswerteeinheit liegt. Alternativ oder zusätzlich zum Erfassen des Zeitdifferenzwerts ist die Auswerteeinheit in einer Variante der Schaltungsanordnung ausgebildet, einen Ladungsdifferenzwert zwischen einer ersten Ladungsmenge, die während eines vorbestimmten Zeitraums der Vollladephase in den ersten Speicherkondensator geflossen ist, und einer zweiten Ladungsmenge, die während desselben Zeitraums in den zweiten Speicherkondensator geflossen ist, zu erfassen und in Abhängigkeit des erfassten Ladungsdifferenzwerts das Messergebnis bereitzustellen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist die Steuereinheit ferner ausgebildet, den Messvorgang zu wiederholen. Die Auswerteeinheit ist ausgebildet, für jeden der Messvorgänge den Zeitdifferenzwert bzw. den Ladungsdifferenzwert zwischen dem jeweiligen ersten Zeitpunkt und dem jeweiligen zweiten Zeitpunkt bzw. zwischen der jeweiligen ersten Ladungsmenge und der jeweiligen zweiten Ladungsmenge zu erfassen und die erfassten Zeitdifferenzwerte bzw. die erfassten Ladungsdifferenzwerte zu speichern sowie das Messergebnis in Abhängigkeit der gespeicherten Zeitdifferenzwerte bzw. Ladungsdifferenzwerte zu erzeugen.
Hier stellt die Auswerteeinheit ein gemitteltes Messergebnis bereit, womit die Zuverlässigkeit weiter erhöht wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung weisen der erste Speicherkondensator und der zweite Speicherkondensator eine in etwa gleich große Kapazität auf. Ebenso ist es bevorzugt, dass der erste Ladewiderstand und der zweite Ladewiderstand einen im Wesentlichen gleich großen ohmschen Widerstandswert aufweisen. Dies erleichtert das Bereitstellen eines Messergebnisses für die Auswerteeinheit, da die erfasste Zeitdifferenz und/oder die erfasste Ladungsdifferenz im Wesentlichen abhängig ist von einer Änderung der Kapazität des Messkondensators, nicht aber auf Unterschiede zwischen Kapazitätswerten des ersten und des zweiten Speicherkondensators und/oder auf Unterschiede zwischen Widerstandswerten des ersten und des zweiten Ladewiderstands zurückzuführen ist.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich grundsätzlich für sämtliche Applikationen, die eine Kapazität messen und bei denen eine Arbeitspunkteinstellung erfolgt, beispielsweise bei einem kapazitiven Sensor zum Detektieren einer Annäherung und/oder einer Anwesenheit eines Objektes. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich z.B. für einen Einsatz im Rahmen eines kapazitiven Einklemmschutzes bei einem Fahrzeug.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Schaltermodul mit einem Leistungsschalter zum Schalten eines Stromes und einem Treiber zum Steuern des Leistungsschalters vorgeschlagen, bei dem der Treiber eine Schaltungsanordnung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst. Der Treiber ist ausgebildet, dem Leistungsschalter das Messergebnis als Steuersignal zum Ein- oder Ausschalten des Stroms zuzuführen. Die erfindungsgemäße Schalteranordnung eignet sich also insbesondere für einen Einsatz in einem Schaltermodul, insbesondere in einem Näherungsschaltermodul. Derartige Schaltermodule werden häufig im Fahrzeugbereich eingesetzt, wo beispielsweise ein Öffnen einer Heckklappe durch eine Fußbewegung oder eine Handbewegung, die eine Kapazitätsänderung des Messkondensators verursacht, veranlasst werden soll.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 12. Das Verfahren des zweiten Aspektes der Erfindung teilt die Vorteile der Schaltungsanordnung des ersten Aspektes der Erfindung. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens entsprechen den oben geschilderten bevorzugten Ausführungsformen der Schaltungsanordnung des ersten Aspektes der Erfindung, insbesondere, wie sie in den abhängigen Ansprüchen definiert sind.
Gemäß einem dritten und einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm nach Patentanspruch 13 oder durch ein maschinenlesbares Speichermedium nach Patentanspruch 14. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische und exemplarische Darstellung einer
Schaltungsanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung; und Fig. 2 eine schematische und exemplarische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltermoduls.
Fig. 1 zeigt eine schematische und exemplarische Darstellung einer Schaltungsanordnung zum Messen einer Kapazität und/oder Kapazitätsänderung eines Messkondensators CMes-
Die Schaltungsanordnung umfasst dazu eine Steuereinheit 100, ein Messnetzwerk 200 sowie eine Auswerteeinheit 300.
Die Steuereinheit 100 ist an das Messnetzwerk 200 über eine Vielzahl von Pins 1 10, 120, 130, 140, 150, 160 und 170 gekoppelt und ausgebildet, das Messnetzwerk 200 zu steuern. Die Steuereinheit 100 ist in Gestalt eines Mikrocontrollers implementiert. Zum Steuern des Messnetzwerkes 200 schaltet die Steuereinheit 100 einen ersten Pin 1 10, einen zweiten Pin 120, einen dritten Pin 130, einen vierten Pin 140, einen fünften Pin 150, einen sechsten Pin 160 und einen Steuerpin 170 wahlweise auf einen High-Pegel (H), auf einen Low-Pegel (L) oder hochohmig (Z). Der High-Pegel liegt beispielsweise bei 5 Volt und der Low-Pegel bei 0 Volt. Der High-Pegel kann aber auch bei 3,3 Volt, bei 2,5 Volt oder bei 7,5 Volt oder bei einer anderen Spannung liegen.
Die Auswerteinheit 300 weist einen ersten Eingang 340 und einen zweiten Eingang 380 auf, die mit einem ersten Messpunkt 240 und einem zweiten Messpunkt 280 des Messnetzwerks 200 verbunden sind. Die Auswerteeinheit 300 überwacht einen Potentialverlauf am ersten Messpunkt 240 und einen Potentialverlauf am zweiten Messpunkt 280. In Abhängigkeit eines Vergleichs stellt die Auswerteeinheit 300 ein Messerergebnis 302 bereit, das indikativ für die Kapazität und/oder Kapazitätsänderung des Messkondensators CMes ist. Obwohl die Auswerteeinheit 300 als separate Einheit dargestellt ist, versteht es sich, dass diese beispielsweise auch in der Steuereinheit 100 integriert sein kann.
Das Messnetzwerk 200 umfasst im Wesentlichen ohmsche und kapazitive Bauteile sowie einen Umschaltkontakt 295. Die gezeigten Verbindungslinien stellen widerstandsfreie Verbindungen, wie Leitungen oder Leiterbahnen, zwischen den einzelnen Komponenten der Schaltungsanordnung dar. Alle Komponenten der Schaltungsanordnung sind beispielsweise auf einer Leiterplatte angeordnet. Ein erster Messzweig 250 des Messnetzwerks 200 umfasst einen ersten Speicherkondensator CA und einen Referenzkondensator CRef. Ein zweiter Messzweig 290 des Messnetzwerks 200 umfasst einen zweiten Speicherkondensator CB, der über den Umschaltkontakt 295 an den Messkondensator CMes gekoppelt ist.
Zwischen dem ersten Speicherkondensator CRef und dem ersten Speicherkondensator CA ist der erste Messpunkt 240 vorgesehen. Das Potential am ersten Messpunkt 240 ist der Auswerteeinheit 300 über den ersten Eingang 340 zugeführt.
Zwischen dem zweiten Speicherkondensator CB und dem Messkondensator CMes ist der zweite Messpunkt 280 angeordnet. Das Potential am zweiten Messpunkt 280 ist der Auswerteeinheit 300 über einen zweiten Eingang 380 zugeführt ist. Der Messkondensator CMes ist über den Umschaltkontakt 295 an den zweiten Speicherkondensator CB gekoppelt. Die Steuereinheit 100 steuert den Umschaltkontakt 295 über den Steuerpin 170. Dazu schaltet die Steuereinheit 100 den Steuerpin 170 wahlweise auf einen High-Pegel oder einen Low-Pegel. Liegt der Steuerpin 170 auf einem Low-Pegel, so befindet sich der Umschaltkontakt 295 in einer ersten Schalterposition, bei der der Messkondensator CMes auf den sechsten Pin 160 der Steuereinheit 100 geschaltet ist und vom zweiten Speicherkondensator CB elektrisch isoliert ist. Liegt der Steuerpin 170 auf einem High-Pegel, so befindet sich der Umschaltkontakt 295 in einer zweiten Schalterposition, bei der der Messkondensator CMes auf den zweiten Speicherkondensator CB geschaltet ist. Fig. 1 zeigt den Umschaltkontakt 295 in der ersten Schalterposition. Es ist wäre aber alternativ auch möglich, dass ein High-Pegel am Steuerpin 170 zur ersten Schalterposition führt und ein Low-Pegel zur zweiten Schalterposition.
Der erste Speicherkondensatoren CA ist einerseits mit einem Masseanschluss 202 verbunden. Andererseits ist der erste Speicherkondensator CA über einen ersten Ladewiderstand RA an den ersten Pin 1 10 und über den Referenzkondensator CRef sowohl an den zweiten Pin 120 als auch an den ersten Eingang 340 gekoppelt sowie im Wesentlichen widerstandsfrei auf den dritten Pin 130 der Steuereinheit 100 geschaltet. Eine zusätzliche Kapazität CL ist zwischen dem vierten Pin 140 und einem ersten Knotenpunkt 230 des Messnetzwerks 200 angeordnet. Liegt Pin 140 auf einem Low- Pegel, so sind die zusätzliche Kapazität CL und der erste Speicherkondensator CA parallel zueinander geschaltet. Der zweite Speicherkondensator CB ist einerseits ebenfalls mit einem Massenanschluss 202 verbunden. Andererseits ist der zweite Speicherkondensator über einen zweiten Ladewiderstand RB an den ersten Pin 1 10 gekoppelt sowie im Wesentlichen widerstandsfrei auf den fünften Pin 150 der Steuereinheit 100 sowie auf den zweiten Eingang 380 der Auswerteeinheit 300 geschaltet.
Der Messkondensator CMes ist beispielsweise gebildet durch eine offene Elektrode des Messnetzwerks 200, die gegenüber Masse eine gewisse Kapazität aufweist. Fig. 1 soll nicht suggerieren, dass es sich bei dem Messkondensator CMes notwendigerweise um einen Kondensator im engeren Sinne handelt. Vielmehr kann der Messkondensator CMes ein wie auch immer geartetes kapazitives Bauelement sein, das an den zweiten Speicherkondensator CB über den Umschaltkontakt 295 gekoppelt ist.
In Abhängigkeit der Beschaltung der Pins 1 10, 120, 130, 140, 150, 160 und 170 ergeben sich ein Potentialverlauf am ersten Messpunkt 240 und ein Potentialverlauf am zweiten Messpunkt 280, was weiter unten näher erläutert werden soll.
Zum Messen der Kapazität und/oder Kapazitätsänderung des Messkondensators CMes führt die Schaltungsanordnung einen oder mehrere Messvorgänge durch. Ein jeweiliger Messvorgang umfasst dabei beispielsweise vier Phasen, nämlich eine Entladephase, eine Vorladephase, eine Umladephase sowie eine Vollladephase. Die Beschaltung der Pins 1 10, 120, 130, 140, 150, 160 und 170 während dieser Phasen ist beispielhaft in der in Fig. 1 gezeigten Tabelle angegeben. Dabei dient der erste Pin 1 10 der Steuereinheit 1 10 insbesondere zum Vollladen der Speicherkondensatoren CA und CB über die Ladewiderstände RA und RB. Über den zweiten Pin 120 erfolgt ein Vorladen des Referenzkondensators CRef. Mit dem dritten Pin 130 entlädt die Steuereinheit 100 den ersten Speicherkondensator CA und die zusätzliche Kapazität CL. Über den fünften Pin 150 erfolgt eine Entladung des zweiten Speicherkondensators CB. Über den vierten Pin 140 kann die Steuereinheit 100 optional den zusätzlichen Kondensator CL in der Vorladephase zuschalten. Wie oben beschrieben, dient der Steuerpin 170 einem Schalten des Umschaltkontaktes 295. Der sechste Pin 160 dient dem Laden des Messkondensators CMes- Der Messkondensator CMes ist also für den Fall, dass sich der Umschaltkontakt 295 in der ersten Schalterposition befindet, auf den sechsten Pin 160 geschaltet, der stets auf einem High- Pegel liegt. Im Folgenden soll ein vollständiger Messvorgang exemplarisch beschrieben werden. Der Einfachheit halber werden dabei, wo von einer Beschaltung eines der Pins 1 10, 120, 130, 140, 150, 160 oder 170 die Rede ist, stets die oben eingeführten Abkürzungen H (für einen High-Pegel), L (für einen Low-Pegel) und Z (für hochohmig) verwendet. Ist ein Pin 1 10, 120, 130, 140, 150, 160 oder 170 der Steuereinheit 100 auf H geschaltet, so dient dieser als Strom- oder Spannungsquellenausgang. Ist ein Pin 1 10, 120, 130, 140, 150, 160 oder 170 der Steuereinheit 100 auf L geschaltet, so dient dieser als Eingang. Ist ein Pin 1 10, 120, 130, 140, 150, 160 oder 170 der Steuereinheit 100 auf Z geschaltet, so fließt über diesen Pin kein Strom. An einem auf Z geschalteten Pin kann beispielsweise ein Potential gemessen werden.
Entladephase
Während einer ersten Phase eines Messvorgangs, der Entladephase, werden der erste Speicherkondensator CA, der zweite Speicherkondensator CB, der zusätzliche Kondensator CL und der Referenzkondensator CRef des Messnetzwerkes 200 entladen. Dazu schaltet die Steuereinheit 100 die Pins 1 10, 120, 130, 140, 150 und 170 auf L. Die Pins 1 10, 120, 130, 140, und 150 dienen in dieser Beschaltung jeweils als Ladungssenken. Damit kann Ladung, die eventuell in den Kondensatoren CA, CB, CRef, und/oder CL gespeichert ist, abfließen.
Vorladephase
Die Vorladephase dient der Einstellung eines Arbeitspunktes. In diesem Fall ändert sich die Spannung am zweiten Speicherkondensator CB nicht. Der zweite Speicherkondensator CB bleibt also insbesondere während dieser Phase in einem entladenen Zustand. Der Messkondensator CMes ist weiterhin auf den sechsten Pin 160 geschaltet, der auf einem High-Pegel liegt. In einem ersten Schritt beaufschlägt die Steuereinheit 100 den ersten Speicherkondensator CA und den Referenzkondensator CRef im Wesentlichen widerstandsfrei mit einer Vorladespannung. Dazu schaltet die Steuereinheit 100 den ersten Pin 1 10 auf Z, den zweiten Pin 120 auf H, den dritten Pin 130 auf Z und den vierten Pin 140 auf L. Die Spannungen am Referenzkondensator CRef, am zusätzlichen Kondensator CL und die Spannung am ersten Speicherkondensator CA steigen entsprechend der jeweiligen Kapazitätswerte. Der erste Messzweig 250 ist derart ausgestaltet, dass ein durch die Vorladespannung verursachter Spannungshub am Referenzkondensator CRef abhängig ist von der Vorladespannung und einem Verhältnis zwischen einer Kapazität des ersten Speicherkondensators CA, einer Kapazität des zusätzlichen Kondensators CL und einer Kapazität des Referenzkondensators CRef und im Wesentlichen unabhängig von einem Vorladewiderstand. Der erste Messzweig 250 weist insbesondere keinen ohmschen Widerstand auf und ist im Wesentlichen widerstandsfrei auf den zweiten Pin 120, den dritten Pin 130 und den vierten Pin 140 der Steuereinheit 100 geschaltet. Während des Vorladens fließt über den dritten Pin 130 und den fünften Pin 150 kein Strom, da diese auf Z geschaltet sind, also wie ein Leerlauf wirken. Während der Vorladephase sind ferner der erste Speicherkondensator CA und der zusätzliche Kondensator CL parallel zueinander geschaltet. In einem zweiten Schritt der Vorladephase schaltet die Steuereinheit den zweiten Pin 120 von H auf Z und den dritten Pin 130 von Z auf L. Die Beschaltung der übrigen Pins bleibt unverändert. Diese Pinbelegung führt dazu, dass der dritte Pin 130 als Ladungssenke fungiert, in die sich der Speicherkondensator CA und der zusätzliche Kondensator CL entladen.
Die Steuereinheit 100 wiederholt diese beiden Schritte während der Vorladephase eines Messvorgangs solange, bis die Spannung am Referenzkondensator CRef einen ersten vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Ein Teil der Ladung, die in dem ersten Speicherkondensator CA und in dem zusätzlichen Kondensator CL gespeichert ist, wird dabei jeweils im Wesentlichen widerstandsfrei in den Referenzkondensator transferiert.
Der erste Schwellenwert ist im Wesentlichen identisch mit einem Spannungsbetrag, den die Auswerteeinheit 300 während eines vorhergehenden Messvorgangs durch Erfassen des Potentialverlaufs am zweiten Eingang 380 ermittelt oder berechnet hat. Bevorzugt ermittelt oder berechnet die Auswerteeinheit 300 diesen Spannungsbetrag, nachdem die Steuereinheit 100 den Umschaltkontakt 295 einmalig oder mehrmalig kurzzeitig in die zweite Schalterposition überführt hat und ein Ladungsausgleich zwischen dem Messkondensator CMes und dem zweiten Speicherkondensator CB erfolgt ist, also nach der Umladephase (dazu sogleich). Die Steuereinheit 100 wiederholt den ersten und den zweiten Schritt beispielsweise jeweils n-Mal, wobei für die Spannung UCRef_n am Referenzkondensator CRef und damit für das Potential am ersten Messpunkt 240 nach einer n-ten Wiederholung gilt: UcRef, n = (5 V— UcRef, n-l ) * (CA+C|_)/CRef + UcRef, n-1 (2)
CA gibt in Gleichung (2) die Kapazität des ersten Speicherkondensators an, CRef die Kapazität des Referenzkondensators und CL die Kapazität des zusätzlichen Kondensators. Nach der Entladephase beträgt die Spannung am Referenzkondensator CRef zunächst UCRef, o = 0 V. Die angegeben 5 V bilden die Ausgangsspannung am zweiten Pin 120. Wie oben beschrieben, kann diese Ausgangsspannung auch einen abweichenden Wert, wie beispielsweise 2,5 V oder 3,3 V oder 7,5 V aufweisen.
Nach erstmaligem Durchführen des ersten und zweiten Schritts (n = 1 ) beträgt die Spannung am Referenzkondensator UCRef, n = 5 V * (CA+CL) CRef. Dies macht deutlich, dass der Betrag des Spannungshubs am Referenzkondensator lediglich abhängig ist von den Kapazitätswerten des Referenzkondensators CRef, des ersten Speicherkondensators CA und des zusätzlichen Kondensators CL, nicht aber von einem Widerstandswert eines Vorladewiderstands.
Wie oben im allgemeinen Teil beschrieben ist, kann das Einstellen des Arbeitspunktes, also das Einstellen der Spannung am Referenzkondensator CRef, auch gemäß Gleichung (2a) erfolgen. In diesem Fall weicht die Pinbeschaltung gemäß der in Fig. 1 gezeigten Tabelle in der Zeile„Vorladephase" etwas ab. Beispielsweise würde der zweite Pin 120, nachdem der Referenzkondensator CRef auf eine Initialspannung geladen worden ist, nicht von H nach Z geschaltet werden, sondern von L nach Z, oder, falls mehrere Ladungstransferschritte durchgeführt werden, mehrmals zwischen L und Z hin und her geschaltet werden. Die Steuereinheit 100 ist auch ausgebildet, den oben beschriebenen ersten Schritt abzuwandeln, indem der vierte Pin 140 während des ersten Schritts nicht, wie oben beschrieben, auf L gelegt wird, sondern auf Z. Dann kann in den zusätzlichen Kondensator CL kein Strom fließen. Das Vorladen des Referenzkondensators CRef erfolgt in dieser Variante mit einem anderen Spannungshub, nämlich mit
UcRef, n = (5 V— UcRef, n-l ) * + UcF!ef, n-1 (1 ) Insoweit kann die Vorladung des Referenzkondensators CRef durch Dimensionierung des zusätzlichen Kondensators CL und durch entsprechende Beschaltung des vierten Pins 140 eingestellt werden. Es ist insbesondere auch möglich, die Schaltungsanordnung ohne den zusätzlichen Kondensator CL zu betreiben.
Alternativ erfolgt das Einstellen der Spannung am Referenzkondensator CRef gemäß Gleichung (1 a), also durch vorheriges Vollladen und sodann folgendes Entladen.
Während der Vorladephase lädt die Steuereinheit 100 den Referenzkondensator CRef nicht über einen Widerstand, sondern durch ein Ladungstransferverfahren. Das Vorladen des Referenzkondensators CRef und damit das Einstellen des Arbeitspunktes erfolgt dadurch sehr schnell und genau. Die Amplitude des Spannungshubs, die die Steuereinheit während eines jeweiligen erstens Schritts der Vorladephase am Referenzkondensator CRef verursacht, kann insbesondere durch Dimensionierung des zusätzlichen Kondensators CL eingestellt werden.
Die Vorladephase endet mit einem Entladen des ersten Speicherkondensators CA (Pin 120 = Z und Pin 130 = L). Der Referenzkondensator CRef ist nun vorgeladen und der erste Speicherkondensator CA entladen.
Umladephase
In der Umladephase bleibt der Zustand im ersten Messzweig 250 unverändert. Die Pins 1 10 bis 150 sind demnach jeweils auf Z geschaltet. Der Referenzkondensator CRef ist vorgeladen und der erste Speicherkondensator CA entladen.
Die Steuereinheit 100 überführt den Umschaltkontakt 295 in der Umladephase des Messvorgangs einmalig oder mehrmalig kurzzeitig in die zweite Schalterposition, so dass einmalig oder mehrmalig ein Ladungsausgleich zwischen dem Messkondensator CMes und dem zweiten Speicherkondensator CB stattfinden kann.
Um diesen Ladungsausgleich zu verursachen, überführt die Steuereinheit 100 den Umschaltkontakt 295 beispielsweise einmalig oder mehrmalig für etwa 50 ns in die zweite Schalterposition. Dazu schaltet die Steuereinheit 100 den Steuerpin 170 für eben diese Zeit auf einen High-Pegel. In dieser Zeit fließt Ladung vom Messkondensator CMes in den zweiten Speicherkondensator CB, da der Messkondensator CMes zuvor über den sechsten Pin 160 geladen worden ist. Durch das einmalige oder mehrmalige kurzzeitige Umschalten des Umschaltkontaktes 295 fließt also Ladung von dem Messkondensator CMes in den zuvor entladenen zweiten Speicherkondensator CB. Dort wird folglich ein kleiner Umladespannungshub erzeugt, dessen Amplitude von der Größe der Kapazität des Messkondensators CMes abhängig ist. Dieser Umladespannungshub liegt bei beispielsweise bei etwa 50 mV. Der Vorteil des mehrmaligen Umschaltens liegt darin, dass die Amplitude des Umladespannungshubs vergrößert wird. Dadurch kann ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis erzielt werden und somit die Auswerteeinheit 300 zuverlässiger das Messergebnis 302 bereitstellen.
Vollladephase
In der weiteren Phase eines Messzyklus veranlasst die Steuereinheit 100 ein Laden des ersten Speicherkondensators CA und des zweiten Speicherkondensators CB. Dazu schaltet die Steuereinheit 100 den ersten Pin 1 10 auf H und alle anderen Pins 120, 130, 150 und insbesondere Pin 140 jeweils auf Z. In den zusätzlichen Kondensator CL fließt kein Strom. Durch diese Pinbeschaltung verursacht die Steuereinheit 100 einen ersten Ladestrom durch den ersten Ladewiderstand RA, der den ersten Speicherkondensator CA lädt, und einen zweiten Ladestrom durch den zweiten Ladewiderstand RB, der den zweiten Speicherkondensator CB lädt. In dieser Phase des Messvorgangs fließt über den zweiten Pin 120, den dritten Pin 130, den vierten Pin 140 und den fünften Pin 150 und selbstverständlich über die Eingänge der Auswerteeinheit 300 kein Strom. Damit beginnen die Potentiale am ersten Messpunkt 240 und am zweiten Messpunkt 280 gleichzeitig zu steigen.
Die Auswerteeinheit 300 überwacht während der Vollladephase den Potentialverlauf am ersten Messpunkt 240 und den Potentialverlauf am zweiten Messpunkt 280. Die Auswerteeinheit 300 erfasst dabei einen Zeitdifferenzwert zwischen einem ersten Zeitpunkt, an dem das Potential am ersten Eingang der Auswerteeinheit 340, also am ersten Messpunkt 240, einen zweiten vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, und einen zweiten Zeitpunkt, an dem das Potential am zweiten Eingang der Auswerteeinheit 380, also am zweiten Messpunkt 280, den zweiten vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Der zweite vorgegebene Schwellenwert beträgt beispielsweise wie der High-Pegel etwa 5 Volt. Die Auswerteeinheit detektiert dann sowohl im Potentialverlauf am ersten Messpunkt 240 als auch im Potentialverlauf am zweiten Messpunkt 280 einen Übergang von einem Low-Pegel zu einem High-Pegel.
In Abhängigkeit des erfassten Zeitdifferenzwerts stellt die Auswerteeinheit 300 das Messergebnis 302 bereit. Beträgt der Zeitdifferenzwert beispielsweise Null oder nahezu Null, so hat sich die Kapazität des Messkondensators CMes im Vergleich zu einem vorherigen Messvorgang nicht oder kaum geändert. Ist der Zeitdifferenzwert zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt hingegen vergleichsweise groß, so lässt dies die Auswerteeinheit bevorzugt darauf schließen, dass eine signifikante Kapazitätsänderung beim Messkondensator CMes erfolgte und ein entsprechendes Messergebnis 302 bereitstellen. Die Einstellung des Arbeitspunktes der Schaltungsanordnung in der Vorladephase, nämlich durch Vorladen des Referenzkondensators CRef führt dazu, dass selbst äußerst kleine Kapazitätsänderungen am Messkondensator CMes eine vergleichsweise großen Zeitdifferenz zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt verursachen. Beispielsweise führt eine Kapazitätsänderung beim Messkondensator CMes von etwa 1 pF zu einer Zeitdifferenz von etwa 10 ns, welche von der Auswerteeinheit detektiert werden kann. Dieses Timing kann in Abhängigkeit von der Schaltungsdimensionierung und/oder in Abhängigkeit der Taktung eines Messvorgangs freilich auch anders gestaltet werden.
Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Einstellung des Arbeitspunktes durch das Ladungstransferverfahren besonders schnell und genau erfolgt.
Fig. 2 zeigt eine schematische und exemplarische Darstellung eines Schaltermoduls 400 mit einem Leistungsschalter 410 zum Schalten eines Stromes 412 und einem Treiber 420 zum Steuern des Leistungsschalters 410. Der Leistungsschalter 410 ist beispielsweise Teil einer in Fig. 2 nicht gezeigten Antriebseinheit zum Öffnen oder Schließen einer Fahrzeugkomponente. Beispielsweise handelt es sich bei dem Leistungsschalter 410 um einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder einen MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder um einen sonstigen Leistungsschalter.
Der Treiber 420 umfasst eine Schaltungsanordnung, wie sie in der Fig. 1 dargestellt ist. Die Schaltungsanordnung führt kontinuierlich aufeinanderfolgende Messvorgänge durch, wie sie zur Fig. 1 beschrieben worden sind. Der Treiber 420 führt dem Leistungsschalter 410 das Messergebnis 302 als Steuersignal zum Ein- oder Ausschalten des Stroms 412 zu. Der Messkondensator CMes des Messnetzwerkes 200 ist beispielsweise gebildet durch eine offene Elektrode am Fahrzeug. Verändert sich die Kapazität des Messkondensators CMes, beispielsweise weil sich eine Hand oder ein Fuß eines Menschen zwischen Elektrode und Erde begeben hat, so erfasst die Auswerteeinheit 300 des Treibers 420 diese Kapazitätsänderung und führt dem Leistungsschalter 410 das Messergebnis 302 als Steuersignal zu, so dass der Leistungsschalter 410 schließt und Strom 412 durch den Leistungsschalter 410 fließen kann. Dies veranlasst beispielsweise ein Öffnen einer Heckklappe eines Fahrzeugs.
Bezugszeichenliste / verwendete Abkürzungen
100 Steuereinheit
1 10 Erster Pin
120 Zweiter Pin
130 Dritter Pin
140 Vierter Pin
150 Fünfter Pin
160 Sechster Pin
170 Steuerpin
200 Messnetzwerk
202 Masseanschluss
230 Erster Knotenpunkt
240 Erster Messpunkt
250 Erster Messzweig
280 Zweiter Messpunkt
290 Zweiter Messzweig
295 Umschaltkontakt
300 Auswerteeinheit
302 Messergebnis
340 Erster Eingang
380 Zweiter Eingang
400 Schaltermodul
410 Leistungsschalter
412 Strom
420 Treiber
RA Erster Ladewiderstand
RB Zweiter Ladewiderstand
CA Erster Speicherkondensator
CB Zweiter Speicherkondensator
CRef Referenzkondensator
CMes Messkondensator
CL Zusätzlicher Kondensator
L Low-Pegel, z.B. 0 Volt
H High-Pegel, z.B. 5 Volt
Z Hochohmig
* * * * *

Claims

Ansprüche
1 Schaltungsanordnung zum Messen einer Kapazität und/oder einer Kapazitätsänderung eines Messkondensators (CMes), umfassend ein Messnetzwerk (200), eine Steuereinheit (100) zum Steuern des Messnetzwerkes (200) und eine Auswerteeinheit (300) zum Bereitstellen eines Messergebnisses (302), wobei das Messnetzwerk (200) einen ersten Messzweig (250) mit einem an einen Referenzkondensator (CRef) gekoppelten ersten Speicherkondensator (CA) und einen zweiten Messzweig (290) mit einem für eine Kopplung an den Messkondensator (CMes) ausgestalteten zweiten Speicherkondensator (CB) aufweist, wobei ein erster Messpunkt (240) des ersten Messzweiges (250) auf einen ersten Eingang (340) der Auswerteeinheit (300) und ein zweiter Messpunkt (280) des zweiten Messzweiges (290) auf einen zweiten Eingang (320) der Auswerteeinheit (300) geschaltet sind; und die Auswerteeinheit (300) ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Potentialverlaufs am ersten Eingang (310) und eines Potentialverlaufs am zweiten Eingang (320) das Messergebnis (302) bereitzustellen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (100) ausgebildet ist, in einem ersten Schritt einer Vorladephase eines Messvorgangs zum Einstellen eines Arbeitspunktes der Schaltungsanordnung den ersten Speicherkondensator (CA) und den Referenzkondensator (CRef) mit einer Vorladespannung zu beaufschlagen, wobei der erste Speicherkondensator (CA) und der Referenzkondensator (CRef) im Wesentlichen widerstandsfrei an die Steuereinheit (100) gekoppelt sind.
2 Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinheit (100) ausgebildet ist, in einem zweiten Schritt der Vorladephase den ersten Speicherkondensator (CA) zu entladen. 3 Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinheit (100) ausgebildet ist, während der Vorladephase des Messvorgangs den ersten Schritt und den zweiten Schritt zu wiederholen, bis eine Spannung am Referenzkondensator (CRef) einen ersten Schwellenwert überschreitet. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Messzweig (250) einen oder mehrere zusätzliche Kondensatoren (CL) aufweist, die während der Vorladephase parallel zu dem ersten Speicherkondensator (CA) geschaltet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (100) ausgebildet ist, in einer Entladephase des Messvorgangs den ersten Speicherkondensator (CA), den zweiten Speicherkondensator (CB) und den Referenzkondensator (CRef) zu entladen.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Messzweig (290) einen Umschaltkontakt (295) aufweist, über den der Messkondensator (CMes) an den zweiten Speicherkondensator (CB) gekoppelt ist, wobei die Steuereinheit (100) ausgebildet ist den Umschaltkontakt (295) wahlweise in eine erste Schalterposition, bei der der Messkondensator (CMes) vom zweiten Speicherkondensator (CB) elektrisch isoliert ist, oder in eine zweite Schalterposition, bei der der Messkondensator (CMes) auf den zweiten Speicherkondensator (CB) geschaltet ist, zu versetzen; und in einer Umladephase des Messvorgangs den Umschaltkontakt (295) einmalig oder mehrmalig kurzzeitig in die zweite Schalterposition zu überführen, so dass einmalig oder mehrmalig ein Ladungsausgleich zwischen dem Messkondensator (CMes) und dem zweiten Speicherkondensator (CB) stattfinden kann.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (100) ausgebildet ist, in einer Vollladephase des Messvorgangs den ersten Speicherkondensator (CA) und den zweiten Speicherkondensator (CB) zu laden.
Schaltungsanordnung gemäß den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (100) ausgebildet ist, bei dem Messvorgang nacheinander die Entladephase, die Vorladephase, die Umladephase und die Vollladephase durchzuführen, wobei die Auswerteeinheit (300) ausgebildet ist, das Messergebnis (302) insbesondere während der Vollladephase zu erzeugen.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Messzweig (250) des Messnetzwerks (200) der erste Speicherkondensator (CA) einerseits über einen ersten Ladewiderstand (RA) an einen ersten Pin (1 10) der Steuereinheit (100) und über den Referenzkondensator (CRef) an den ersten Messpunkt (240) und an einen zweiten Pin (120) der
Steuereinheit (100) gekoppelt ist sowie im Wesentlichen widerstandsfrei auf einen dritten Pin (130) der Steuereinheit (100) geschaltet ist und andererseits auf Masse (202) liegt; - im zweiten Messzweig (290) des Messnetzwerks (200) der zweite Speicherkondensator (CB) einerseits über einen zweiten Ladewiderstand (RB) an den ersten Pin (1 10) der Steuereinheit (100) gekoppelt ist sowie im Wesentlichen widerstandsfrei auf den zweiten Messpunkt (280) geschaltet ist und andererseits auf Masse (202) liegt; und die Steuereinheit (100) ausgebildet ist, in dem ersten Schritt der Vorladephase den zweiten Pin (120) auf einen High-Pegel und den dritten Pin (130) hochohmig zu schalten, so dass der Referenzkondensator (CRef) und der erste Speicherkondensator (CA) mit der Vorladespannung beaufschlagt werden.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (300) ausgebildet ist, einen Zeitdifferenzwert zwischen einem ersten Zeitpunkt, an dem das Potential am ersten Eingang (310) der Auswerteeinheit (300) einen zweiten vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, und einem zweiten Zeitpunkt, an dem das Potential am zweiten Eingang (320) der Auswerteeinheit (300) den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, zu erfassen und in Abhängigkeit des erfassten Zeitdifferenzwerts das Messergebnis (302) bereitzustellen. 1 1 . Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steuereinheit (100) ausgebildet ist, den Messvorgang zu wiederholen, und die Auswerteeinheit (300) ausgebildet ist, für jeden der Messvorgänge den Zeitdifferenzwert zwischen dem jeweiligen ersten Zeitpunkt und dem jeweiligen zweiten Zeitpunkt zu erfassen und die erfassten Zeitdifferenzwerte zu speichern sowie das Messergebnis (302) in Abhängigkeit der gespeicherten Zeitdifferenzwerte zu erzeugen.
12. Schaltermodul (400) mit einem Leistungsschalter (410) zum Schalten eines Stromes (412) und einem Treiber (420) zum Steuern des Leistungsschalters (410), dadurch gekennzeichnet, dass der Treiber (420) eine Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst und ausgebildet ist, dem Leistungsschalter (410) das Messergebnis (302) als Steuersignal zum Einschalten oder Ausschalten des Strom (412) zuzuführen.
13. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung zum Messen einer Kapazität und/oder einer Kapazitätsänderung eines Messkondensators (CMes), die ein Messnetzwerk (200), eine Steuereinheit (100) zum Steuern des Messnetzwerkes (200) und eine Auswerteeinheit (300) zum Bereitstellen eines Messergebnisses (302) umfasst, wobei das Messnetzwerk (200) einen ersten Messzweig (250) mit einem an einen Referenzkondensator (CRef) gekoppelten ersten Speicherkondensator (CA) und einen zweiten Messzweig (290) mit einem für eine Kopplung an den Messkondensator (CMes) ausgestalteten zweiten Speicherkondensator (CB) aufweist, und wobei ein erster Messpunkt (240) des ersten Messzweiges (250) auf einen ersten Eingang (340) der Auswerteeinheit (300) und ein zweiter Messpunkt (280) des zweiten Messzweiges (290) auf einen zweiten Eingang (320) der Auswerteeinheit (300) geschaltet sind, mit dem Schritt:
Bereitstellen des Messergebnisses (302) in Abhängigkeit eines Potentialverlaufs am ersten Eingang (310) und eines Potentialverlaufs am zweiten Eingang (320) der Auswerteeinheit (300), dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schritt einer Vorladephase eines Messvorgangs umfasst:
Einstellen eines Arbeitspunktes der Schaltungsanordnung durch im Wesentlichen widerstandsfreies Beaufschlagen des Referenzkondensators (CRef) und des ersten Speicherkondensators (CA) mit einer Vorladespannung mittels der
Steuereinheit (100).
14. Computerprogramm zum Betreiben einer Schaltungsanordnung, aufweisend maschinenlesbaren Code, der, wenn er auf einer Steuereinheit der Schaltungsanordnung ausgeführt wird, ausgebildet ist, die Schaltungsanordnung zu veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 13 durchzuführen.
15. Maschinenlesbares Speichermedium, aufweisend maschinenlesbaren Programmcode, der ausgestaltet ist, in einer Schaltungsanordnung ausgeführt zu werden und die Schaltungsanordnung bei der Ausführung des Programmcodes zu veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 13 durchzuführen.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10641620B2 (en) 2017-05-19 2020-05-05 Simmonds Precision Products, Inc. High accuracy, low power signal conditioner
DE102018215667A1 (de) * 2018-09-14 2020-03-19 Continental Automotive Gmbh Elektrische Schaltungsanordnung zum Ermitteln einer kapazitiven Änderung eines kapazitiven Sensorelements

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4231616A1 (de) * 1992-09-22 1994-03-24 Seichter Gmbh Kapazitiver Sensor
EP0745861A2 (de) * 1995-06-01 1996-12-04 AVL Gesellschaft für Verbrennungskraftmaschinen und Messtechnik mbH.Prof.Dr.Dr.h.c. Hans List Kapazizätsmessverfahren
DE19701899A1 (de) 1996-01-21 1997-10-30 Ifm Electronic Gmbh Schaltungsanordnung zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes
EP0816818A2 (de) * 1996-06-26 1998-01-07 Siemens Aktiengesellschaft Kapazitiv messender Sensor und Ausleseschaltung
DE19843749A1 (de) * 1998-08-03 2000-02-17 Pepperl & Fuchs Verfahren und Schaltungsanordnung zur Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen
US7782243B1 (en) * 2009-03-11 2010-08-24 Windtop Technology Corp. Direct capacitance-to-digital converter

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7592819B2 (en) * 2007-02-23 2009-09-22 Sensata Technologies, Inc. Microprocessor-based capacitance measurement
US7667468B1 (en) * 2007-07-24 2010-02-23 Cypress Semiconductor Corporation Capacitive sensor with ratiometric voltage references

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4231616A1 (de) * 1992-09-22 1994-03-24 Seichter Gmbh Kapazitiver Sensor
EP0745861A2 (de) * 1995-06-01 1996-12-04 AVL Gesellschaft für Verbrennungskraftmaschinen und Messtechnik mbH.Prof.Dr.Dr.h.c. Hans List Kapazizätsmessverfahren
DE19701899A1 (de) 1996-01-21 1997-10-30 Ifm Electronic Gmbh Schaltungsanordnung zur Erfassung der Kapazität bzw. einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Schaltungs- oder Bauelementes
EP0816818A2 (de) * 1996-06-26 1998-01-07 Siemens Aktiengesellschaft Kapazitiv messender Sensor und Ausleseschaltung
DE19843749A1 (de) * 1998-08-03 2000-02-17 Pepperl & Fuchs Verfahren und Schaltungsanordnung zur Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen
US7782243B1 (en) * 2009-03-11 2010-08-24 Windtop Technology Corp. Direct capacitance-to-digital converter

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BERTONE G A ET AL: "ELIMINATION OF THE ANOMALOUS HUMIDITY EFFECT IN PRECISION CAPACITANCE BASED TRANSDUCERS", IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, vol. 40, no. 6, 1 December 1991 (1991-12-01), pages 897 - 901, XP000299405, ISSN: 0018-9456, DOI: 10.1109/19.119764 *

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