用於確定多個電容性傳感器元件的電容的電路裝置的製作方法
2023-06-11 13:59:01
專利名稱：用於確定多個電容性傳感器元件的電容的電路裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於確定多個電容性傳感器元件的電容的電路裝置。
背景技術：
用於分析電容性接近開關的電路裝置通常使用電容性傳感器元件，所述傳感器元件的電容與操作有關地改變。該電容變化被分析以便確定操作狀態。在按照所謂的開關電容(Switched-Capaci tor)原理工作的電路裝置的情況下,通常經由開關裝置給電容性傳感器元件施加充電電壓，由此根據其電容和充電電壓將確定的電荷轉移到電容性傳感器元件上。在充電時間之後，藉助於開關裝置將傳感器元件與充電電壓分開並且經由另ー開關裝置與已知電容的參考電容器或積聚電容器連接，由此實現從傳感器元件到積聚電容器的電荷轉移。充電和接著的再充電的過程被重複預定數量的循 環，由此積聚電容器的電荷達到確定的值，所述值尤其通過傳感器元件的電容的值確定。積聚電容器的電荷或由此得出的電壓因此是傳感器元件的待測量電容的尺度。通過分析積聚電容器的電壓可以推斷出接近開關的操作狀態。在電壓分析之後，通常對積聚電容器以定義的方式進行放電並且可以接著新的測量循環。
發明內容
本發明所基於的任務是提供一種用於按照開關電容原理確定多個電容性傳感器元件的電容的電路裝置，所述電路裝置通過分析電容或電容變化保證在所有運行條件下可靠地確定操作狀態，可以成本低地被製造並且相對於EMV和HF幹擾是不靈敏的。本發明通過具有權利要求I的特徵的電路裝置來解決該任務。本發明的有利的以及優選的擴展方案是其他權利要求的主題並且在下面進ー步予以闡述。權利要求書的字句通過明確地引用而成為說明書的內容。用於確定數量η個電容性傳感器元件的電容的電路裝置，其中所述電容性傳感器元件的相應的電容與操作有關地改變，包括至少ー個積聚電容器，優選地具有已知電容；參考電壓源，尤其是用於產生時間恆定的參考電壓或參考電位，其可以與供應電壓或地電位一致；與至少ー個積聚電容器電連接的分析裝置，例如具有集成A/D轉換器的微處理器，所述分析裝置或所述微處理器分析在至少ー個積聚電容器處存在的電壓用於確定相應的傳感器元件的電容；和控制單元，例如同樣是同樣可以構成分析裝置的微處理器，用於產生至少ー個控制信號；和至少ー個集成迴路，其與參考電壓源和至少ー個積聚電容器電連接並且施加有至少ー個控制信號。至少ー個集成迴路包括數量k個換向開關，也稱為轉換開關、換向器或模擬2通道多路復用器/解復用器，其中k優選地大於1，其中相應的換向開關分別被分配給數量η個傳感器元件之一，相應的換向開關的開關位置與至少ー個控制信號有關並且相應的換向開關在第一開關位置中將分別所分配的傳感器元件與參考電壓源連接，這對應於開關電容原理的充電循環，並且相應的換向開關在第二開關位置中將分別所分配的傳感器元件與至少ー個積聚電容器連接用於轉移電荷，這對應於開關電容原理的電荷轉移循環。由於換向開關集裝在所述ー個或多個集成迴路中並且由於通向參考電壓源和通向所述ー個或多個積聚電容器的線路主要敷設在集成迴路內的事實，所需要的組件的數量和布局耗費可以被減少，由此所述電路裝置相比於具有分立開關裝置或轉換開關的解決方案可以成本更低地來製造並且相對於EMV和HF幹擾是更不靈敏的。在一種改進方案中，電容性傳感器元件的數量η是集成迴路的可操控的換向開關的數量k的整數多倍。例如單個集成迴路的可操控的換向開關的數量k可以為3並且可以使用總共4個集成迴路，使得可以分析總共n=12=3*4個電容性傳感器元件。在一種改進方案中，分別給每個集成迴路分配恰好ー個積聚電容器，其中產生多個不同的控制信號，其等於相應的集成迴路中的換向開關的數量k。可替代地，給所有集成迴路共同地分配多個積聚電容器，其等於在相應的集成迴路中換向開關的數量，其中產生多個不同的控制信號，其等於集成迴路的數量。在一種改進方案中，設置至少ー個充電電路，所述充電電路被構造用於在開始測量之前對至少ー個積聚電容器充電，其中參考電壓源被構造用於輸出地電壓或將至少ー個 積聚電容器與地電位連接。充電電路例如可以被構造為開關裝置，所述開關裝置將積聚電容器與電壓源連接用於充電。這些特徵和其他特徵除了由權利要求得知之外也從說明書和附圖中得知，其中在本發明的實施形式中和在其他領域中分別單獨地或多個地以子組合的方式實現各個特徵並且可以表示有利的以及本身有保護能力的實施方案，對其而言這裡要求保護。將本申請劃分成各個段落以及中間標題在其一般有效性方面不限制在其之下所進行的陳述。
本發明的有利的實施形式在附圖中示意性地示出並且下面予以描述。在此情況下
圖I示出用於確定數量η個電容性傳感器元件的電容的電路裝置的第一實施形式的原理電路圖，
圖2示出用於確定數量η個電容性傳感器元件的電容的電路裝置的另ー實施形式的原理電路圖，
圖3示出用於確定數量η個電容性傳感器元件的電容的電路裝置的另ー實施形式的原理電路圖，和
圖4示出用於確定數量η個電容性傳感器元件的電容的電路裝置的另ー實施形式的原理電路圖。
具體實施例方式圖I示出用於確定數量η個電容性傳感器元件SEl至SEn的電容的電路裝置的第ー實施形式的原理電路圖。數量η例如可以為12。電容性傳感器元件SEl至SEn分別形成電容器，其中第一電容器板通常可以通過未示出的導電的、尤其是平坦的和平面的層構成，所述層例如可以布置在未示出的灶臺的玻璃陶瓷板下方。第二電容器板例如通過操作者的未示出的手指或通過操作者本身構成。玻璃陶瓷板形成兩個電容器板之間的電介質。
電路裝置包括數量m個集成迴路ICl至ICm,其中m例如是4。集成迴路例如可以具有類型HCT 4053。此外，設置參考電壓源RQ，其例如提供具有+5VDC的參考電壓。控制單元MC產生數量k個控制信號SSl至SSk，其中k例如是3。集成迴路ICl至ICm如所示分別與參考電壓源UR並且與已知電容的所屬的積聚電容器CSl至CSm電連接。控制信號SSl至SSk施加在集成迴路ICl至ICm的相應的輸入端處。此外，集成迴路ICl至ICm的輸入端Vss、GND和EN與地GND連接。此外也參照關於類型HCT 4053的數據書。集成迴路ICl至ICm分別包括數量k個換向開關WSl至WSk，其中集成迴路ICl至ICm的相應的換向開關WSl至WSk分別被分配給數量η個傳感器元件SEl至SEn之一。相應的換向開關WSl至WSk的開關位置取決於控制信號SSl至SSk。相應的換向開關WSl至WSk在第一開關位置中將分別所分配的傳感器元件SEl至SEn與參考電壓源UR連接並且在 第二開關位置中將分別所分配的傳感器元件SEl至SEn與集成迴路ICl至ICm的所屬的積聚電容器CSl至CSm連接用於轉移電荷。與積聚電容器CSl至CSm電連接的分析裝置AE分析在積聚電容器CSl至CSm處存在的電壓用於確定相應的傳感器兀件SEl至SEn的電容。放電電路ESl至ESn用於在開始測量之前以定義的方式對積聚電容器CSl至CSm放電。放電電路ESl至ESn例如分別可以被構造為開關裝置，所述開關裝置將積聚電容器CSl至CSm與地GND連接用於放電。接著示範性地描述測量循環。在確定或測量循環開始時，這樣產生控制信號SSl至SSk，使得所有傳感器元件SEl至SEn與參考電壓源UR連接。放電電路ESl至ESn對積聚電容器CSl至CSm放電。現在首先對其所屬的換向開關(這裡分別為WSl)利用控制信號SSl操控的這些電容性傳感器元件進行電容確定。為此控制信號SSl作為矩形信號產生並且控制信號SS2至或和SSk保持恆定在這樣的電平上所述電平引起所屬的傳感器元件與參考電壓源UR保持連接。作為矩形信號的控制信號SSl引起重複地進行充電循環和接著進行再充電循環，由此積聚電容器CSl至CSm逐步地被充電，其中每循環的電壓變化取決於相應的傳感器元件的待測量電容。在預先給定數量的循環之後，分析裝置AE分析在積聚電容器CSl至CSm處存在的電壓用於確定電容。可替代地，可以對多個充電和再充電循環進行計數，其是有必要的，使得在積聚電容器處達到或超過預先給定的電壓值。積聚電容器CSl至CSm的電容可以是已知的，例如通過適當地選擇具有預先給定的電容值的組件。但是，積聚電容器CSl至CSm的電容不必強制性地處於狹窄的容差內，因為也可以在運行期間進行校準，其中這裡在運行期間可以確定適當的閾值，所述閾值能夠在不同的電壓級別之間進行區分。在最簡單的情況下可以僅僅確定單個閾值用於區分兩個不同的電容值，其中第一電容值對應於未被操作的傳感器元件並且第二電容值對應於被操作的傳感器元件。接著再次這樣靜態地產生控制信號SSl，使得所屬的傳感器元件與參考電壓源UR連接。放電電路ESl至ESn對積聚電容器CSl至CSm放電。然後對其所屬的換向開關(這裡分別為WS2)利用控制信號SS2操控的這些電容性傳感器元件進行電容確定。為此控制信號SS2作為矩形信號產生並且控制信號SSl和SSk保持恆定在這樣的電平上所述電平引起所屬的傳感器元件與參考電壓源UR保持連接。如上所述地進行電容確定。所述的步驟重複k次，直至所有傳感器元件SEl至SEn的電容被確定為止。於是重新開始所述的方法。在圖I中所示的實施形式情況下，對於每個集成迴路ICl至ICm設置恰好ー個積聚電容器，所述積聚電容器以時間復用的方式在相應的集成迴路ICl至ICm的k個輸入端之間被共享。為此總共需要k個不同的控制 信號SSl至SSk。圖2示出用於確定傳感器元件SEl至SEn的電容的電路裝置的另ー實施形式的原理電路圖，其中所有集成迴路ICl至ICm共享積聚電容器CSl至CSk。為此，對於每個集成迴路ICl至ICm產生特定的控制信號SSl或SSm，使得集成迴路ICl至ICm以時間復用的方式共享積聚電容器CSl至CSk。換句話說，首先確定與第一集成迴路ICl連接的傳感器元件SEl至SEk的電容，其方式是，傳感器信號SSl作為矩形信號產生並且剩餘的傳感器信號以這樣的電平產生，所述電平引起所屬的傳感器元件與參考電壓源UR保持連接。接著相應地確定與第二集成迴路IC2連接的傳感器元件的電容等。在確定了所有傳感器元件的電容之後，重新開始該過程。在圖I和2中所示的實施形式情況下，參考電壓源產生正參考電壓，例如+5V，並且在開始測量之前對積聚電容器放電。在圖3和4中所示的實施形式情況下，參考電壓源RQ提供地電壓或地電位GND，也即UR=GND,並且在開始測量之前藉助於充電電路LSl至LSm或LSl至LSk將積聚電容器充電到例如+5V的電壓。如果控制信號作為矩形信號被產生，則因此藉助於換向開關逐步地對積聚電容器放電。每循環的電壓變化或電壓減小取決於相應的傳感器元件的待測量電容。在預先給定數量的循環之後，分析裝置AE分析在積聚電容器CSl至CSm或CSl至CSk處存在的電壓用於確定電容。可替代地，可以對多個充電和再充電循環進行計數，其是必要的，使得在積聚電容器處達到或超過預先給定的電壓值。此外參照圖I和2。分析裝置AE和控制單元MC可以通過單個微處理器實現。所示的實施形式在所有運行條件下保證可靠地確定操作狀態，可成本低地製造並且相對於EMV和HF幹擾是不靈敏的。
權利要求
1.用於確定數量η個電容性傳感器元件(SEl-SEn)的電容的電路裝置，所述電容性傳感器元件的相應的電容與操作有關地改變，所述電路裝置具有 -至少一個積聚電容器(CSl-CSm ；CSl-CSk), -參考電壓源(RQ)， 與所述至少一個積聚電容器電連接的分析裝置(AE)，所述分析裝置分析在所述至少一個積聚電容器處存在的電壓用於確定相應的傳感器元件的電容， -控制單元(MC)，用於產生至少一個控制信號(SSl-SSk ;SSl-SSm)，和 -至少一個集成迴路(ICl-ICm)，所述至少一個集成迴路與所述參考電壓源和所述至少一個積聚電容器電連接並且被施加至少一個控制信號，其中所述至少一個集成迴路包括 -數量k個換向開關(WSl-WSk)，其中 -相應的換向開關分別被分配給數量η個傳感器元件之一， -相應的換向開關的開關位置取決於所述至少一個控制信號，和 -相應的換向開關在第一開關位置中將分別所分配的傳感器元件與所述參考電壓源連接並且相應的換向開關在第二開關位置中將分別所分配的傳感器元件與所述至少一個積聚電容器連接用於轉移電荷。
2.根據權利要求I所述的電路裝置，其特徵在於，電容性傳感器元件的數量η是至少一個集成迴路的可操控的換向開關的數量k的整數多倍。
3.根據權利要求I或2所述的電路裝置，其特徵在於，分別給每個集成迴路分配恰好一個積聚電容器，其中所述控制單元產生多個不同的控制信號，其等於在相應的集成迴路中的換向開關的數量k。
4.根據權利要求I或2所述的電路裝置，其特徵在於，給所有集成迴路共同地分配多個積聚電容器，其等於在相應的集成迴路中的換向開關的數量，其中所述控制單元產生多個不同的控制信號，其等於集成迴路的數量。
5.根據前述權利要求之一所述的電路裝置，其特徵在於至少一個充電電路(LSl-LSm，LSl-LSk)，其被構造用於在開始測量之前對所述至少一個積聚電容器充電，其中所述參考電壓源被構造用於輸出地電壓。
全文摘要
本發明涉及用於確定數量n個電容性傳感器元件(SE1-SEn)的電容的電路裝置，所述電容性傳感器元件的相應的電容與操作有關地改變，所述電路裝置包括至少一個積聚電容器(CS1-CSm)；參考電壓源(RQ)；與所述至少一個積聚電容器電連接的分析裝置(AE)，所述分析裝置分析在所述至少一個積聚電容器處存在的電壓用於確定相應的傳感器元件的電容；控制單元(MC)，用於產生至少一個控制信號(SS1-SSk)；和至少一個集成迴路(IC1-ICm)，所述至少一個集成迴路與所述參考電壓源和所述至少一個積聚電容器電連接並且被施加至少一個控制信號。所述至少一個集成迴路包括數量k個換向開關(WS1-WSk)，其中相應的換向開關分別被分配給數量n個傳感器元件之一，相應的換向開關的開關位置取決於所述至少一個控制信號，和相應的換向開關在第一開關位置中將分別所分配的傳感器元件與所述參考電壓源連接並且相應的換向開關在第二開關位置中將分別所分配的傳感器元件與所述至少一個積聚電容器連接用於轉移電荷。
文檔編號H03K17/96GK102844986SQ201180007489
公開日2012年12月26日 申請日期2011年1月24日 優先權日2010年1月29日
發明者R.克勞斯 申請人:E.G.O. 電氣設備製造股份有限公司