DE112021005999T5

DE112021005999T5 - Kostengünstige kapazitive Abfühlschaltung mit hoher Messgeschwindigkeit für den Betrieb von kapazitiven Sensoren im Lademodus

Info

Publication number: DE112021005999T5
Application number: DE112021005999.8T
Authority: DE
Inventors: Laurent Lamesch; Tobias Justinger; Michael Pütz; Thomas Faber; Christoph Wendt; Johnny Lorang
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2020-11-16
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2023-08-24
Also published as: US20240003947A1; WO2022101485A1

Abstract

Eine Impedanzmessschaltung zum Bestimmen einer komplexen Impedanz (1, 2) eines kapazitiven Sensors mit mindestens einer Abfühlelektrode, die im Lademodus betreibbar ist, und mindestens einer Schutzelektrode umfasst: eine Impulsgeneratoreinheit zum Bereitstellen eines periodischen elektrischen Messsignals und eines periodischen elektrischen Schutzsignals, eine Signalabfühlschaltung zum Abfühlen eines Abfühlstroms, der durch die mindestens eine Abfühlelektrode oder die Abfühlelektroden als Reaktion auf das Messsignal der Impulsgeneratoreinheit fließt; und eine Steuer- und Auswerteeinheit. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist dafür ausgelegt, eine komplexe Impedanz (1, 2) anhand der bestimmten Abfühlströme mit Bezug auf ein komplexes Bezugspotential zu bestimmen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Impedanzmessschaltung zum Bestimmen einer komplexen Impedanz eines kapazitiven Sensors mit mindestens einer Abfühlelektrode, die im Lademodus betreibbar ist, und mindestens einer Schutzelektrode und eine kapazitive Abfühlvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeuganwendungen, die eine solche Impedanzmessschaltung einschließt.
Hintergrund der Erfindung
Kapazitive Sensoren und kapazitive Mess- und/oder Erkennungsvorrichtungen, bei denen kapazitive Sensoren eingesetzt werden, haben einen weiten Anwendungsbereich und werden unter anderem für die Erkennung des Vorliegens und/oder der Position eines leitfähigen Körpers oder Körperabschnitts in der Nähe einer Antennenelektrode verwendet.
Wie er hier verwendet wird, bezeichnet der Begriff „kapazitiver Sensor“ einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss des Abgefühlten (einer Person, eines Körperteils einer Person, eines Haustiers, eines Gegenstands usw.) auf ein elektrisches Feld reagiert. Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen mindestens eine Antennenelektrode, an die ein oszillierendes elektrisches Signal angelegt wird und die daraufhin ein elektrisches Feld in einen Raumbereich nahe der Antennenelektrode ausgibt, während der Sensor in Betrieb ist. Der Sensor umfasst mindestens eine Abfühlelektrode - die zu Emissionsantennenelektroden identisch oder dazu verschieden sein kann - an der der Einfluss eines Gegenstands oder eines Lebewesens auf das elektrische Feld erkannt wird.
Auf dem Gebiet der Sensoranwendungen in Kraftfahrzeugen ist es bekannt, kapazitive Sensoren zum Bereitstellen einer Eingabe in automatische Fahrerassistenzsysteme (Automatic Driver Assistance Systems - ADAS), zum Beispiel für den Zweck eines Sitzgurterinnerungssystems (Seat Belt Reminder - SBR) oder einer Aktivierungssteuerung für ein zusätzliches Rückhaltesystem (Auxiliary Restraint System - ARS), einzusetzen. Abgefühlte Signale können als Grundlage für Entscheidungen durch ein ADAS dienen, zum Beispiel für eine Entscheidung, ein Airbagsystem an einem speziellen Fahrzeugsitz einzusetzen oder nicht.
Es wurde eine reiche Vielfalt von kapazitiven Insassenabfühlsystemen vorgeschlagen, z. B. zur Steuerung des Einsetzens von einem oder mehreren Airbags, wie z. B. eines Fahrerairbags, eines Beifahrerairbags und/oder eines Seitenairbags. Ein weiteres Beispiel für die Verwendung von kapazitiven Sensoren in einer Kraftfahrzeuganwendung ist das sogenannte Hands Off Detection System (HoD, System zur Erkennung, dass keine Handberührung vorliegt), bei dem einer oder mehrere Sensoren Informationen darüber bereitstellen, ob ein Fahrer seine Hände auf einem Lenkrad eines Fahrzeugs platziert hat oder nicht. Diese Informationen können an ein ADAS, wie eine automatische Distanzregelung (Adaptive Cruise Control, ACC), übertragen werden, das, basierend auf dem bereitgestellten Sensorsignal, den Fahrer / die Fahrerin warnen und daran erinnern kann, wieder die Kontrolle über das Lenkrad zu übernehmen. Insbesondere können solche HoD-Systeme als Unterstützung verwendet werden, um eine Anforderung der Wiener Konvention zu erfüllen, dass der Fahrer jederzeit die Kontrolle über sein Fahrzeug behalten muss. HoD-Systeme können auch in einem Parkassistenzsystem oder einem ADAS eingesetzt werden, das dafür ausgelegt ist, eine Fahreraktivität bei hoher Geschwindigkeit auszuwerten.
In einigen kapazitiven (sogenannten „Lademodus-“) Sensoren dient die mindestens eine Antennenelektrode gleichzeitig als Abfühlelektrode. In diesem Fall bestimmt eine Messschaltung einen in die mindestens eine Antennenelektrode fließenden Strom in Abhängigkeit von einer an diese angelegten oszillierenden Spannung. Die Beziehung zwischen Spannung und Strom ergibt die komplexe Impedanz zwischen der mindestens einen Antennenelektrode und Erdpotential. In einer Variante von kapazitiven Sensoren (kapazitive „Kopplungsmodus-"Sensoren) sind die Sendeantennenelektrode(n) und die Abfühlelektrode(n) voneinander getrennt. In diesem Fall bestimmt die Messschaltung einen Strom oder eine Spannung, der/die in der Abfühlelektrode induziert wird, wenn mindestens eine Sendeantennenelektrode betrieben wird.
Verschiedene kapazitive Abfühlmechanismen werden zum Beispiel in dem technischen Dokument mit dem Titel „Electric Field Sensing for Graphical Interfaces“ von J. R. Smith et al., veröffentlicht in IEEE Computer Graphics and Applications, 18(3): 54- 60, 1998, erläutert, welches hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme mit Wirkung für die Rechtsprechung, die eine Einbeziehung durch Bezugnahme erlaubt, einbezogen werden soll.
Das Dokument beschreibt das Konzept des Abfühlens eines elektrischen Felds, wie es verwendet wird, um berührungslose dreidimensionale Positionsmessungen vorzunehmen, und insbesondere, um die Position einer menschlichen Hand zum Zwecke der Eingabe von dreidimensionalen Positionen in einen Computer abzufühlen. Innerhalb des allgemeinen Konzepts des kapazitiven Abfühlens unterscheidet der Autor zwischen distinkten Mechanismen, die er als „Lademodus“, „Parallelmodus“ und „Sendemodus“ bezeichnet, die verschiedenen möglichen Wegen für den elektrischen Strom entsprechen. Im „Lademodus“ wird ein oszillierendes Spannungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein oszillierendes elektrisches Feld gegen Erde aufbaut.
Das abzufühlende Objekt modifiziert die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und Erde. Im „Parallelmodus“, der alternativ auch als „Kopplungsmodus“ bezeichnet wird, wird ein oszillierendes Spannungssignal an die Sendeelektrode angelegt, wobei ein elektrisches Feld an einer Empfangselektrode aufgebaut wird, und der an der Empfangselektrode induzierte Verschiebungsstrom wird gemessen. Der gemessene Verschiebungsstrom hängt von dem abgefühlten Körper ab. Im „Sendemodus“ wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Kontakt gebracht, der dann ein Sender relativ zu einem Empfänger wird, und zwar entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über eine kapazitive Kopplung.
Die kapazitive Kopplungsstärke kann zum Beispiel bestimmt werden, indem ein Wechselspannungssignal an eine Antennenelektrode angelegt und der von dieser Antennenelektrode entweder gegen Erde (im Lademodus) oder in eine zweite Antennenelektrode (im Kopplungsmodus) fließende Strom gemessen wird. Dieser Strom kann durch einen Transimpedanzverstärker gemessen werden, der an die Abfühlelektrode angeschlossen ist und den in die Abfühlelektrode fließenden Strom in eine Spannung proportional zu diesem Strom umwandelt.
Zum Beispiel beschreibt die EP 2036780 A1 eine betriebsfähige, verstärkerbasierte kapazitive Lademodusmessung. Ein Insassenerkennungssystem umfasst eine Elektrodenanordnung zur Platzierung in einem Sitz eines Kraftfahrzeugs und eine Auswerteschaltung, die mit der Elektrodenanordnung wirkverbunden ist. Letztere schließt eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und eine zwischen der ersten und der zweiten Elektrode eingefasste elektrische Isolierschicht ein. Wenn sich die Elektrodenanordnung an ihrem Platz in dem Sitz befindet, bildet die erste Elektrode mit der Fahrzeugmasse einen ersten Kondensator mit einer ersten Kapazität, die erste Elektrode mit der zweiten Elektrode einen zweiten Kondensator mit einer zweiten Kapazität und die zweite Elektrode eine erste Platte eines dritten Kondensators mit einer dritten Kapazität. Als erster Indikator des Sitzbelegungszustands wird ein Maß der ersten Kapazität bestimmt, während die zweite Elektrode als angetriebene Abschirmelektrode für die erste Elektrode betrieben wird. Die Schwankungen mindestens einer der ersten, zweiten und dritten Kapazität werden gemessen und das Frequenzspektrum der gemessenen Schwankungen wird analysiert, was einen zweiten Indikator des Belegungszustands ergibt. Der Ableitung des Belegungszustands des Sitzes werden dann sowohl der erste Indikator als auch der zweite Indikator zugrunde gelegt.
Die komplexe Impedanzmessung zum Bestimmen einer unbekannten Impedanz, die äquivalent zu einem Einfluss eines Objekts oder Lebewesens auf das elektrische Feld einer Abfühlelektrode eines kapazitiven Sensors ist, wird häufig durch eine Abtastmessung, zum Beispiel eines Abfühlstroms, bestimmt, indem ein oder mehr Analog-Digital-Wandler (Analog Digital Converter, ADC) eingesetzt werden. Es wurden im Stand der Technik Lösungen vorgeschlagen, um die Anforderungen betreffend eine Abtastfrequenz des ADC zu senken, was ein wichtiger Faktor für die Komplexität und Kosteneffizienz ist.
Zum Beispiel schlägt die WO 2016/071416 A1 eine kostengünstige komplexe Impedanzmessschaltung vor. Ein Verfahren zum Messen einer Impedanz eines kapazitiven Sensors ausschließlich zum Abfühlen, der im Lademodus betrieben wird, umfasst die folgenden Schritte: Kombinieren von mehreren synchronisierten Ausgangssignalen; Anwenden einer Tiefpassfilterung an die addierten Ausgangssignale, um ein sinusförmiges Prüfsignal zu erzeugen; Anlegen des sinusförmigen Prüfsignals an eine Sensorsignal-Spannungsteilerschaltung und eine Bezugsspannungsteilerschaltung; Bestimmen der Amplitude und relativen Phase, in Bezug auf das sinusförmige Prüfsignal, eines Sensorspannungssignals und eines Bezugsspannungssignals; Erhalten eines Differenzspannungssignals durch Subtrahieren des Bezugsspannungssignals von dem Sensorspannungssignal; und Einspeisen des Differenzspannungssignals in eine Vektordemodulatoreinheit zum Erhalten eines Realteils und eines Imaginärteils der komplexen Impedanz des kapazitiven Sensors. Sowohl das Sensorspannungssignal als auch das Bezugsspannungssignal werden einzeln in einem Analog-Digital-Wandler abgetastet, und die resultierenden Abtastwerte werden subtrahiert, um das Differenzspannungssignal zu erhalten. Ein Äquivalenzzeit-Abtastverfahren wird zum Messen des Sensorspannungssignals und des Bezugsspannungssignals eingesetzt.
Wie in dem vorherigen Beispiel sind einige kapazitive Sensoren als kapazitive Sensoren ausschließlich zum Abfühlen mit einer einzelnen Abfühlelektrode ausgeführt. Auch werden recht häufig kapazitive Sensoren verwendet, die eine Abfühlelektrode und eine sogenannte „Schutzelektrode“ umfassen, die proximal angeordnet und voneinander galvanisch isoliert sind. Diese Technik des „Schutzes“ ist auf dem Fachgebiet allgemein bekannt und wird häufig zum bewussten Maskieren und somit Formen eines Empfindlichkeitszustands eines kapazitiven Sensors verwendet. Hierfür wird die Schutzelektrode auf dem gleichen elektrischen Wechselstrompotential gehalten wie die Abfühlelektrode. Infolgedessen ist ein Raum zwischen der Abfühlelektrode und der Schutzelektrode frei von einem elektrischen Feld, und der kapazitive Schutz-Abfühl-Sensor ist in einer Richtung zwischen der Abfühlelektrode und der Schutzelektrode unempfindlich.
Das Äquivalenzzeit-Abtastverfahren wird auch in einer kostengünstigen Messschaltung einer komplexen Impedanz für kapazitive Schutz-Abfühl-Sensoren, die im Lademodus betrieben werden, verwendet, wie in der WO 2016/062824 A1 beschrieben. Ein Mikrokontroller verwendet eine Kombination von mehreren synchronisierten PWM-Ausgängen, um durch Addieren der PWM-Ausgaben und Filtern des addierten Signals eine verzerrungsarme Sinuswelle zu erzeugen. Die Sinuswelle wird als Schutzspannung für die Schutzelektrode verwendet. Die unbekannte Impedanz wird durch Beaufschlagen der Abfühlelektrode mit der Schutzspannung durch einen Transistor gemessen, der in einer Basisschaltungskonfiguration angeschlossen ist, und dann durch Übertragen des Abfühlstroms durch den in Basisschaltung angeschlossenen Transistor an einen Transimpedanzverstärker aus einem zweiten Transistor, der in Emitterschaltungskonfiguration angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung am Kollektor des zweiten Transistors wird durch einen ADC-Eingang des Mikrokontrollers gemessen. Der Mikrokontroller übersetzt die ADC-Ausgabewerte in die zu messende unbekannte Impedanz durch Ausführen einer Softwaredemodulation der ADC-Ausgabewerte. Zusätzlich kann, um die Präzision der Messung zu erhöhen, eine Bezugsimpedanz mit der unbekannten Impedanz parallel geschaltet und von dem Mikrokontroller verwendet werden, um Verstärkungsfehler der Signalabfühlschaltung auszuschalten.
Kapazitive Abfühlsysteme, die bei der Steuerung von Airbagsystemen oder anderen sicherheitsbezogenen Anwendungen verwendet werden, können als sicherheitsrelevante Systemkomponenten betrachtet werden. Es kann somit notwendig sein, die gute Funktionsfähigkeit der verschiedenen Komponenten des Sensors (Abfühlelektrode und/oder Schutzelektrode) zu überwachen, um eine falsche Ablesung durch das kapazitive Belegungs- oder Näherungserkennungssystem auszuschließen.
Insbesondere bei HoD-Systemen (Systemen zur Erkennung, dass keine Handberührung vorliegt) wird oft eine Schutzelektrode eingesetzt, um eine oder mehrere Abfühlelektroden von Innenteilen eines Fahrzeuglenkrads abzuschirmen. Jegliche Beschädigung einer elektrischen Verbindung der Schutzelektrode zu Signalverarbeitungsschaltungen eines kapazitiven Sensorsystems kann die Zuverlässigkeit von Messergebnissen des kapazitiven Sensors gefährden.
Es ist im Stand der Technik vorgeschlagen worden, kapazitive Messschaltungen mit Sensordiagnostikmitteln zu versehen, um eine Unterbrechung des kapazitiven Sensors, zum Beispiel eine Unterbrechung einer Schutzelektrode, zu erkennen. In einem Ansatz wird das Schalten eines Bezugseingangs eines Transimpedanzverstärkers von einer Wechselstrom-Bezugsquelle zu Wechselstromerdung bzw. zu einem gedämpften Wechselstrombezug verwendet.
Eine Lösung für ein solches kapazitives Abfühlsystem mit einer Sensordiagnostik ist aus der WO 2017/129552 A1 bekannt. Eine Kapazitäts-Messschaltung zum Bestimmen eines Abfühlstroms eines kapazitiven Sensors mit einer Abfühlelektrode und einer Schutzelektrode umfasst eine periodische Signalspannungsquelle, eine Abfühlstrom-Messschaltung, die dafür ausgelegt ist, den Abfühlstrom mit Bezug auf eine Bezugsspannung zu bestimmen, mindestens ein fernsteuerbares Schaltelement, wobei im ersten Schaltzustand das mindestens eine Schaltelement die Abfühlstrom-Messschaltung elektrisch an die periodische Messspannung anschließt, um eine erste Bezugsspannung bereitzustellen, und in dem zweiten Schaltzustand das mindestens eine Schaltelement die Abfühlstrom-Messschaltung elektrisch an eine zweite Bezugsspannung anschließt, die sich von der ersten Bezugsspannung unterscheidet.
Ferner werden in der EP 2036780 A1 (vorstehend beschrieben), der EP 2 400 259 A1 , der US 8,354,936 B2 , der US 2005/0253712 A1 , der US 2008/0093925 A1 und der WO 2012/043443 A1 konzeptionell verschiedene Ansätze für eine Sensordiagnostik beschrieben.
Die EP 2 400 259 A1 schlägt eine Insassenpositurerkennungseinrichtung und ein Insassenpositurerkennungsverfahren vor. Eine Insassenhaltungsabfühleinrichtung schließt, um kostengünstig konfiguriert zu werden, um eine Kostensenkung und das Abfühlen einer Sitzhaltung eines Insassen äußerst präzise zu ermöglichen, eine Kapazitätssensoreinheit und eine Schaltungseinheit ein. Die Kapazitätssensoreinheit schließt eine erste und eine zweite Abfühlelektrode ein, die an Abschnitten einer Innendecke eines Fahrzeugs vor und direkt über einem Sitz vorgesehen sind, die mit einer Kapazitätsabfühlschaltung der Schaltungseinheit und einer die Abschirmelektrode antreibenden Schaltung durch Wahlschalter SW1 und SW2 verbunden sind. Eine CPU der Schaltungseinheit bestimmt eine Sitzhaltung eines Insassen (menschlichen Körpers), der auf dem Sitz sitzt, basierend auf Informationen betreffend die Position des Kopfes des Insassen unter Verwendung von Kapazitätswerten, die durch die Kapazitätsabfühlschaltung basierend auf Kapazitäten von den Abfühlelektroden erkannt werden. Haltungsinformationen betreffend die bestimmte Sitzhaltung werden an die ECU ausgegeben, die auf dem Fahrzeug montiert ist und zum Steuern des Airbag-Einsatzes usw. verwendet wird.
Die US 8,354,936 B2 beschreibt einen kapazitiven Passagierdetektor für ein Fahrzeug. Der kapazitive Passagierdetektor schließt Folgendes ein: einen kapazitiven Sensor mit einer Haupt-, Teil- und Schutzelektrode; eine Sensorcharakteristik-Messeinheit zum Anlegen eines Wechselspannungssignals an jede Elektrode und zum Umwandeln eines Stroms in jeder Elektrode in eine Spannung; und einen Controller. Der Controller definiert einen Strom in der Schutzelektrode als Bezugsstrom, wenn Spannungen der Haupt- und Schutzelektrode ein gleiches Potential aufweisen. Der Controller definiert eine Stromfließrichtung der Schutzelektrode als negativ, wenn die Spannung der Hauptelektrode höher als die Schutzelektrode ist. Der Controller definiert die Stromfließrichtung der Schutzelektrode als positiv, wenn die Spannung der Hauptelektrode niedriger als die Schutzelektrode ist. Der Controller korrigiert die Spannung der Hauptelektrode basierend auf dem Strom der Schutzelektrode derart, dass eine korrigierte Spannung als Passagierbestimmungsdaten eingestellt wird.
Aus der US 2005/0253712 A1 sind eine Insassenbestimmungseinrichtung und ein Insassenbestimmungsverfahren bekannt, die mit einer einfachen Konfiguration präzise die Größe eines Insassen bestimmen können, wobei mehrere Elektroden auf einer Schicht angeordnet sind, und die Fehler auf Grund der Kapazität zwischen einem Insassen und umgebenden Metallteilen der Autokarosserie oder dergleichen ausschalten und somit eine fehlerhafte Bestimmung unterdrücken können. Die Insassenbestimmungseinrichtung umfasst einen ersten Sensor, der mehrere Sitzabschnittelektroden einschließt, die auf einem Sitzabschnitt angeordnet sind, und einen ersten Bestimmungsabschnitt. Der erste Sensorabschnitt umfasst: eine erste Sitzabschnittelektrode; eine Bezugselektrodenbaugruppe, wobei zweite Sitzabschnittelektroden getrennt in der X-Richtung angeordnet sind; und eine Bezugselektrodenbaugruppe, wobei dritte Sitzabschnittelektroden getrennt in der Y-Richtung angeordnet sind. Der erste Bestimmungsabschnitt umfasst: einen Oszillator; einen Kapazitätserkennungsabschnitt, der den durch eine Sitzabschnittelektrode fließenden Strom erkennt, um die Kapazität zu erkennen; einen Schaltkreis, der die Verbindung des Kapazitätserkennungsabschnitts zu der Sitzabschnittelektrode schaltet; und einen Steuerabschnitt, der ein Schaltsteuersignal ausgibt.
Die US 2008/0093925 A1 beschreibt eine Passagiererkennungseinrichtung zum Erkennen einer Bruchstelle an einer Abschirmleitung, ohne durch periphere Abschirmkabel beeinträchtigt zu sein. Die Passagiererkennungseinrichtung enthält Sensoren, die auf einem Sitz in einem Fahrzeug angeordnet sind; Abschirmkabel, die den Sensoren entsprechen, wobei ein Ende des Kerndrahts mit dem entsprechenden der Sensoren verbunden ist; eine Messsignalausgabevorrichtung zum Ausgeben eines Wechselstrom-Messsignals; eine Vorrichtung zum Erkennen einer Stromausgabe aus der Messsignal-Ausgabevorrichtung; eine Vorrichtung zum Ausgeben eines die Kapazität aufhebenden Wechselstromsignals, das die gleiche Phase und den gleichen Pegel wie diejenigen des Wechselstrom-Messsignals hat; eine Vorrichtung zum selektiven Anlegen eines von dem Wechselstrom-Messsignal und einer Gleichspannung an das andere Ende eines jeden Abschirmkabels; und eine Vorrichtung zum selektiven Anlegen eines von dem die Kapazität aufhebenden Wechselstromsignal und einem zweiten Signal, das eine andere Wellenform hat als diejenige des Wechselstrom-Messsignals, an die Abschirmung eines jeden Abschirmkabels.
Ferner schlägt die WO 2012/043443 A1 einen Kapazitätssensor und ein Verfahren zum Bestimmen des Ausfalls eines Kapazitätssensors durch eine Erkennungselektrode, die die Kapazität erkennt; eine Abschirmelektrode, die in der Nähe der Erkennungselektrode angeordnet ist; eine Abschirmantriebsschaltung, die an die Abschirmelektrode ein erstes Potential und ein zweites Potential anlegt, das sich von dem ersten Potential unterscheidet, durch Ausführen eines Schaltens zwischen dem ersten Potential und dem zweiten Potential; eine Erkennungsschaltung, die ein Erkennungssignal ausgibt, das der von der Erkennungselektrode erkannten Kapazität entspricht; und eine Bestimmungsschaltung vor, die das Fehlen/Vorliegen einer Abnormalität der Erkennungselektrode oder der Abschirmelektrode auf Basis eines ersten Erkennungssignals, das der von der Erkennungselektrode erkannten Kapazität entspricht, wenn die Abschirmantriebsmittel das erste Potential an die Abschirmelektrode angelegt haben, und eines zweiten Erkennungssignals, das der von der Erkennungselektrode erkannten Kapazität entspricht, bestimmt, wenn die Abschirmantriebsmittel das zweite Potential an die Abschirmelektrode angelegt haben, wobei das erste Erkennungssignal und das zweite Erkennungssignal von der Erkennungsschaltung erhalten werden.
Eine Diagnose einer elektronischen Schaltung durch Parallelschalten einer Bezugsimpedanz mit der unbekannten Impedanz ist zum Beispiel in der WO 2014/166881 A1 beschrieben. Eine kapazitive Abfühlvorrichtung umfasst eine Antennenelektrode zum Ausgeben eines elektrischen Wechselfelds als Reaktion auf eine Wechselspannung, die in der Antennenelektrode ausgelöst wurde, und eine Steuer- und Auswerteschaltung, die dafür ausgelegt ist, die Wechselspannung gleich einer wechselnden Bezugsspannung zu halten, indem ein Strom in die Antennenelektrode eingespeist wird, und den Strom zu messen. Die Steuer- und Auswerteschaltung schließt einen Mikrokontroller mit einem digitalen Ausgang zum Bereitstellen eines digitalen Signals und ein Tiefpassfilter ein, das mit dem digitalen Ausgang zum Erzeugen der wechselnden Bezugsspannung durch Tiefpassfiltern des digitalen Signals wirkverbunden ist. Die kapazitive Abfühlvorrichtung umfasst mindestens eine normative Impedanz, die in gesteuerter Weise mit der Antennenelektrode mit einem Schalter parallel geschaltet werden kann, der in Reihe mit der mindestens einen normativen Impedanz angeordnet und durch den Mikrokontroller gesteuert ist.
Ferner beschreibt die US 6,392,542 B1 einen Insassensensor mit einer Schutzelektrode und einem Bezugsschalten. Ein elektrischer Feldsensor umfasst mindestens eine Elektrode, die innerhalb eines Sitzes montierbar ist und betrieblich mit einer Abfühlschaltung gekoppelt ist, die ein oszillierendes Signal, das mindestens eine Frequenz oder mindestens einen Impuls umfasst, an mindestens eine Elektrode anlegt und ein Signal erzeugt, das auf mindestens eine, das elektrische Feld beeinflussende Eigenschaft eines Objekts in der Nähe des Sensors für das elektrische Feld anspricht. Mindestens eine Frequenz oder Pulsdauer des angelegten Signals ist so angepasst, dass sie höchstens schwach auf einen feuchten Zustand des Sitzes anspricht. Ein Verfahren zum Abfühlen eines Insassen umfasst das Platzieren mindestens einer Elektrode innerhalb eines Sitzes eines Kraftfahrzeugs, das Anlegen eines oszillierenden Signals an mindestens eine Elektrode, das Messen der Amplitude und Phase eines Signals, das auf die mindestens eine Elektrode anspricht, das Drehen der gemessenen Amplitude und Phase, das Kompensieren der gedrehten Amplitude um einen Wert, der auf die gedrehte Phase anspricht, und das Vergleichen der kompensierten Amplitude mit einem Schwellenwert.
Ein weiterer Faktor, der die Komplexität und Kosteneffizienz eines kapazitiven Abfühlsystems bestimmt, ist das Bereitstellen des üblichen wechselnden Messsignals. Eine kostengünstige Lösung für die Sinuswellenerzeugung unter Verwendung eines Passivfilters ist in der WO 2016/071416 A1 beschrieben, die oben vorgestellt wurde.
Eine weitere Herausforderung für eine kostengünstige kapazitive Erkennungsvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeuganwendungen, ist eine möglichst geringe EMI-Anfälligkeit.
Eine Lösung wird in der WO 2017/129533 A1 durch ein kapazitives Sitzbelegungserkennungs- und -klassifizierungssystem vorgeschlagen. Das System umfasst eine Impedanzmessschaltung und eine Steuer- und Auswerteeinheit. Die Impedanzmessschaltung ist dafür ausgelegt, periodische elektrische Messsignale einem kapazitiven Sensor von N verschiedenen Grundfrequenzen bereitzustellen, wobei N eine natürliche Zahl von mindestens 3 ist, und eine komplexe Impedanz von jedem von bestimmten Abfühlströmen in dem kapazitiven Sensor zu bestimmen. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist dafür ausgelegt, eine Sitzbelegungsklasse für jede einzelne der komplexen Impedanzen zu bestimmen, die bei den mindestens N verschiedenen Grundfrequenzen bestimmt worden sind, und eine endgültige Sitzbelegungsklasse zu bestimmen, die von einer Majoritätsentscheidung unter den bestimmten Sitzbelegungsklassen hergeleitet worden ist. Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass nur ein Bruchteil der verschiedenen Grundfrequenzen durch Resonanzen gestört wird, die auf Grund von parasitären Induktivitäten und Kapazitäten in einem eingebauten Zustand des kapazitiven Sitzbelegungserkennungs- und -klassifizierungssystems vorliegen.
Außerdem beschreibt die US 2012/0286800 A1 eine Kapazitätsabfühlschaltung, in erster Linie zur Verwendung in Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtungen, wie Touchpads, die einen Schaltkreis, der dafür ausgelegt ist, durch Laden und Entladen einer kapazitiven Sensorelektrode einen Sensorstrom zu erzeugen, und eine Stromspiegelschaltung einschließen kann, die einen Spiegelstrom basierend auf dem Sensorstrom erzeugt. Basierend auf dem Spiegelstrom erzeugt eine Messschaltung ein Ausgangssignal, das für eine Kapazität der kapazitiven Sensorelektrode steht. Das Vorliegen des Stromspiegels verringert die von dem kapazitiven Sensor erkannte Eingangsimpedanz. Die verringerte Eingangsimpedanz erhöht die Immunität der Messschaltung auf ein tieffrequentes Rauschen, das durch den kapazitiven Sensor oder andere Leiter, wie PCB-Spuren, an das System gekoppelt ist.
Aufgabe der Erfindung
Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine kostengünstige Lösung für eine kapazitive Abfühlvorrichtung mit einer kapazitiven Messchaltung bereitzustellen, die an mindestens einen kapazitive Sensor, der im Lademodus zu betreiben ist, anschließbar ist, die eine oder mehr kapazitive Abfühlelektroden und mindestens eine Schutzelektrode aufweisen kann, wobei die kapazitive Messschaltung verbesserte Eigenschaften betreffend eine Geschwindigkeit der Messung aufweist und auch in der Lage sein kann, mindestens eines von einer Sensordiagnostik oder einer Diagnostik der elektronischen Schaltung bereitzustellen. Gleichzeitig sollte die kapazitive Messschaltung vorzugsweise ein hohes Maß an EMI-Robustheit erreichen.
Die kapazitive Abfühlvorrichtung sollte insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeuganwendungen, wie einer Erkennung, dass keine Handberührung vorliegt (Hands Off Detection - HoD), für Fahrzeuglenkräder und einer Fahrzeugsitzbelegungserkennung, ausgelegt sein.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch eine Impedanzmessschaltung zum Bestimmen einer komplexen Impedanz eines kapazitiven Sensors mit mindestens einer Abfühlelektrode, die im Lademodus betreibbar ist, und mindestens einer Schutzelektrode gelöst.
Die vorgeschlagene Impedanzmessschaltung umfasst

- eine Impulsgeneratoreinheit zum Bereitstellen eines periodischen elektrischen Messsignals, das mehrere verschiedene Grundmessfrequenzen umfasst, und zum Bereitstellen eines periodischen elektrischen Schutzsignals,
- eine Signalabfühlschaltung, aufweisend Strommessmittel zum Abfühlen eines Abfühlstroms, der durch die mindestens eine Abfühlelektrode oder die Abfühlelektroden als Reaktion auf das Messsignal der Impulsgeneratoreinheit fließt, und
- eine Steuer- und Auswerteeinheit, die zumindest dafür ausgelegt ist, eine komplexe Impedanz anhand der bestimmten Abfühlströme mit Bezug auf ein komplexes Bezugspotential zu bestimmen.

Der Begriff „dafür ausgelegt sein“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, versteht sich insbesondere als speziell programmiert, ausgelegt, eingerichtet oder angeordnet.
Vorzugsweise liegt die Prüfsignalfrequenz in einem Bereich zwischen 10 kHz und 500 kHz. Die Pulsdauermodulationseinheiten haben Ausgangssignale mit einer Grundfrequenz, die innerhalb dieses Frequenzbereichs ausgewählt sein kann. Der Begriff „Grundfrequenz“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, versteht sich insbesondere als niedrigste sinusförmige Frequenz in einer Fourier-Analyse des jeweiligen zeitvariablen Ausgangssignals
Durch Einsetzen von mehreren verschiedenen Grundmessfrequenzen kann die vorgeschlagene Impedanzmessschaltung somit eine verbesserte Geschwindigkeit der Messung der komplexen Impedanz des kapazitiven Sensors und dadurch der abzufühlenden unbekannten Impedanz bereitstellen.
Die Impedanzmessschaltung kann eine kostengünstige Lösung mit geringer Hardware-Komplexität bereitstellen.
Insbesondere kann die vorgeschlagene Impedanzmessschaltung in kapazitiven Abfühlvorrichtungen in Kraftfahrzeuganwendungen, wie Erkennungsvorrichtungen für Fahrzeuglenkräder, dass keine Handberührung vorliegt, und in Sitzbelegungserkennungs- und/oder -klassifizierungsvorrichtungen für einen Fahrzeugsitz oder Fahrzeugsitze verwendet werden.
Der Begriff „Kraftfahrzeug-“, wie er in dieser Patentanmeldung verwendet wird, versteht sich insbesondere als zur Verwendung in Fahrzeugen geeignet, einschließlich Personenwagen, LKWs, Sattelzüge und Busse. Der Begriff „Fahrzeug“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, soll insbesondere so verstanden werden, dass er Personenkraftwagen, LKWs, Zugeinheiten und Busse umfasst.
Vorzugsweise umfasst die Impedanzmessschaltung ferner fernsteuerbare elektrische Verbindungsmittel für mindestens eines von dem selektiven Verbinden eines von mindestens zwei bereitgestellten Bezugspotentialen mit einem Bezugseingangsanschluss der Strommessmittel und dem selektiven elektrischen betrieblichen Verbinden mindestens einer Bezugsimpedanz einer a priori bekannten Impedanz parallel entweder zu der mindestens einen Abfühlelektrode oder zu dem bereitgestellten Schutzsignal. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist ferner dafür ausgelegt, die fernsteuerbaren elektrischen Verbindungsmittel gemäß einer vorbestimmten Sequenz zu steuern und eine komplexe Impedanz anhand der bestimmten Abfühlströme mit Bezug auf ein komplexes Bezugspotential während vorbestimmter Stufen der vorbestimmten Sequenz zu bestimmen.
Durch Einsetzen von mehreren verschiedenen Grundmessfrequenzen, einer geeigneten Ausführungsform der fernsteuerbaren elektrischen Verbindungsmittel und einer geeigneten Ausführungsform der vorbestimmten Sequenz kann die vorgeschlagene Impedanzmessschaltung somit eine kostengünstige Lösung mit geringer Hardware-Komplexität mit einer verbesserten Geschwindigkeit der Messung der komplexen Impedanz des kapazitiven Sensors und dadurch der abzufühlenden unbekannten Impedanz bereitstellen. Gleichzeitig kann die vorgeschlagene Impedanzmessschaltung eine Diagnostik des Sensors und/oder Diagnostik der elektronischen Schaltung bereitstellen.
Vorzugsweise ist die Impulsgeneratoreinheit als passive und amplitudengesteuerte Generatoreinheit gestaltet, die mehrere synchronisierte Pulsdauermodulationseinheiten, wobei die Impulsgeneratoreinheit dafür ausgelegt ist, Ausgangssignale der mehreren synchronisierten Pulsdauermodulationseinheiten mit den mehreren verschiedenen Grundmessfrequenzen zu gewichten und addieren, und eine passive Tiefpassfiltereinheit umfasst, die mit den addierten Ausgangssignalen in Reihe geschaltet ist. Auf diese Weise kann eine Lösung mit geringer Hardware-Komplexität zum Bereitstellen eines periodischen Messsignals, umfassend mehrere verschiedene Grundmessfrequenzen, für ein schnelles Bestimmen einer komplexen Impedanz eines kapazitiven Sensors erreicht werden. Es kann eine Anzahl von synchronisierten Pulsdauermodulationseinheiten in der Pulsgeneratoreinheit in Abhängigkeit von einer jeweiligen bestehenden Anforderung in Bezug auf einen Verzerrungsfaktor des erzeugten Messsignals ausgewählt werden.
Vorzugsweise ist die Impulsgeneratoreinheit zum Erzeugen von periodischen elektrischen Messsignalen, die eine Sinusform aufweisen, ausgelegt.
Vorzugsweise ist die Impulsgeneratoreinheit dafür ausgelegt, Ausgangssignale von mehreren synchronisierten Pulsdauermodulationseinheiten mit mindestens drei überlagerten, gleichzeitig bereitgestellten Messsignalfrequenzen zu gewichten und addieren. Auf diese Weise können eine besonders hohe Messgeschwindigkeit und ein hohes Maß an EMI-Robustheit gleichzeitig erreicht werden.
In bevorzugten Ausführungsformen der Impedanzmessschaltung ist die Impulsgeneratoreinheit dafür ausgelegt, einen Digital-Analog-Wandler aufzuweisen, der mit einer digitalen Datenspeichereinheit wirkverbunden ist, und ist die digitale Datenspeichereinheit dafür ausgelegt, dem Digital-Analog-Wandler Daten bereitzustellen, die das periodische elektrische Messsignal darstellen. Auf diese Weise können das elektrische Messsignal und das Schutzsignal mit einem hohen Maß an Flexibilität und einem geringen Hardwareaufwand bereitgestellt werden.
In bevorzugten Ausführungsformen der Impedanzmessschaltung ist die Impulsgeneratoreinheit ferner dafür ausgelegt, ein periodisches Bezugssignal an mindestens eine Bezugsimpedanz einer a priori bekannten Impedanz bereitzustellen, wobei eine Grundfrequenz des periodischen Bezugssignals von jeder der mehreren Grundmessfrequenzen verschieden ist. Es kann mit solchen Ausführungsformen eine starke Verbesserung der Geschwindigkeit der Messung erreicht werden, da sie es ermöglichen, Signale für Diagnose- oder Bezugszwecke und das Signal aus der Messung der unbekannten Impedanz an den Strommessmitteln zur gleichzeitigen Signalverarbeitung und -auswertung zu überlagern.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die vorgeschlagene Impedanzmessschaltung ferner eine fernsteuerbare variable Dämpfungsschaltung, die zwischen dem bereitgestellten Schutzsignal und mindestens einer weiteren Bezugsimpedanz mit einer a priori bekannten Impedanz verbunden ist. Die mindestens eine weitere Bezugsimpedanz ist elektrisch mit der mindestens einen Abfühlelektrode verbunden. Diese Ausführungsform ist insbesondere für Fälle nützlich, in denen eine große Versatzkapazität parallel zu der zu messenden unbekannten Impedanz vorliegt, indem zugelassen wird, dass ein variabler bipolarer Versatzblindleitwert parallel zu der zu messenden unbekannten Impedanz hinzugefügt wird.
Vorzugsweise umfasst die Steuer- und Auswerteeinheit einen Mikrokontroller, der eine Prozessoreinheit, eine digitale Datenspeichereinheit, einen Mikrokontroller-Systemtakt und eine Analog-Digital-Wandlereinheit mit mindestens einem Analog-Digital-Wandler zumindest zum Umwandeln eines Ausgangssignals der Signalabfühlschaltung umfasst.
Mikrokontroller, die wie oben beschrieben ausgerüstet sind, sind heutzutage in vielen Varianten zu wirtschaftlichen Preisen im Handel erhältlich. Auf diese Weise kann ein automatisierter Betrieb der Impedanzmessschaltung ermöglicht werden. Ferner kann in einer geeigneten Ausführungsform eine erhöhte Messgeschwindigkeit mit einem kostengünstigen Mikrokontroller erreicht werden.
In Ausführungsformen der Impedanzmessschaltung, die einen Digital-Analog-Wandler zum Erzeugen des periodischen elektrischen Messsignals umfassen, kann der Digital-Analog-Wandler einen festen Bestandteil des Mikrokontrollers für eine schnelle und ungestörte Signalübertragung bilden.
In bevorzugten Ausführungsformen der Impedanzmessschaltung ist der Mikrokontroller dafür ausgelegt, ein Äquivalenzzeit-Abtastverfahren auszuführen. Auf diese Weise kann die Impedanzmessung mit ausreichender Präzision und einer hohen Geschwindigkeit der Messung mit kostengünstiger Hardware ausgeführt werden.
Vorzugsweise schließt das Äquivalenzzeit-Abtastverfahren das Einsetzen einer inkrementalen Zeitverzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen ein, die einer Taktperiode des Mikrokontroller-Systemtakts entspricht.
Der Begriff „Äquivalenzzeit-Abtastverfahren“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, ist insbesondere als ein Abtastverfahren zu verstehen, bei dem nur ein momentanes Eingangssignal zum Zeitpunkt des Abtastens gemessen wird und das Eingangssignal nur einmal pro Auslösung abgetastet wird. Bei der nachfolgenden Abtastauslösung wird eine kleine zeitliche Verzögerung hinzugefügt und ein weiterer Abtastwert genommen. Die beabsichtigte Anzahl an Abtastwerten bestimmt die resultierende Anzahl der Zyklen, die notwendig sind, um das Eingangssignal zu reproduzieren.
Auf diese Weise können Anforderungen an die Hardwareeigenschaften, insbesondere bezüglich der Geschwindigkeit der Signalabwicklung und - verarbeitung, gesenkt werden, was zu geringeren Hardwarekosten und einer geringeren Komplexität der Ausführung führt.
In bevorzugten Ausführungsformen der Impedanzmessschaltung umfassen die fernsteuerbaren elektrischen Verbindungsmittel mehrere elektronische Schalter. Auf diese Weise können die elektrischen Verbindungsmittel ohne Weiteres durch Ausgangssignale des Mikrokontrollers gesteuert werden, die üblicherweise innerhalb des Mikrokontrollers in ausreichender Menge vorhanden sind. Vorzugsweise umfassen die mehreren elektronischen Schalter mindestens einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET).
In bevorzugten Ausführungsformen der Impedanzmessschaltung ist die Steuer- und Auswerteeinheit dafür ausgelegt, ein Softwaredemodulationsverfahren an ein Spannungssignal anzulegen, das für einen Abfühlstrom steht und von der Analog-Digital-Wandlereinheit digital umgewandelt wird, um einen Realteil und einen Imaginärteil der komplexen Impedanz des kapazitiven Sensors zu bestimmen.
Die Verwendung von mehreren parallel geschalteten Softwaredemodulatoren zum Anwenden des Softwaredemodulationsverfahrens kann eine gleichzeitige Auswertung der mehreren verschiedenen Grundmessfrequenzen in dem periodischen elektrischen Messsignal ermöglichen.
Auf diese Weise können die komplexen Impedanzen anhand der von den Strommessmitteln bereitgestellten Signale mit einer hohen Messgeschwindigkeit, einem hohen Maß an Flexibilität und einem geringen Hardware-Aufwand bestimmt werden.
Die gleichen Vorteile können auf alternative Weise erreicht werden, sofern die Steuer- und Auswerteeinheit dafür ausgelegt ist, eine komplexe diskrete Fourier-Transformierte (DFT) oder eine komplexe schnelle Fourier-Transformierte (FFT) an einem Spannungssignal anzuwenden, das für einen Abfühlstrom steht und digital durch die Analog-Digital-Wandlereinheit umgewandelt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine kapazitive Abfühlvorrichtung zur Verfügung gestellt. Die kapazitive Abfühlvorrichtung umfasst eine Ausführungsform der hier offenbarten Impedanzmessschaltung und einen kapazitiven Sensor mit mindestens einer Abfühlelektrode, die im Lademodus betreibbar ist, und mindestens einer Schutzelektrode.
Die im Zusammenhang mit der Impedanzmessschaltung beschriebenen Vorteile gelten vollumfänglich für eine solche kapazitive Abfühlvorrichtung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Verwendung der hier offenbarten kapazitiven Abfühlvorrichtung in einem Fahrzeuglenkrad zur kapazitiven Erkennung, dass keine Handberührung vorliegt, vorgeschlagen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Verwendung der hier offenbarten kapazitiven Abfühlvorrichtung in einem Fahrzeugsitz zur Sitzbelegungserkennung und/oder -klassifizierung vorgeschlagen.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen offensichtlich und durch diese erklärt.
Es soll herausgestrichen werden, dass die Merkmale und Maßnahmen, die in der vorstehenden Beschreibung individuell und detailliert angegeben sind, miteinander auf jede technisch bedeutende Weise kombiniert werden können und weitere Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Die Beschreibung kennzeichnet und spezifiziert die Erfindung insbesondere in Verbindung mit den Figuren.
Figurenliste
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von nicht einschränkenden Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnung, wobei:

1 bis 5 jeweils eine Schaltungsanordnung einer kapazitiven Abfühlvorrichtung mit einer möglichen Ausführungsform einer Impedanzmessschaltung gemäß der Erfindung zeigen.

Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, werden nur Unterschiede in Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben. Für Merkmale, die in keiner der 2 bis 5 beschrieben sind, wird auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform oder einer der entsprechenden vorausgehenden Ausführungsformen Bezug genommen.
In den verschiedenen Figuren sind die gleichen Teile stets mit den gleichen Symbolen oder Bezugszeichen versehen. Somit werden sie normalerweise nur einmal beschrieben.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Die 1 bis 5 zeigen jeweils eine Schaltungsanordnung einer kapazitiven Abfühlvorrichtung mit einem kapazitiven Sensor mit mindestens einer Abfühlelektrode, die im Lademodus betreibbar ist, und mindestens einer Schutzelektrode und eine mögliche Ausführungsform einer Impedanzmessschaltung gemäß der Erfindung.
Jede Impedanzmessschaltung umfasst eine Impulsgeneratoreinheit zum Bereitstellen eines periodischen elektrischen Messsignals, das mehrere verschiedene Grundmessfrequenzen, insbesondere mit einer Sinusform, umfasst, eine Signalabfühlfilmschaltung zum Abfühlen eines durch den kapazitiven Sensor der kapazitiven Abfühlvorrichtung fließenden Stroms als Reaktion auf das Messsignal der Impulsgeneratoreinheit, fernsteuerbare elektrische Verbindungsmittel und eine Steuer- und Auswerteeinheit, die als Mikrokontroller ausgelegt ist. Der Mikrokontroller ist dafür ausgelegt, die fernsteuerbaren elektrischen Verbindungsmittel zu steuern und ist ferner dafür ausgelegt, eine komplexe Impedanz anhand der bestimmten Abfühlströme mit Bezug auf ein komplexes Bezugspotential während vorbestimmter Stufen der vorbestimmten Sequenz zu bestimmen. Weitere Einzelheiten sind in der jeweiligen Beschreibung für jede der Figuren angegeben.
In der folgenden Beschreibung sollen die Begriffe „Abfühlknoten“ und „Schutzknoten“ Verbindungsstellen der Impedanzmessschaltung spezifizieren, an die eine Abfühlelektrode bzw. eine Schutzelektrode des kapazitiven Sensors anschließbar ist. Das Messen der komplexen Impedanz des kapazitiven Sensors ist äquivalent zu dem Messen der unbekannten komplexen Impedanz 1,1' (oder kurz der unbekannten Impedanz) zwischen dem Sensorabfühlen und Erdpotenzial.
Die Schaltung in 1 zeigt eine Zwei-Kanal-Implementierung, aber die Anzahl der Kanäle kann im Allgemeinen auch auf ein oder mehr als zwei eingestellt werden. Jeweils eine Abfühlelektrode des kapazitiven Sensors ist mit den Abfühlknoten 3, 3' des jeweiligen Kanals verbindbar, und eine Schutzelektrode, die beiden Abfühlelektroden gemeinsam ist, ist mit den Schutzknoten 4, 4' verbindbar. Eine jeweilige Abfühl-Schutz-Impedanz ist durch die Bezugszeichen 2, 2' bezeichnet.
Ein Mikrokontroller 12 der Impedanzmessschaltung schließt eine Prozessoreinheit, eine digitale Datenspeichereinheit, einen Mikrokontroller-Systemtakt und eine Analog-Digital-Wandlereinheit mit mehreren Analog-Digital-Wandlern ein. Die Impulsgeneratoreinheit ist als passive, amplitudengesteuerte sinusformende Impulsgeneratoreinheit gestaltet, die Teil des Mikrokontrollers 12 bildet.
Der Mikrokontroller 12 erzeugt eine näherungsweise Sinuswelle an dem Schutzknoten 19 durch Ausgeben von geeigneten PWM-Signalen an seinen PWM-Ausgängen 13, 14, 15. 1 zeigt drei PWM-Ausgänge, aber die Anzahl kann je nach der benötigten Genauigkeit der Sinuswellenannäherung erhöht oder gesenkt werden. Die Schaltung in 1 ist für günstige Kosten optimiert, indem eine passive Tiefpassfiltereinheit verwendet wird, die in Reihe mit den addierten Ausgangssignalen verbunden ist, wobei nur ein einpoliges RC-Filter Widerstände 16, 17, 18 und einen Kondensator 20 umfasst. Da ein kostengünstiger Kondensator 20 eine große Abhängigkeit von Toleranz und Temperatur aufweisen kann (insbesondere, sofern eine große Kapazität des Kondensators verwendet werden muss, da die Messfrequenz auf einen geringen Wert eingestellt ist; zum Beispiel muss ein X7R-Kondensator verwendet werden, sofern die Messfrequenz auf unter 50 kHz eingestellt ist), kann die Ungenauigkeit des Amplitudenpegels des Signals an dem Schutzknoten 19 zu einem unzureichenden Messbereich der Messschaltung oder zu einer unzureichenden Messauflösung führen. Um dieses Problem zu vermeiden, werden zusätzliche Komponenten 21, 24, 25 hinzugefügt. Durch Messen der Wechselstrom-Schutzamplitude mit dem ADC-Eingang 32 und Vergleichen von diesem mit einem Sollwert schaltet der Mikrokontroller 12 selektiv den Open-Drain-Ausgang 22 und/oder den Open-Drain-Ausgang 23 auf Erdpotential (oder kurz Erde) und dämpft dadurch die Schutzamplitude durch Bilden eines Wechselspannungsteilers mit den Widerständen 16, 17, 18 und selektiv auf Erde geschalteten Widerständen 24, 25. Der Kondensator 21 verhindert eine Verschiebung der Gleichstromvorspannung des Schutzknotens 19. Zwei Open-Drain-Ausgänge 22 und 23 und zwei Widerstände 24, 25 sind gezeigt, aber die Anzahl kann auch ein oder mehr als zwei betragen.
Eine weitere Option, die Schutzknotenspannung zu erzeugen, ist in 3 gezeigt. Hier wird ein interner Digital-Analog-Wandler (DAC) des Mikrokontrollers 12 verwendet. Bezugszeichen 34 bezeichnet den DAC-Ausgang. Der DAC-Ausgang wird durch den Widerstand 35 und den Kondensator 36 gefiltert. Ein optionaler Verstärker 37 verstärkt die resultierende Schutzwellenform. Die Sinuswelle an dem DAC-Ausgang kann durch den Mikrokontroller erzeugt werden, zum Beispiel durch periodisches Aktualisieren des DAC mit Werten, die aus dem internen Speicher ausgelesen werden, der eine Sinusfunktion enthält. Jeder Wert der gespeicherten Sinuswelle kann nacheinander an den DAC ausgegeben werden, oder es kann ein DDS (Digital Direct Synthesis)-Verfahren eingesetzt werden, welches eine leichte Einstellung der erzeugten Frequenz ermöglicht. Eine weitere Option, eine Sinuswelle zu erzeugen, besteht zum Beispiel in der Anwendung des CORDIC-Algorithmus (Coordinate Rotation Digital Computer Algorithm) oder eines Tiefpassfilterns oder Bandpassfilterns einer Rechteckwelle. Ein Vorteil des DAC besteht darin, dass die Ausgangsamplitude in Software skaliert werden kann, indem die Eingabewerte in den DAC skaliert werden, wodurch der externe Dämpfer mit den Widerständen 24, 25 und dem Kondensator 21 überflüssig wird.
Erneut mit Bezug auf 1 wird die Schutzspannung an dem Schutzknoten 19 an die Sensorschutzknoten 4, 4' angelegt. Zwei Transimpedanzverstärker 33, 33' bestehen aus Operationsverstärkern 5, 5' und Rückkopplungsimpedanzen 6, 6', 7, 7'. Wenn die unbekannte Impedanz 1,1' zwischen dem Sensorabfühlen und Erde gemessen wird, werden fernsteuerbare elektrische Verbindungsmittel, die von einem Multiplexgerät 26 gebildet werden, durch den Mikrokontrollerausgang 28 auf ihre niedrigere Position geschaltet, wodurch der Schutzknoten 19 mit den Bezugseingängen 8, 8' des Transimpedanzverstärkers verbunden wird. Der Mikrokontroller 12 misst den Ausgang der Transimpedanzverstärker 8, 8' mit seinen ADC-Eingängen 9, 9' gleichzeitig, und es wird auch gleichzeitig die Schutzspannung an dem ADC-Eingang 32 gemessen. Durch Messen der Transimpedanzverstärkerausgänge gleichzeitig zusammen mit dem Schutzknoten 19 kann die Messzeit verringert werden (durch Messen von mehreren Kanälen parallel), und die Genauigkeit der Messung kann durch Messen der Transimpedanzausgänge und des Schutzknotens parallel und dadurch Vermeiden von Fehlern aufgrund von Zeitablaufunterschieden verbessert werden. Gleichzeitig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die verschiedenen ADC-Eingänge entweder im Wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt abgetastet werden können oder nacheinander rotierend gescannt werden können. Für die rotierende Methode muss der geringe Zeitablaufunterschied zwischen den Kanälen später bei der Softwaredemodulation in dem Mikrokontroller berücksichtigt werden. Es können auch ADC-Eingänge 9 und 9' mit einer erhöhten Messzeit und ohne Genauigkeitsverlust nacheinander abgetastet werden (das heißt Ausführen zunächst einer vollständigen Messung mit dem ersten Kanal, dann Übergehen zu dem zweiten). Auch kann die Schutzspannung nacheinander abgetastet werden, im Vergleich zu den Transimpedanzverstärkerausgängen, aber dann muss das ADC-Abtasten mit den PWM-Ausgängen 13, 14, 15 synchronisiert werden, um Messfehler auf Grund von Phaseninkonsistenzen zu vermeiden.
Der Mikrokontroller demoduliert den abgetasteten Transimpedanzverstärkerausgang und Schutzsignale unter Verwendung eines Softwarevektordemodulators durch Multiplizieren der ADC-Abtastwerte mit Sinus- und Cosinus-Signalen und Integrieren der Ergebnisse. Sofern die resultierenden komplexen Variablen dann für einen Transimpedanzausgang mit Dem_TIA und für das Schutzsignal mit Dem_Guard bezeichnet werden, ergibt die folgende Berechnung einen komplexen Wert X, der die unbekannte Impedanz 1, 1' des zu messenden Kanals anzeigt. $X = \frac{D e m_{T i A} - D e m_{G u a r d}}{D e m_{G u a r d}}$
Durch Schalten von fernsteuerbaren elektrischen Verbindungsmitteln, die von einem anderen Multiplexgerät 29 gebildet sind, auf ihre niedrigere Position durch einen anderen digitalen Ausgang 30 des Mikroprozessors 12 werden die Bezugsimpedanzen 10, 10', 11, 11' parallel mit der zu messenden unbekannten Impedanz 1, 1` verbunden. Die Verbesserung gegenüber dem erwähnten Stand der Technik WO 2014/166881 A1 ist die Anwendung eines geschützten Bezugsschaltens. Wenn sich das Multiplexgerät 29 in seiner oberen Position befindet, sind die Bezugsimpedanzen 10, 10', 11, 11' geschützt, wodurch die Effekte von parasitären Impedanzen zwischen dem Knoten 31 und Erde ausgeschaltet werden. Wie in der WO 2014/166881 A1 kann der Mikrokontroller den vorstehend definierten Wert X zunächst mit geschützten und dann mit geerdeten Bezugsimpedanzen messen und durch Berechnen des Unterschieds zwischen den beiden Werten einen Wert extrahieren, der die Impedanz der Bezugsimpedanzen anzeigt. Dieser Wert kann dann entweder zur Diagnose der Schaltung, die die unbekannte Impedanz 1, 1' misst, verwendet werden, oder er kann als Bezug verwendet werden, um den vorstehenden Wert X zu korrigieren, um Messfehler der Messschaltung auszuschalten. Als Option können zusätzliche Schalter 29 und Bezugsimpedanzen 10, 10', 11, 11' eingesetzt werden, um eine Diagnostik auszuführen und auch Messfehler auszuschalten.
Das Multiplexgerät 26 wird verwendet, um die komplexen Abfühl-Schutz-Impedanzen 2, 2' zu messen, um den Sensor und die Sensorverdrahtung zu diagnostizieren. Wenn das Multiplexgerät 26 mit dem Ausgangssignal 28 auf seine obere Position eingestellt ist, sind die Bezugseingaben 8, 8' über die Gleichspannungsquelle 27 mit Wechselstromerdung verbunden. Da die Abfühl-Schutz-Impedanzen 2, 2` typischerweise erheblich größer sind als die unbekannten Abfühl-Schutz-Impedanzen 1, 1' und da die Verstärkung des Transimpedanzverstärkers aus Kostengründen nicht schaltbar sein sollte, wird die Amplitude des Schutzsignals verringert, um eine Begrenzung der Transimpedanzverstärkerausgaben oder der ADC-Eingaben 9, 9' zu verhindern. Der Mikrokontroller 12 deaktiviert selektiv mindestens einen seiner PWM-Ausgänge durch Einstellen von diesem oder diesen auf einen Zustand hoher Impedanz, wodurch die Schutzamplitude gedämpft wird, ohne dass weitere Kosten anfallen. Die Abfühl-Schutz-Impedanzen 2, 2' werden durch den Mikrokontroller 12 ähnlich wie die unbekannte Impedanz 1, 1' oben gemessen. Da die Schutzamplitude möglicherweise auf ein so geringes Maß gedämpft werden muss, dass die ADC-Auflösung nicht ausreicht, kann der Mikrokontroller 12 gegebenenfalls den demodulierten komplexen Schutzwert aus der vorstehenden Messung von X verwenden. In diesem Fall muss, um die Phasenkonsistenz zwischen den beiden Messungen zu bewahren, die ADC-Abtastung mit den PWM-Ausgängen 13, 14, 15 für die beiden Messungen synchronisiert werden. Um einen optimalen Kompromiss zwischen der Messgenauigkeit und der Immunität gegenüber eingekoppelten EMI-Störungen an den Stromversorgungen und gegenüber Störungen durch externe Wechselmagnetfelder zu erreichen, wird die Messfrequenz in einem Bereich zwischen 10 kHz und 100 kHz eingestellt. Die Leerlaufverstärkung der Operationsverstärker 5, 5' erhöht sich mit abnehmender Frequenz, wodurch eine bessere Messgenauigkeit bei geringeren Frequenzen ermöglicht wird. Andererseits ist der Einfluss der vorstehenden Störungen bei geringeren Frequenzen relevanter. Um die Robustheit gegenüber externen Störungen wie EMI weiter zu verbessern, können mehrere Messfrequenzen eingesetzt werden. Sofern das Messergebnis mindestens einer Messfrequenz gestört ist, kann es zum Beispiel durch Berechnen des Medians (bei mehr als zwei Frequenzen) oder des (arithmetischen) Mittelwertes der Messergebnisse für alle Frequenzen und durch Verwendung des Ergebnisses der Operation für die weitere Verarbeitung eliminiert werden. Eine weitere Option besteht darin, die Präsenzerkennung für alle Frequenzen auszuwerten und eine Majoritätsentscheidung an den Präsenzerkennungsergebnissen anzuwenden, wenn mindestens drei verschiedene Frequenzen eingesetzt sind.
Wenn die Anzahl der Frequenzen ausreichend groß ist und die verschiedenen Frequenzen nacheinander angewendet werden, kann die resultierende Wellenform auch als Frequenzhub der Modulation oder Chirp angesehen werden. Eine weitere Option der Störungserkennung besteht in dem Ausschalten des Schutzsignals und dem Ausführen einer „leeren“ Impedanzmessung und dem Auswerten von deren Ergebnis. Der Nachteil des Einsetzens von mehreren Frequenzen nacheinander besteht darin, dass die Messung länger dauert. Dies kann ein Problem sein, sofern zum Beispiel, wie nachstehend beschrieben, die kapazitive Messung alternativ zu der Heizfunktion eines Heizelements, das als Sensorelektrode verwendet wird, ausgeführt wird. Die für das Heizen verfügbare Zeit wird durch die gesamte Messzeit verringert, was zum Beispiel beim Aufheizen eines kalten Lenkrads ein Problem sein kann, wenn eine 100-prozentige Heizleistung erforderlich ist. Zum Beispiel verbrauchen die Messungen für eine Messwiederholungsrate von 30 Hz und eine Messzeit von 3,333 ms für eine Messsignalfrequenz 30 % der verfügbaren Heizzeit und damit Heizenergie, wenn drei Frequenzen verwendet werden. Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, gleichzeitig mit mehreren Frequenzen zu messen. Dies wird durch Erzeugen von periodischen Wellenformen, vorzugsweise aber nicht unbedingt Sinuswellen oder ungefähren Sinuswellen, mit verschiedenen Frequenzen und Überlagern der verschiedenen Wellenformen für die Erzeugung der Schutzknotenspannung erreicht. Die resultierenden Wellenformen an den Ausgängen der Transimpedanzverstärker 33, 33' und damit an den ADC-Eingängen 9, 9' zeigen dann auch die Messergebnisse für alle der verschiedenen Frequenzen an. Die Messergebnisse für jede der Frequenzen werden durch Anwenden eines dedizierten Softwaredemodulators extrahiert und getrennt, wie vorstehend für jede der Frequenzen beschrieben. Alternativ kann auch eine komplexe DFT (diskrete Fourier-Transformierte) oder eine komplexe FFT (schnelle Fourier-Transformierte) eingesetzt und die Ergebnisse bei den gewünschten Frequenzen von dem Ausgang der DFT oder FFT genommen werden. Die Softwaredemodulation kann auch erfolgen, nachdem die ADC-Ergebnisse aufgezeichnet worden sind, wodurch das Heizungselement für das Heizen freigestellt wird. Zusammen mit dem Messen von mehreren Abfühlkanälen gleichzeitig, wie vorstehend beschrieben, kann dadurch ein für eine optimale Geschwindigkeit abgestimmtes System erreicht werden.
2 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der Impedanzmessschaltung gemäß der Erfindung, die eine Überlagerung von Messsignalen von mehreren Frequenzen auf dem Schutzspannungsknoten erzeugt. Zusätzlich zu einer ersten Impulsgeneratoreinheit, die die PWM-Ausgänge 13, 14, 15 und Gewichtungswiderstände 16, 17, 18 umfasst, werden eine zweite und eine dritte Impulsgeneratoreinheit, die die PWM-Ausgänge 13', 14', 15', 13", 14", 15" bzw. Widerstände 16', 17', 18', 16", 17', 18" umfassen, hinzugefügt. Jede von den drei Impulsgeneratoreinheiten arbeitet mit einer anderen Frequenz. Ihre Ausgaben werden an dem Addierknoten 38 addiert. Ein optionaler Verstärker 37 verstärkt die resultierende Wellenform. Die Schaltung in 3 kann auch eingesetzt werden, um eine Überlagerung von mehreren Frequenzen an dem Schutzspannungsknoten zu erzeugen. Es können mehrere Software-Sinuswellen- oder periodische Wellenformgeneratoren, ähnlich den bereits vorstehend beschriebenen Verfahren, parallel implementiert werden, und ihre Ausgaben können addiert werden, bevor die Summe in den DAC geschrieben wird. Eine weitere Option besteht darin, die Frequenzen auf eine solche Weise zu definieren, dass die Überlagerung der verschiedenen Wellenformen eine periodische Wellenform mit endlicher Periode ist, und diese Wellenform in der digitalen Datenspeichereinheit des Mikrokontrollers zu speichern.
4 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der Impedanzmessschaltung gemäß der Erfindung, die keine Zeit zum Messen der Bezugsimpedanzen 10, 10`, 11, 11' für Diagnostik- oder Bezugszwecke verbraucht. Die PWM-Ausgänge 70, 71 erzeugen zusammen mit den Widerständen 72, 73 und dem Kondensator 74 eine periodische Wellenform an dem Knoten 31. Die Wellenform ist vorzugsweise eine ungefähre Sinuswelle, aber sofern die Genauigkeit einer Sinuswelle nicht benötigt wird, zum Beispiel sofern die Bezugsimpedanzen 10, 10', 11, 11' nur zu Diagnostikzwecken verwendet werden, sind auch andere Wellenformen möglich. In diesem Fall kann auch ein PWM-Ausgang ausreichend sein, was Kosten spart. Die periodische Wellenform an dem Knoten 31 hat eine andere Frequenz als die Frequenzkomponenten der Wellenform an dem Schutzknoten 19. Dadurch zeigen die resultierenden Wellenformen an den Ausgängen der Transimpedanzverstärker 33, 33' und damit an den ADC-Eingängen 9, 9' gleichzeitig die Messergebnisse für die Messung von unbekannten Impedanzen 1, 1' bzw. für die Bezugsimpedanzen 10, 11, 10', 11' an. Die Messergebnisse für jede der angewandten Frequenzen werden durch Anwenden eines dedizierten Softwaredemodulators, wie er vorstehend beschrieben wurde, für jede der Frequenzen an dem Schutzknoten 19 und auch für die Frequenz an dem gemeinsamen Bezugsimpedanzknoten 31 extrahiert und getrennt. Dadurch können die Messergebnisse für die unbekannten Impedanzen 1, 1' und Bezugsimpedanzen 10, 11, 10', 11' parallel extrahiert werden. Wie vorstehend kann auch alternativ eine komplexe DFT oder eine komplexe FFT eingesetzt werden und die Ergebnisse bei den gewünschten Frequenzen von dem Ausgang der DFT oder FFT genommen werden. Zusätzlich kann für die EMI-Robustheit die Diagnostikmessung auch durch die Überlagerung von mehreren Wellenformen mit Frequenzen ausgeführt werden, die untereinander unterschiedlich sind und die zu den Frequenzen für die Messungen der unbekannten Impedanzen 1,1' unterschiedlich sind. Die gleichen Prinzipien, die für die gleichzeitige Messung der unbekannten Impedanzen 1, 1' mit mehreren Frequenzen gelten, gelten auch für die gleichzeitige Messung der Diagnostik- oder Bezugsimpedanzen 10, 11, 10', 11' mit mehreren Frequenzen. Eine weitere Option besteht darin, einen zweiten DAC für die Erzeugung einer Überlagerung von Wellenformen mit verschiedenen Frequenzen für die Bezugsmessung zu verwenden, ähnlich der Ausführungsform der Impedanzmessschaltung, die in 3 gezeigt ist.
5 beschreibt eine weitere mögliche Ausführungsform der Impedanzmessschaltung gemäß der Erfindung, die es ermöglicht, einen variablen bipolaren Versatzblindleitwert parallel zu der unbekannten zu messenden Impedanz 1,1' hinzuzufügen.
Für den Fall, dass eine große Versatzkapazität parallel zu der unbekannten zu messenden Impedanz 1, 1' vorliegt, ist es vorzuziehen, die Wirkungen dieser parallelen Induktivität oder Kapazität zu verringern oder zu unterdrücken, um den erforderlichen vollständigen Messbereich der Signalabfühlschaltung zu verringern.
Die Schaltung in 5 ist die gleiche wie die Schaltung in 1, außer dass eine fernsteuerbare variable Dämpfungsschaltung und zwei zusätzliche Bezugsimpedanzen 300, 300', jeweils mit einer a priori bekannten Impedanz, hinzugefügt worden sind.
Ein fernsteuerbarer variabler Dämpfer 302 dämpft das am Knoten 19 anliegende Schutzsignal. Die Dämpfung wird durch den Mikrokontroller 12 über seinen Steuerausgang 303 gesteuert. Ein Beispiel für einen variablen Dämpfer ist die Schaltung in 1, die aus Widerständen 24, 25 und dem Kondensator 21 besteht, zusammen mit der Ausgangsimpedanz des Gewichtungswiderstandsnetzes. Die fernsteuerbare variable Dämpferschaltung umfasst einen Verstärker 301, der die Ausgabe des variablen Dämpfers 302 um einen vorbestimmten konstanten Faktor verstärkt. Die Spannung am Ausgang des Verstärkers 301 kann dadurch zum Beispiel von dem Mikrokontroller 12 auf eine Spannung zwischen 0 V und der doppelten Schutzspannung eingestellt werden.
Durch Einstellen des rechten Endes der Kondensatoren 300, 300` auf eine Spannung, die gleich der Schutzspannung multipliziert mit dem vorbestimmten konstanten Faktor ist, kann ein wählbarer Abschnitt der Kapazität der Kondensatoren 300, 300` parallel zu der unbekannten zu messenden Impedanz 1,1' hinzugefügt werden, oder es kann ein wählbarer Abschnitt der Kapazität der Kondensatoren 300, 300` von der unbekannten zu messenden Impedanz 1,1' subtrahiert werden.
Zum Beispiel beträgt, sofern die Spannung am Ausgang des Verstärkers 301 gleich der Schutzspannung eingestellt ist, die Spannung über die Kondensatoren 300, 300` 0 V, und es wird der unbekannten zu messenden Impedanz 1,1' kein Blindleitwert hinzugefügt.
Zum Beispiel ist, sofern die Spannung an dem Ausgang des Verstärkers 301 auf 0 V eingestellt ist, die Spannung über die Kondensatoren 300, 300` gleich der Schutzspannung, und es werden der unbekannten zu messenden Impedanz 1,1' Kondensatoren 300, 300` hinzugefügt.
Zum Beispiel ist, sofern die Spannung an dem Ausgang des Verstärkers 301 auf das Doppelte der Schutzspannung eingestellt ist, die Spannung über die Kondensatoren 300, 300` gleich der negativen (umgekehrten) Schutzspannung, und es werden Kondensatoren 300, 300` von der unbekannten zu messenden Impedanz 1,1' subtrahiert.
Diese Konfiguration kann nützlich sein, um eine feine Abstimmung der parallel geschalteten Kapazität zu erreichen.
Während die Erfindung im Einzelnen in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, sind eine solche Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als einschränkend anzusehen; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Es können andere Varianten der offenbarten Ausführungsformen von den Fachleuten bei der Ausführung der beanspruchten Erfindung, durch Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte aus, und die unbestimmten Artikel „ein“, „eine“ oder „einer“ schließen keine Mehrheit aus, was eine Menge von mindestens zwei ausdrücken soll. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in sich voneinander unterscheidenden Unteransprüchen aufgeführt sind, weist nicht darauf hin, dass nicht eine Kombination dieser Maßnahmen vorteilhaft genutzt werden kann. Keines der Bezugszeichen in den Ansprüchen soll als den Schutzbereich einschränkend ausgelegt werden.
Bezugszeichenliste

1: unbekannte komplexe Abfühl-Erde-Impedanz
2: komplexe Abfühl-Schutz-Impedanz
3: Sensor-Abfühlknoten
4: Sensor-Schutzknoten
5: Operationsverstärker
6: Kondensator
7: Widerstand
8: TIA-Bezugseingangsleitung
9: ADC-Eingang
10: Kondensator
11: Widerstand
12: Mikrokontroller
13: PWM-Ausgang
14: PWM-Ausgang
15: PWM-Ausgang
16: Widerstand
17: Widerstand
18: Widerstand
19: Schutzknoten
20: Kondensator
21: Kondensator
22: digitaler Open-Drain-Ausgang
23: digitaler Open-Drain-Ausgang
24: Widerstand
25: Widerstand
26: Multiplexgerät
27: Gleichspannungsbezugsquelle
28: digitaler Ausgang
29: Multiplexgerät
30: digitaler Ausgang
31: gemeinsamer Bezugsimpedanzknoten
32: ADC-Eingang
33: Transimpedanzverstärker
34: DAC-Ausgang
35: Widerstand
36: Kondensator
37: Verstärker
38: Addierknoten
70: PWM-Ausgang
71: PWM-Ausgang
72: Widerstand
73: Widerstand
74: Kondensator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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US 2008/0093925 A1 [0020, 0024]
WO 2012/043443 A1 [0020, 0025]
WO 2014/166881 A1 [0026, 0080]
US 6392542 B1 [0027]
WO 2017/129533 A1 [0030]
US 2012/0286800 A1 [0031]

Claims

Impedanzmessschaltung zum Bestimmen einer komplexen Impedanz (1, 2) eines kapazitiven Sensors mit mindestens einer Abfühlelektrode, die im Lademodus betreibbar ist, und mindestens einer Schutzelektrode, umfassend - eine Impulsgeneratoreinheit zum Bereitstellen eines periodischen elektrischen Messsignals, das mehrere verschiedene Grundmessfrequenzen umfasst, und zum Bereitstellen eines periodischen elektrischen Schutzsignals, - eine Signalabfühlschaltung, aufweisend Strommessmittel (33, 33') zum Abfühlen eines Abfühlstroms, der durch die mindestens eine Abfühlelektrode oder die Abfühlelektroden fließt, als Reaktion auf das Messsignal der Impulsgeneratoreinheit, und - eine Steuer- und Auswerteeinheit, die zumindest dafür ausgelegt ist, eine komplexe Impedanz (1, 2) anhand der bestimmten Abfühlströme mit Bezug auf ein komplexes Bezugspotential zu bestimmen.
Impedanzmessschaltung nach Anspruch 1, ferner umfassend fernsteuerbare elektrische Verbindungsmittel (26, 29) für mindestens eines von dem selektiven Verbinden eines von mindestens zwei bereitgestellten Bezugspotentialen mit einem Bezugseingangsanschluss der Strommessmittel (33, 33') und dem selektiven elektrischen betrieblichen Verbinden mindestens einer Bezugsimpedanz (10, 10', 11, 11') einer a priori bekannten Impedanz parallel entweder zu der mindestens einen Abfühlelektrode oder zu dem bereitgestellten Schutzsignal, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit ferner dafür ausgelegt ist, die fernsteuerbaren elektrischen Verbindungsmittel (26, 29) gemäß einer vorbestimmten Sequenz zu steuern und eine komplexe Impedanz (1, 2) anhand der bestimmten Abfühlströme mit Bezug auf ein komplexes Bezugspotential während vorbestimmter Stufen der vorbestimmten Sequenz zu bestimmen.
Impedanzmessschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Impulsgeneratoreinheit als passive und amplitudengesteuerte Generatoreinheit gestaltet ist, die mehrere synchronisierte Pulsdauermodulationseinheiten (13, 14, 15) umfasst, wobei die Impulsgeneratoreinheit dafür ausgelegt ist, Ausgangssignale der mehreren synchronisierten Pulsdauermodulationseinheiten (13, 14, 15) mit den mehreren verschiedenen Grundmessfrequenzen zu gewichten und addieren, und eine passive Tiefpassfiltereinheit (16, 17, 18, 20), die mit den addierten Ausgangssignalen in Reihe geschaltet ist.
Impedanzmessschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Impulsgeneratoreinheit dafür ausgelegt ist, einen Digital-Analog-Wandler aufzuweisen, der mit einer digitalen Datenspeichereinheit wirkverbunden ist, und wobei die digitale Datenspeichereinheit dafür ausgelegt ist, dem Digital-Analog-Wandler Daten bereitzustellen, die das periodische elektrische Messsignal darstellen.
Impedanzmessschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Impulsgeneratoreinheit ferner dafür ausgelegt ist, ein periodisches Bezugssignal an mindestens eine Bezugsimpedanz (10, 10', 11, 11') einer a priori bekannten Impedanz bereitzustellen, wobei eine Grundfrequenz des periodischen Bezugssignals von jeder der mehreren Grundmessfrequenzen verschieden ist.
Impedanzmessschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine fernsteuerbare variable Dämpfungsschaltung, die zwischen dem bereitgestellten Schutzsignal und mindestens einer weiteren Bezugsimpedanz (300, 300') mit einer a priori bekannten Impedanz verbunden ist, wobei die mindestens eine weitere Bezugsimpedanz (300, 300') elektrisch mit der mindestens einen Abfühlelektrode verbunden ist.
Impedanzmessschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit einen Mikrokontroller (12) umfasst, der eine Prozessoreinheit, eine digitale Datenspeichereinheit, einen Mikrokontroller-Systemtakt und eine Analog-Digital-Wandlereinheit mit mindestens einem Analog-Digital-Wandler (9, 9') zumindest zum Umwandeln eines Ausgangssignals der Signalabfühlschaltung aufweist.
Impedanzmessschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit dafür ausgelegt ist, ein Äquivalent-Zeit-Abtastverfahren auszuführen.
Impedanzmessschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit dafür ausgelegt ist, ein Softwaredemodulationsverfahren an einem Spannungssignal anzuwenden, das für einen Abfühlstrom steht und digital durch die Analog-Digital-Wandlereinheit umgewandelt wird, um einen Realteil und einen Imaginärteil der komplexen Impedanz (1, 2) des kapazitiven Sensors zu bestimmen.
Impedanzmessschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit dafür ausgelegt ist, eine komplexe diskrete Fourier-Transformierte DFT oder eine komplexe schnelle Fourier-Transformierte FFT an einem Spannungssignal anzuwenden, das für einen Abfühlstrom steht und digital durch die Analog-Digital-Wandlereinheit umgewandelt wird.
Kapazitive Abfühlvorrichtung, umfassend - eine Impedanzmessschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und - einen kapazitiven Sensor mit mindestens einer Abfühlelektrode, die im Lademodus betreibbar ist, und mindestens einer Schutzelektrode.
Verwendung einer kapazitiven Abfühlvorrichtung nach Anspruch 11 in einem Fahrzeuglenkrad für eine kapazitive Erkennung, dass keine Handberührung vorliegt.
Verwendung einer kapazitiven Abfühlvorrichtung nach Anspruch 11 in einem Fahrzeugsitz für eine Sitzbelegungserkennung und/oder -klassifizierung.