DD284752A5 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR CAPACITIVE SIGNAL PROCESSING - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur kapazitiven Signalauswertung, die vorrangig in der Mesz- und Regelungstechnik Anwendung findet. Sie dient insbesondere zur Ermittlung von Laengen, Winkeln, Fuellstaenden, Druecken, Temperaturen sowie von biologischen und chemischen Meszgroeszen. Erfindungsgemaesz werden zwei identische Relaxationsoszillatoren, eine Mischstufe, ein Frequenzteiler, ein Differentialtiefpasz, ein programmierbarer Differenzverstaerker und ein Digital- bzw. Schutzringausgang derart verschaltet, dasz die tastverhaeltnismodulierten Signale der Sensoren am Ausgang der Schaltungsanordnung der mathematischen Beziehung f sensor 1 f sensor 1 f sensor 2 bzw. f sensor 2 f sensor 1 f sensor 2entsprechen. Die von kapazitiven Sensoren in Kapazitaetsaenderungen umgewandelte physikalischen Groeszen werden durch die Schaltungsanordnung in frequenzanaloge Ausgangsspannungen zyklisch umgesetzt.{Signalauswertung, kapazitiv; Mesz- und Regelungstechnik; Kapazitaetsaenderung; Ausgangsspannung, frequenzanalog; Relaxationsoszillator; Sensor}The invention relates to a circuit arrangement for capacitive signal evaluation, which finds priority in the Mesz- and control technology application. It serves in particular for the determination of lengths, angles, fill levels, pressures, temperatures as well as biological and chemical measures. According to the invention, two identical relaxation oscillators, a mixer, a frequency divider, a differential low-pass filter, a programmable differential amplifier and a digital ring are interconnected such that the sensor-modulated signals from the sensors are at the output of the circuitry of the mathematical relationship f sensor 1 f sensor 2 or f sensor 2 f sensor 1 f sensor 2corresponding. The physical quantities converted by capacitive sensors into changes in capacitance are cyclically converted by the circuit arrangement into frequency-analogue output voltages {signal evaluation, capacitive; Measuring and control technology; Kapazitaetsaenderung; Output voltage, frequency analogue; relaxation oscillator; Sensor}
Description
darstellt.represents.
2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorgabe einer entsprechend langen Zeitbasis an einem digitalen Schutzringausgang die Impulszahl dem Quotienten der Eingangssignale der Einzelsensoron proportional ist.2. Circuit arrangement according to item 1, characterized in that when setting a correspondingly long time base on a digital guard ring output, the number of pulses is proportional to the quotient of the input signals of Einzelsensoron.
3. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Relaxationsoszillatoren sowie die dazugehörigen Rückführungswiderstände in enger thermischer Kopplung mittels einer integrierten Schaltung auf einer möglichst kleinen Siliziumfläche ausgeführt werden, um Störgrößen durch Temperatur- und Betriebsspannungsänderungen weitgehend zu eliminieren.3. Circuit arrangement according to item 1, characterized in that the two relaxation oscillators and the associated feedback resistors are designed in close thermal coupling by means of an integrated circuit on the smallest possible silicon area to largely eliminate disturbances caused by temperature and operating voltage changes.
Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur störungsfreien Verarbeitung von kapazitiven Sensorsignalen. Die Schaltung gemäß vorliegender Erfindung wird zur Umsetzung nichtelektrischer Größen in mikroelektronisch auswertbare Signale eingesetzt und vorrangig in der Meß- und Gerätetechnik angewendet. Sie dient besonders der Ermittlung von Längen, Winkeln, Füllständen, Drücken, Temperaturen sowie von biologischen und chemischen Meßgrößen, die sich in Kapazitätsänderungen umwandeln lassen.The invention relates to a circuit arrangement for trouble-free processing of capacitive sensor signals. The circuit according to the present invention is used to convert non-electrical variables into microelectronically evaluable signals and used primarily in measuring and instrumentation. It is used in particular for the determination of lengths, angles, levels, pressures, temperatures as well as biological and chemical parameters that can be converted into capacity changes.
Das in DD-WP119863 beschriebene Impulsladeverfahren beruht darauf, daß eine Meßkapazität periodisch geladen bzw. entladen wird. Am Ausgang der dort beschriebenen Schaltungsanordnung steht eine Spannung bzw. ein Zeitsignal zur Auswertung zur Verfügung.The pulse charging method described in DD-WP119863 is based on periodically charging and discharging a measuring capacitance. At the output of the circuit arrangement described there, a voltage or a time signal is available for evaluation.
In „Kapazitives Sensorsystem nach dem Impulsladeverfahren" VDE-Berichte 677 (1988) S. 489-493 werden bei der Auswertung der Sensorsignale folgende Fälle unterschieden:In "Capacitive sensor system according to the impulse charging method" VDE Reports 677 (1988) p 489-493 the following cases are distinguished in the evaluation of the sensor signals:
- Auswertung der maximalen Ludespannung bei Aufladung des Meßkondensators über einen Widerstand- Evaluation of the maximum Ludespannung when charging the measuring capacitor via a resistor
- Auswertung der maximalen Ladespannung bei Aufladung des Meßkondensators durch eine Konstantstromquelle- Evaluation of the maximum charging voltage when charging the measuring capacitor by a constant current source
- Auswertung der Ladezeit bei Aufladung des Meßkondensators über einen Widerstand und bei konstanter Ladeentspannung- Evaluation of the charging time when charging the measuring capacitor via a resistor and at constant Ladeentspannung
- Auswertung der Ladezeit bei Aufladung des Meßkondensators durch eine Konstantstromquelle und bei konstanter Ladeendspannung- Evaluation of the charging time when charging the measuring capacitor by a constant current source and at constant Ladeendspannung
Die Ausgangssignale der dargelegten Schaltungsvarianten werden über Differentialkondensatoren bzw. Meß- und Referenzkondensatoren zusammengeführt und die Differenz dieser Signale gebildet.The output signals of the circuit variants presented are combined via differential capacitors or measuring and reference capacitors and the difference between these signals is formed.
NachgeschaKete elektronische Schaltungseinheiten (Flipflop, Tiefpaßfilter) realisieren ein Ausgangssignal, daß der Kapazitätsdifferenz am Schaltungseingang direkt proportional ist.NachgeschaKete electronic circuit units (flip-flop, low-pass filter) realize an output signal that the capacitance difference at the circuit input is directly proportional.
Nachteilig bei dieser Form kapazitiver Sensorelektronik ist, daß durch Temperaturabhängigkeit und Betriebsspannungsabhängigkeit der Schaltungsanordnung als Differentialanordnung des Meß- und Referenzkondensators Fehler in Form von Gleichtaktsignalen auftreten, die multiplikativ wirken.A disadvantage of this form of capacitive sensor electronics is that errors occur in the form of common mode signals due to temperature dependence and operating voltage dependence of the circuit arrangement as a differential arrangement of the measuring and reference capacitor, which act multiplicatively.
Außerdom treten parasitäre Parallelkapazitäten auf, deren Einfluß nicht berücksichtigt wird.Outside parasitic parallel capacitances occur whose influence is not taken into account.
In Frequenzproportionaler kapazitiver Längenaufnehmer, Technisches Messen tm 53 (1986) 3, S. 109-112 wird versucht, mit Hilfe eines Schutzringes den Einfluß dieser Parallelkapazitäten zu vermindern. Durch einen Spannungsfolger wird erreicht, daß sich der Schutzring-Ausgang auf dem gleichen Potential befindet, wie der Eingang des Meßkondensators. Dadurch wird das elektrische Feld des Meßkondensators annähernd homogen gestaltet. Da die Parallelkapazität jedoch unabhängig vom Abstand und der Fläche des Meßkondensators ist, vergrößert sich der Meßfehler bei kleinen Meßkondensatoren.In Frequency Proportional Capacitive Length Sensor, Technical Measurement tm 53 (1986) 3, pp 109-112 is trying to reduce with the help of a guard ring, the influence of these parallel capacitances. By a voltage follower it is achieved that the guard ring output is at the same potential as the input of the measuring capacitor. As a result, the electric field of the measuring capacitor is made approximately homogeneous. However, since the parallel capacitance is independent of the distance and the surface of the measuring capacitor, the measurement error increases with small measuring capacitors.
Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu realisieren, die es gestattet, eine Umsetzung und Auswertung kapazitiver Meßgrößen vorzunehmen und dabei äußere Störgrößen, wie Schwankungen der Betriebsspannung und der Temperatur weitgehend zu eliminieren und den Einfluß von Parallelkapazitäten zu reduzieren.The aim of the invention is to realize a circuit arrangement which makes it possible to carry out a conversion and evaluation of capacitive measured variables while largely eliminating external disturbances such as fluctuations in the operating voltage and the temperature and to reduce the influence of parallel capacitances.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kapazitive Signale mit einer Schaltungsanordnung auszuwerten, welche ein relativ hohes Auflösungsvermögen besitzt und durch Quotientenbildung eine der MeßkapaziU 'oportionale Gleichspannung erzeugt. Störgrößen durch Temperatur· und Betriebsspannungsänderungen sollen auf das Ergeb. ils keinen Einfluß haben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die von kapazitiven Sensoren in Kapazitätsänderungen umgewandelten physikalischen Größen durch die Schaltungsanordnung in frequenzanaloge Ausgangsspannungen zyklisch umgesetzt werden. Dazu werden ein erster, ein zweiter zum ersten identischen Relaxationsoszillator, eine Mischstufe, ein Frequenzteiler, ein Differuntialtiefpaß, ein programmierbarer Differenzverstärker und ein Digital- bzw. Schutzringausgang derart verschaltet, daß die tastverhältnismodulierten Signale der Sensoren am Ausgang der Schaltungsanordnung nach der mathematischen Beziehung:The invention has for its object to evaluate capacitive signals with a circuit arrangement which has a relatively high resolution and generates by quotient formation of the MeßkapaziU 'oportionale DC voltage. Disturbances caused by temperature and operating voltage changes should have no influence on the result. This object is achieved in that the converted by capacitive sensors in capacitance changes physical variables are cyclically implemented by the circuit in frequency-analog output voltages. For this purpose, a first, a second identical relaxation oscillator, a mixer, a frequency divider, a differential low-pass filter, a programmable differential amplifier and a digital or guard ring output are connected in such a way that the duty cycle signals of the sensors at the output of the circuit arrangement according to the mathematical relationship:
fsensor 1 . fsensor 2fsensor 1. fsensor 2
bzw.or.
fsensor 1 +fsensor2 ' fsensor 1+fsensor2fsensor 1 + fsensor2 'fsensor 1 + fsensor2
verknüpft sind. Das bedeutet, daß das am Analogausgang der Schaltungsanordnung anliegende Signal proportional dem Quotienten der beiden Eingangsgrößen ist.are linked. This means that the signal applied to the analog output of the circuit arrangement is proportional to the quotient of the two input variables.
Das am Digital- bzw. Schutzringausgang anliegende Signal, das ein Gemisch der Frequenzen der weichselweise aktivierten Relaxationsoszillatoren darstellt, folgt der gleichen mathematischen Beziehung.The signal applied to the digital or guard ring output, which is a mixture of the frequencies of the soft-law activated relaxation oscillators, follows the same mathematical relationship.
Bei Vorgabe einer ausreichend langen Zeitbasi« für die Zahlung der gemessenen Impulse in einem bestimmten Zeitabschnitt ist die Impulszahl am Digital- bzw. Schutzringausgang repräsentativ für den Quotienten der Eingangssignale der Einzelsensoren. Somit wird der schaltungstechnische Gesamtaufwand erheblich minimiert.Given a sufficiently long time basis for the payment of the measured pulses in a certain period of time, the number of pulses at the digital or guard ring output is representative of the quotient of the input signals of the individual sensors. Thus, the overall circuit complexity is significantly minimized.
Dieses frequenzanaloge Signal kann zusätzlich zur rückwirkungslosen Bereitstellung eines Signales zur Ansteuerung von Digitalbzw. Schutzringanordnungen für berührungslose kapazitive Sensoren verwendet werden. Mittels eines 2 bit-Steuerwortes kann entweder der Analogausgang der Anordnung gesperrt sowie der Digital- bzw. Schutzringausgang in den hochohmigen Zustand versetzt, oder freigeschaltet werden, so daß das gemischte Signal der beiden Relaxationsoszillatoren am Digital- bzw. Schutzringausgang anliegt. Im nichtangesteuerten Zustand ist der Analogausgang der Schaltungsanordnung aktiviert und am Digital- bzw. Schutzringausgang liegt ebenfalls ein Ausgang signal an. Diese Steuerungsmöglichkeit gewährleistet u. a., daß bei Multiplexbetrieb problemlos mehrere Schaltungsanordnungen ausgangsseitig auf eine der Datenleitungen geschaltet werden können.This frequency-analog signal, in addition to the feedbackless provision of a signal for controlling Digitalbzw. Guard ring assemblies are used for non-contact capacitive sensors. By means of a 2-bit control word, either the analog output of the arrangement can be blocked and the digital or guard ring output can be set to the high-resistance state, or enabled, so that the mixed signal of the two relaxation oscillators is present at the digital or guard ring output. In the non-controlled state of the analog output of the circuit is activated and the digital or guard ring output is also an output signal. This control option ensures u. a., That in multiplex mode several circuits can be switched output side to one of the data lines problem-free.
Die Erfindung soll an folgendem Ausführungsbeispiel erläutert werden.The invention will be explained with reference to the following embodiment.
Fig. 1: zeigt das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung.Fig. 1: shows the block diagram of the inventive arrangement.
Die erfindungsgemäße Anordnung setzt differentielle kapazitive Meßwerte, vorzugsweise von kapazitiven Sensoren in proportionale Zeitgrößen, z. B. Impulsfolgen, sowie in amplitudenanaloge elektrische Signale um. Die von externen, vorzugsweise differentiell wirkenden Sensoren 1,2 gelieferten kapazitiven Meßwerte werden über Sensoreingänge 3,4 je einem der identischen Relaxationsoszillatoren 5,6 zugeführt. Jeder der beiden Relaxationsoszillatoren 5,6 wird über zugehörige Rückführwiderstände 7,8 derart zurückgekoppelt, daß er Schwingungen generieren kann, deren Periodendauer proportional der Kapazität des zugehörigen Sensurs 1,2 ist.The arrangement according to the invention uses differential capacitive measured values, preferably of capacitive sensors in proportional time variables, for. B. pulse trains, as well as in amplitude analog electrical signals. The capacitive measured values supplied by external, preferably differential sensors 1, 2 are fed via sensor inputs 3, 4 to one of the identical relaxation oscillators 5, 6. Each of the two relaxation oscillators 5, 6 is fed back via associated feedback resistors 7, 8 in such a way that it can generate oscillations whose period is proportional to the capacitance of the associated sensor 1, 2.
Beide R elaxationsoszillatoren 5,6 sind über Froigsbeeingänge wechselseitig durch das Ausgangssignal eines Steuerteils 11 sperrbar. Infolge dieser wechselseitigen Sperrsignale wird in einer nachgeordneten Mischst'jfe 9 nur die Ausgangssignalfolge des jeweils freigegebenen Relaxationsoszillators 5,6 wirksam.Both R elaxationsoszillatoren 5.6 are Froigsbeeingänge mutually lockable by the output signal of a control section 11. As a result of these mutual blocking signals, only the output signal sequence of the respectively released relaxation oscillator 5, 6 becomes effective in a downstream mixing stage 9.
Die Signalfolge wird zu einen über einen abschaltbaren Treiber 13 einem Digital- bzw. Schutzringausgang 16 zugeführt und zum anderen in einem Frequenzteiler 10 derart verarbeitet, daß nach einer durch das Teilerverhältnis festgelegten Anzahl von Schwingungen des jeweils aktiven Relaxationsoszillators 5,6 die zueinander komplementären Zählerausgänge ihren logischen Schaltzustand ändern.The signal sequence is supplied to a via a turn-off driver 13 to a digital or guard ring output 16 and processed in a frequency divider 10 such that after a fixed by the divider ratio number of oscillations of the respective active relaxation oscillator 5.6 the mutually complementary counter outputs their change logical switching state.
Beiden Zählausgängen ist das Steuerteil 11 nachgeordnet, indem durch logische Verknüpfung zweier Steuereingänge 18,19 mit den Zählerausgangssignalen entweder Freigabe- oder Sperrsignale für die Relaxationsoszillatoren 5,6, den abschaltbaren Treiber 13 und einen abschaltbaren Differentialtreiber 12 generiert werden. Der abschaltbare Differentialtreiber 12 ist dem Frequenzteiler 10 nachgeordnet und liefert an seinen Ausgängen zueinander komplementäre Impulsfolgen, deren Tastverhältnis funktionell mit den Quotienten der von den Sensoren 1,2 bereitgestellten kapazitiven Meßwerten verknüpft ist. In einem nachgeschalteten Differentialtiefpaß 14 erfolgt entsprechend dem Tastverhältnis die Bereitstellung eines amplitudenanalogen Difforenzsignals, das in einem nachgeordneten programmierbaren Differenzverstärker 15 verstärkt und von Gleichtaktanteilen befreit wird.Both counter outputs the control part 11 is arranged downstream, by either logic release or blocking signals for the relaxation oscillators 5.6, the turn-off driver 13 and a turn-off differential driver 12 are generated by logically combining two control inputs 18,19 with the counter output signals. The turn-off differential driver 12 is arranged downstream of the frequency divider 10 and delivers at its outputs mutually complementary pulse sequences whose duty cycle is functionally linked to the quotients of the capacitive measured values provided by the sensors 1,2. In a downstream differential low-pass filter 14, the provision of an amplitude-analogous difference signal, which is amplified in a downstream programmable differential amplifier 15 and freed from common-mode components, takes place in accordance with the pulse duty factor.
einem Analogausgang 17 entnommen werden. Das vom abschaltbaren Treiber 13 abgegebene frequen.?analoge Signalbeinhaltet die Impulsfolge des jeweils aktiven Relaxationsoszillators 5 oder 6 in Abhängigkeit vom 2 bit Steuerwort an denan analog output 17 are taken. The output from the turn-off driver 13 frequen.?analoge signalcontains the pulse train of each active relaxation oscillator 5 or 6 in response to the 2 bit control word to the
ausgangsseitig auf eine Datenleitung zuarbeiten können. Damit wird der Multiplexbetrieb und die Auswertung der Meßwerte deron the output side can work on a data line. Thus, the multiplex operation and the evaluation of the measured values of the
Fig. 2: zeigt das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung, wie sie u. a. in einem monolithisch integrierten IS Verwendung finden kann.Fig. 2: shows the block diagram of the arrangement according to the invention, as they u. a. can be used in a monolithic integrated IS.
Die von externen, vorzugsweise kapazitiven Sensoren 1,2 gelieferten kapazitiven Meßwerte werden den völlig identisch aufgebauten Relaxationsoszillatoren 5,6 über die Sensoreingänge 3,4 zugeführt. Beide Relaxationsoszillatoren bestehen aus je einem NAND-Gatter mit Triggereingang und einem internen Rückführungswiderstand 7,8 und werden in ihrer Flächenausdehnung minimal und örtlich direkt nebeneinander auf einem Chip angeordnet. Damit wird eine gute thermische Kopplung und identisches Verhalten beider Oszillatoren erreicht. Beide Relaxationsoszillatoron genorieren Schwingungen, deren Frequenz indirekt proportional der zugehörigen Kapazität des Sensors 1 bzw. Sensors 2 ist. Die Relaxationsoszillatoren ß, 6 werden durch wechselseitig am Frequenzteiler 10 erzeugten Signale gesperrt. Infolge dieser wechselseitigen Sperrsignale wird an einer den Relaxationsoszillatoren 5,6 nachgeordnete Mischstufe 9 nur die Ausgangssignalfolge des jeweilig freigegebenen Oszillators 5,6 wirksam.The capacitive measured values supplied by external, preferably capacitive sensors 1, 2 are fed to the completely identical relaxation oscillators 5, 6 via the sensor inputs 3, 4. Both relaxation oscillators each consist of a NAND gate with trigger input and an internal feedback resistor 7, 8 and are arranged in their areal extent minimally and locally next to one another directly on a chip. This achieves good thermal coupling and identical behavior of both oscillators. Both Relaxationsoszillatoron genorieren vibrations whose frequency is indirectly proportional to the associated capacity of the sensor 1 and sensor 2. The relaxation oscillators β, 6 are blocked by mutually generated at the frequency divider 10 signals. As a result of these mutual blocking signals, only the output signal sequence of the respectively enabled oscillator 5, 6 is active on a mixer 9 arranged downstream of the relaxation oscillators 5, 6.
Diese Signalfolge wird einmal einem Frequenzteiler 10 und zum anderen über einen Treiber 13 dem Schutzringausgang 14 zugeführt. Nach einer durch das Teilerverhältnis des Frequenzteilers 10 festgelegten Anzahl von Impulsen des jeweils aktiv wirkenden Relaxationsoszillator 5,6 ändern die komplementären Steuersignale ihren logischen Pegel. Dem Frequenzteiler 10 ist eine Freigabe- bzw. Resetschaltung 11 nachgeordnet, die die vom Frequenzteiler 10 kommenden Signale bei L-Pegel am Steuereingang 17 an den Ausgangstreiber 12 durchschaltet, bzw. bei Η-Pegel am Steuereingang 17 den Ausganpstreiber 12 gegen Masse- und Betriebsspannungspotential hochohmig werden läßt. Gleichzeitig erfolgt bei Η-Pegel am Steuoreingang 17 ein Rücksetzen der Teilerstufen des Frequenzteilers 10. Während am Digitalausgang 15 des Treibers 12 komplementäre Impulsfolgen bereitgestellt werden, deren Tastverhältnis funktionell mit dem Quotienten der von den Sensoren 1,2 gelieferten kapazitiven Meßwerte verknüpft ist, liefert der Analogausgang 16 über einen internen Widerstand nach Glättung mittels eines zusätzlich am Ausgang 16 geschalteten Kondensators eine auswertbare analoge Spannung.This signal sequence is once supplied to a frequency divider 10 and the other via a driver 13 to the guard ring output 14. After a predetermined by the division ratio of the frequency divider 10 number of pulses of each active-acting relaxation oscillator 5.6 change the complementary control signals their logic level. The frequency divider 10 is followed by a release or reset circuit 11, which switches the signals coming from the frequency divider 10 at L level on the control input 17 to the output driver 12, or at Η level on the control input 17 the output driver 12 against ground and operating voltage potential can be high impedance. At the same time a reset of the divider stages of the frequency divider 10 takes place at the ore-level at the control input 17. While complementary pulse sequences are provided at the digital output 15 of the driver 12 whose duty cycle is functionally linked to the quotient of the capacitive measured values supplied by the sensors 1, 2 Analog output 16 via an internal resistor after smoothing by means of an additionally connected to the output 16 capacitor an evaluable analog voltage.
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