FR2758183A1 - Capacitive measurement appts. e.g. for angle measuring sensor or vehicle fuel gauge - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne le domaine des capteurs capacitifs. The present invention relates to the field of capacitive sensors.
La présente invention s'applique en particulier, mais non exclusivement, aux capteurs capacitifs d'angle ou aux capteurs capacitifs de niveau de liquide, par exemple de carburant, pour véhicules automobiles. The present invention applies in particular, but not exclusively, to capacitive angle sensors or to capacitive liquid level sensors, for example fuel, for motor vehicles.
On a déjà proposé de nombreux capteurs capacitifs pour diverses applications. Many capacitive sensors have already been proposed for various applications.
On pourra se référer par exemple aux documents FR-A-2234555, FR-A-2402193, FR-A-2451024, FR-A-2500169, FR-A-2500337, FR-A2647898, FR-A-2647899 et FR-A-2647900, pour ce qui est des capteurs capacitifs de niveau de liquide. Reference may be made, for example, to documents FR-A-2234555, FR-A-2402193, FR-A-2451024, FR-A-2500169, FR-A-2500337, FR-A2647898, FR-A-2647899 and FR- A-2647900, for capacitive liquid level sensors.
On pourra également se référer aux documents EP-A-0551066, DE
A-371 1062, US-A-4238781, DE-A-3328421, EP-A-04591 18, GB-A 2176013, US-A-3732553, US-A-3845377 et FR-A-2457003, pour ce qui est des capteurs capacitifs d'angle.We can also refer to documents EP-A-0551066, DE
A-371 1062, US-A-4238781, DE-A-3328421, EP-A-04591 18, GB-A 2176013, US-A-3732553, US-A-3845377 and FR-A-2457003, for is capacitive angle sensors.
Pour l'essentiel, le document EP-A-0551066 décrit un capteur d'angle comprenant un dispositif mécanique constitué par deux armatures fixes et une pièce mobile une première armature fixe globalement circulaire divisée en plusieurs secteurs angulaires et une seconde armature fixe circulaire qui couvre les différents secteurs de la première armature, ainsi qu'une armature mobile en rotation autour de l'axe de la première et de la deuxième armatures, située entre celles-ci et qui correspond par exemple à deux secteurs de la première armature. Le capteur décrit dans ce document comprend en outre un dispositif électronique adapté pour appliquer des niveaux de tension contrôlés successivement sur différents secteurs de la première armature fixe, comme illustré sur la figure 4 du document EP-A-0551066, mesurer un niveau de tension résultant sur la seconde armature fixe, puis déduire l'angle de l'armature mobile. Essentially, document EP-A-0551066 describes an angle sensor comprising a mechanical device constituted by two fixed frames and a moving part, a first generally circular fixed frame divided into several angular sectors and a second circular fixed frame which covers the different sectors of the first frame, as well as a frame movable in rotation about the axis of the first and the second frame, situated between them and which corresponds for example to two sectors of the first frame. The sensor described in this document also comprises an electronic device suitable for applying voltage levels controlled successively on different sectors of the first fixed armature, as illustrated in FIG. 4 of document EP-A-0551066, measuring a resulting voltage level on the second fixed frame, then deduct the angle of the movable frame.
Les dispositifs décrits dans les documents précités, bien qu'ayant rendu de grands services, ne donnent pas totalement satisfaction. En particulier, d'une façon générale, ils s'avèrent très sensibles aux parasites. The devices described in the aforementioned documents, although having rendered great services, are not entirely satisfactory. In particular, in general, they are very sensitive to parasites.
Le but de la présente invention est par conséquent de perfectionner les capteurs capacitifs connus. The object of the present invention is therefore to improve the known capacitive sensors.
Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un dispositif de mesure capacitif comprenant un capteur capacitif comportant deux ensembles d'électrodes séparés par un milieu de propriétés diélectriques évolutives en fonction d'une grandeur à mesurer et un système électronique qui comporte des moyens de commande aptes à appliquer des signaux électriques contrôlés d'entrée sur les électrodes et des moyens de détection aptes à mesurer un signal électrique de sortie résultant et à exploiter celui-ci pour déterminer une valeur représentative de ladite grandeur à mesurer,
caractérisé par le fait que les moyens de commande sont conçus pour générer des signaux électriques contrôlés découpés par un signal d'horloge et par le fait que les moyens de détection sont conçus pour opérer une détection synchrone avec le signal d'horloge.This object is achieved in the context of the present invention thanks to a capacitive measurement device comprising a capacitive sensor comprising two sets of electrodes separated by a medium of evolving dielectric properties as a function of a quantity to be measured and an electronic system which comprises control means capable of applying controlled electrical input signals to the electrodes and detection means capable of measuring a resulting electrical output signal and of using it to determine a value representative of said quantity to be measured,
characterized by the fact that the control means are designed to generate controlled electrical signals cut by a clock signal and by the fact that the detection means are designed to operate synchronous detection with the clock signal.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels - la figure 1 représente une vue schématique en perspective d'un capteur capacitif connu conforme au document EP-A-0551066, auquel peut s'appliquer la présente invention, - les figures 2 à 7 représentent différents signaux liés à ce capteur, plus précisément . la figure 2 représente l'évolution de capacités individuelles de ce capteur en fonction de l'angle de rotation d'une armature mobile, la figure 3 représente des signaux électriques d'entrée appliqués aux électrodes de ce capteur, la figure 4 représente le signal de sortie mesuré sur l'une des électrodes de ce capteur, les figures 5a et 5b représentent l'évolution de la somme de deux des capacités individuelles en fonction de l'angle de rotation et les figures 6 et 7 représentent l'évolution de paramètres de calcul en fonction de l'angle de rotation, - la figure 8 représente le schéma général d'un circuit de commande et d'un circuit de détection conforme à la présente invention, - la figure 9 représente le schéma d'une logique conforme à la présente invention, et - les figures 10, 11, 12 et 13 représentent différents signaux prélevés sur le circuit conforme à la présente invention. Other characteristics, objects and advantages of the invention will appear on reading the detailed description which follows, and with reference to the appended drawings, given by way of nonlimiting example and in which - FIG. 1 represents a schematic view in perspective of a known capacitive sensor in accordance with document EP-A-0551066, to which the present invention can be applied, - Figures 2 to 7 show different signals linked to this sensor, more precisely. FIG. 2 represents the evolution of individual capacities of this sensor as a function of the angle of rotation of a movable armature, FIG. 3 represents electrical input signals applied to the electrodes of this sensor, FIG. 4 represents the signal of output measured on one of the electrodes of this sensor, FIGS. 5a and 5b represent the evolution of the sum of two of the individual capacities as a function of the angle of rotation and FIGS. 6 and 7 represent the evolution of parameters calculation as a function of the angle of rotation, - Figure 8 represents the general diagram of a control circuit and a detection circuit in accordance with the present invention, - Figure 9 represents the diagram of a conforming logic to the present invention, and - Figures 10, 11, 12 and 13 show different signals taken from the circuit according to the present invention.
La présente invention concerne un dispositif de mesure capacitif comprenant un capteur capacitif et un sytème électronique, dans lequel le capteur capacitif comporte deux ensembles d'électrodes séparés par un milieu de propriétés diélectriques évolutives en fonction d'une grandeur à mesurer et le système électronique comporte des moyens de commande aptes à appliquer des signaux électriques contrôlés d'entrée sur les électrodes et des moyens de détection aptes à mesurer un signal électrique de sortie résultant et à exploiter celui-ci pour déterminer une valeur représentative de ladite grandeur à mesurer. The present invention relates to a capacitive measuring device comprising a capacitive sensor and an electronic system, in which the capacitive sensor comprises two sets of electrodes separated by a medium of evolving dielectric properties as a function of a quantity to be measured and the electronic system comprises control means capable of applying controlled electrical input signals to the electrodes and detection means capable of measuring a resulting electrical output signal and of using it to determine a value representative of said quantity to be measured.
Comme indiqué précédemment, le capteur capacitif conforme à la présente invention peut constituer un détecteur de niveau de fluide, par exemple un détecteur de carburant dans un réservoir de véhicule automobile. Dans ce cas, les électrodes sont de préférence fixes et le milieu diélectrique évolutif est constitué par le liquide lui-même qui pénètre librement entre les électrodes. On peut prévoir par exemple un premier ensemble d'électrodes formé de différentes plages électriquement isolées superposées verticalement et sur lesquelles sont appliqués les signaux d'entrée et un second ensemble d'électrode constitué d'une électrode unique placée en regard des plages précitées pour recouvrir celles-ci, et sur laquelle est prélevé le signal de sortie. As indicated above, the capacitive sensor according to the present invention can constitute a fluid level detector, for example a fuel detector in a tank of a motor vehicle. In this case, the electrodes are preferably fixed and the evolving dielectric medium consists of the liquid itself which penetrates freely between the electrodes. It is possible, for example, to provide a first set of electrodes formed from different electrically insulated pads superimposed vertically and on which the input signals are applied and a second electrode assembly consisting of a single electrode placed opposite the aforementioned pads to cover these, and from which the output signal is taken.
Selon une autre variante, la présente invention s'applique aux capteurs capacitifs d'angle tels que décrits par exemple dans le document EP-A-0551066, ou encore dans les documents DE-A-3711062, US-A4238781, DE-A-3328421, EP-A-0459118, GB-A-2176013, US-A-3732553,
US-A-3845377 et FR-A-2457003.According to another variant, the present invention applies to capacitive angle sensors as described for example in document EP-A-0551066, or also in documents DE-A-3711062, US-A4238781, DE-A- 3328421, EP-A-0459118, GB-A-2176013, US-A-3732553,
US-A-3845377 and FR-A-2457003.
On a ainsi illustré sur la figure 1 annexée, la structure générale d'un capteur capacitif auquel peut s'appliquer la présente invention. Is thus illustrated in Figure 1 attached, the general structure of a capacitive sensor which can apply the present invention.
Ce capteur capacitif 10 est formé de deux armatures fixes 20, 30 et d'une pièce mobile 40. La première armature fixe 20 est cdivisée en plusieurs secteurs angulaires électriquement conducteurs coplanaires équirépartis autour de l'axe de rotation de la pièce mobile 40, par exemple huit secteurs angulaires, reliés électriquement par paires diamétralement opposées. Ces secteurs sont référencés 21 à 28 sur la figure 1. Ils reçoivent, par paire, des signaux électriques d'entrée. This capacitive sensor 10 is formed by two fixed plates 20, 30 and a moving part 40. The first fixed plate 20 is divided into several angular sectors of electrically conductive coplanar coparials distributed equally around the axis of rotation of the moving part 40, by example eight angular sectors, electrically connected in diametrically opposite pairs. These sectors are referenced 21 to 28 in FIG. 1. They receive, in pairs, electrical input signals.
L'armature réceptrice électriquement conductrice 30 est circulaire, plane et parallèle à l'armature 20 et recouvre les secteurs précités 21 à 28. The electrically conductive receiving frame 30 is circular, planar and parallel to the frame 20 and covers the aforementioned sectors 21 to 28.
L'armature réceptrice fixe 30 est de préférence entourée par un anneau de garde 32.The fixed receiving frame 30 is preferably surrounded by a guard ring 32.
La pièce mobile 40 est intercalée entre les armatures fixes 20, 30. The moving part 40 is interposed between the fixed frames 20, 30.
Elle est entraînée à rotation autour de son axe par tout moyen approprié. La pièce mobile 40 comporte au moins un secteur parallèle aux armatures 20 et 30, apte à recouvrir plusieurs secteurs de la première armature 20, par exemple deux secteurs de celle-ci. Selon le mode de réalisation particulier, la pièce mobile 40 comporte deux secteurs 42, 44, en matériau électriquement conducteur, diamétralement opposés et reliés entre eux recouvrant chacun deux secteurs 21 à 28 de la première armature 20.It is rotated about its axis by any suitable means. The movable part 40 comprises at least one sector parallel to the frames 20 and 30, capable of covering several sectors of the first frame 20, for example two sectors of the latter. According to the particular embodiment, the moving part 40 comprises two sectors 42, 44, made of electrically conductive material, diametrically opposite and linked together, each covering two sectors 21 to 28 of the first frame 20.
Cet ensemble mécanique représente électriquement quatre capacités variables en fonction de l'angle de rotation de la pièce mobile 40 et ayant une armature commune. Plus précisément, ces quatre capacités variables sont réalisées entre l'armature commune 30 et l'une des paires de secteurs 21 à 28 de la première armature 20. This mechanical assembly electrically represents four variable capacities as a function of the angle of rotation of the moving part 40 and having a common frame. More precisely, these four variable capacities are produced between the common frame 30 and one of the pairs of sectors 21 to 28 of the first frame 20.
On a illustré sur la figure 2, la courbe de variation des quatre capacités ainsi formées en fonction de l'angle de rotation de la pièce mobile 40
Selon l'état de la technique, ces quatre capacités C1, C2, C3 et C4 sont attaquées par une suite de quatre niveaux continus de tension UC1,
UC2, UC3, UC4 tels qu'illustrés sur la figure 3 et décrits par exemple dans le document EP-A-0551066.Illustrated in FIG. 2, the variation curve of the four capacities thus formed as a function of the angle of rotation of the moving part 40
According to the state of the art, these four capacitors C1, C2, C3 and C4 are attacked by a series of four continuous voltage levels UC1,
UC2, UC3, UC4 as illustrated in FIG. 3 and described for example in the document EP-A-0551066.
Le point commun 30 des quatre capacités entre sur un circuit de détection apte à exploiter le niveau de tension présent sur l'électrode 30 pour déterminer une valeur représentative de l'angle de pivotement de la pièce mobile 40 par rapport à une position de référence. The common point 30 of the four capacitors enters a detection circuit capable of exploiting the voltage level present on the electrode 30 to determine a value representative of the pivoting angle of the moving part 40 relative to a reference position.
Le circuit de détection peut comporter par exemple un amplificateur de charges dont l'entrée est reliée à l'électrode commune 30 et qui génère à sa sortie une suite de niveaux dépendants des signaux d'entrée appliqués aux électrodes 21 à 28. La sortie de l'amplificateur de charges peut être reliée par exemple à un convertisseur analogique-numérique. The detection circuit may for example comprise a charge amplifier whose input is connected to the common electrode 30 and which generates at its output a series of levels dependent on the input signals applied to the electrodes 21 to 28. The output of the charge amplifier can be connected for example to an analog-digital converter.
La figure 4 représente un exemple du signal de sortie d'un tel amplificateur de charges dans le cas où les signaux d'entrée attaquent les capacités par paires : pendant les temps T1 et T2, les capacités C1 et C2 sont reliées et reçoivent un front descendant tandis que les capacités C3 et
C4 reliées entre elles reçoivent un front montant, tandis que pendant les temps T3 et T4, les capacités C2 et C3 sont reliées pour recevoir un front descendant et les capacités Cl et C4 sont reliées pour recevoir un front montant.FIG. 4 represents an example of the output signal of such a charge amplifier in the case where the input signals attack the capacitors in pairs: during the times T1 and T2, the capacitors C1 and C2 are connected and receive an edge descending while capacities C3 and
C4 connected together receive a rising edge, while during times T3 and T4, the capacitors C2 and C3 are connected to receive a falling edge and the capacitors Cl and C4 are connected to receive a rising edge.
Ainsi, suite aux évolutions des signaux de commande d'entrée,
I'amplificateur de charges délivre successivement quatre niveaux A, B, C et
D (visibles sur la figure 4) qui permettent de calculer, d'une part un pseudocosinus KC = B - A et un pseudo-sinus KS = D - C. Thus, following the evolutions of the input control signals,
The charge amplifier successively delivers four levels A, B, C and
D (visible in FIG. 4) which make it possible to calculate, on the one hand, a pseudocosinus KC = B - A and a pseudo-sinus KS = D - C.
On a illustré sur les figures 5a et 5b, les courbes d'évolution des sommes de capacités C1 + C2, C3 + C4, d'une part, et C2 + C3 et C1 + C4 d'autre part, groupées par paires, en fonction de l'angle de rotation de la pièce mobile 40. We have illustrated in FIGS. 5a and 5b, the evolution curves of the sums of capacities C1 + C2, C3 + C4, on the one hand, and C2 + C3 and C1 + C4 on the other hand, grouped in pairs, in function of the angle of rotation of the moving part 40.
La figure 6 représente la courbe d'évolution des variables KC et KS en fonction de l'angle de rotation. FIG. 6 represents the curve of evolution of the variables KC and KS as a function of the angle of rotation.
L'homme de l'art comprendra à l'examen de la figure 6 que le signe des variables KC et KS permet de connaître le secteur dans lequel se situe la pièce mobile 40. Par ailleurs, les signaux KC et KS permettent d'obtenir une variation linéaire de l'angle, par calcul, par exemple - pour le premier secteur de 0 à 45" en utilisant la fonction 1-±[(KS -KC)/(KC + KS)I, - pour le second secteur de 45 à 90" en utilisant la fonction 3 + [(KS + KC)/(KC - KS)J, - pour le troisième secteur de 90 à 1 350 en utilisant la fonction 5 + [(KS - KC) / (KC + - pour le quatrième secteur de 135 à 1800 en utilisant la fonction 7 + [(KS + KC) I (KC - KS)]. Those skilled in the art will understand on examining FIG. 6 that the sign of the variables KC and KS makes it possible to know the sector in which the moving part 40 is located. Furthermore, the signals KC and KS make it possible to obtain a linear variation of the angle, by calculation, for example - for the first sector from 0 to 45 "using the function 1- ± [(KS -KC) / (KC + KS) I, - for the second sector of 45 to 90 "using the function 3 + [(KS + KC) / (KC - KS) J, - for the third sector from 90 to 1350 using the function 5 + [(KS - KC) / (KC + - for the fourth sector from 135 to 1800 using the function 7 + [(KS + KC) I (KC - KS)].
Les courbes correspondantes sont illustrées sur la figure 7 annexée. The corresponding curves are illustrated in Figure 7 attached.
En résumé, le calcul de la position angulaire de la pièce mobile 40 par rapport à une référence fixe peut être obtenu: - par conversion numérique des quatre niveaux analogiques successifs A,
B, C et D lus en sortie de l'amplificateur de charges relié à l'électrode commune 30, tel qu'illustré sur la figure 4, - calcul d'un pseudo-cosinus KC = B -A et d'un pseudo-sinus KS = B - C, - détermination du secteur suivant le signe de KC et KS et - calcul de l'angle dans le secteur considéré avec des expressions correspondant aux fonctions indiquées ci-dessus.In summary, the calculation of the angular position of the moving part 40 relative to a fixed reference can be obtained: - by digital conversion of the four successive analog levels A,
B, C and D read at the output of the charge amplifier connected to the common electrode 30, as illustrated in FIG. 4, - calculation of a pseudo-cosine KC = B -A and of a pseudo- sine KS = B - C, - determination of the sector according to the sign of KC and KS and - calculation of the angle in the sector considered with expressions corresponding to the functions indicated above.
En outre, le cas échéant, le résultat obtenu peut être multiplié par un facteur d'échelle suivant l'unité désirée: degrés, radians
Bien entendu, I'invention n'est pas limitée à la structure de capteurs capacitifs précitée.In addition, if necessary, the result obtained can be multiplied by a scale factor according to the desired unit: degrees, radians
Of course, the invention is not limited to the aforementioned capacitive sensor structure.
En particulier, dans le cadre de l'invention, la pièce mobile 40 peut être réalisée dans un matériau non électriquement conducteur, mais dans un matériau diélectrique ayant une forte permittivité. In particular, in the context of the invention, the movable part 40 can be produced in a material which is not electrically conductive, but in a dielectric material having a high permittivity.
Dans le cadre de l'invention, la pièce mobile 40 peut être isolée de la masse ou non. In the context of the invention, the moving part 40 can be isolated from ground or not.
Bien entendu, I'invention n'est pas limitée à la géométrie des secteurs illustrés sur la figure 1, tant pour les électrodes fixes que pour les électrodes mobiles. Of course, the invention is not limited to the geometry of the sectors illustrated in FIG. 1, both for the fixed electrodes and for the mobile electrodes.
Enfin, I'invention n'est pas limitée à des secteurs d'électrodes plans mais peut s'appliquer également à des secteurs par exemple cylindriques. Finally, the invention is not limited to sectors of planar electrodes but can also be applied to sectors, for example cylindrical.
Comme on l'a évoqué précédemment, selon l'invention, les moyens de commande sont conçus pour générer des signaux électriques contrôlés découpés par un signal d'horloge et les moyens de détection sont conçus pour opérer une détection synchrone avec le signal d'horloge. En d'autres termes, selon l'invention, sur la commande des secteurs 21 à 28, on remplace un niveau logique haut de tension par un signal carré en phase avec une horloge de référence, par exemple de l'ordre de 100kHz, tandis que le niveau bas d'attaque des secteurs 21 à 28 est remplacé par un signal carré en opposition de phase par rapport à la même horloge de référence. As mentioned above, according to the invention, the control means are designed to generate controlled electrical signals cut by a clock signal and the detection means are designed to operate a synchronous detection with the clock signal . In other words, according to the invention, on the control of sectors 21 to 28, a high voltage logic level is replaced by a square signal in phase with a reference clock, for example of the order of 100 kHz, while that the low level of attack of sectors 21 to 28 is replaced by a square signal in phase opposition with respect to the same reference clock.
Ainsi, on attaque les paires de secteurs 21 à 28 par deux signaux en opposition de phase. Thus, the pairs of sectors 21 to 28 are attacked by two signals in phase opposition.
Le capteur forme un diviseur capacitif. L'amplitude du signal disponible sur l'électrode commune 30 représente l'angle de rotation de la pièce mobile 40. Le signal résultant disponible sur l'électrode commune 30 est nul si les deux ensembles de capacités recevant les signaux en opposition de phase sont identiques. Au contraire, on obtient sur l'électrode commune 30 un signal dont le sens de la phase dépend du sens de la différence entre les capacités et dont l'amplitude est proportionnelle à cette différence. The sensor forms a capacitive divider. The amplitude of the signal available on the common electrode 30 represents the angle of rotation of the moving part 40. The resulting signal available on the common electrode 30 is zero if the two sets of capacitors receiving the signals in phase opposition are identical. On the contrary, a signal is obtained on the common electrode 30, the direction of the phase of which depends on the direction of the difference between the capacitances and the amplitude of which is proportional to this difference.
Pour détecter le signal obtenu et récupérer la grandeur représentative de la position angulaire de la pièce mobile 40, on multiplie le signal issu de l'électrode commune 30 par le signal d'horloge. De préférence, le signal ainsi obtenu après cette détection synchrone est appliqué à un filtre passe bas qui extrait les composantes lentes du signal. To detect the signal obtained and recover the quantity representative of the angular position of the moving part 40, the signal from the common electrode 30 is multiplied by the clock signal. Preferably, the signal thus obtained after this synchronous detection is applied to a low pass filter which extracts the slow components of the signal.
La fréquence de coupure du filtre détermine la largeur de bande détectée.The cutoff frequency of the filter determines the bandwidth detected.
Plus précisément encore, dans le cadre de la présente invention, plutôt que d'appliquer une multiplication analogique pure, on opère une détection synchrone grâce à un amplificateur dont le gain alternativement positif et négatif, par exemple plus ou moins 1, est commandé par la fréquence du signal d'horloge de référence. More precisely still, in the context of the present invention, rather than applying pure analog multiplication, synchronous detection is carried out by means of an amplifier whose alternately positive and negative gain, for example plus or minus 1, is controlled by the frequency of the reference clock signal.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention - le signal d'horloge est un signal carré issu de diviseurs logiques, - un déphaseur ajustable est intercalé entre la sortie du générateur d'horloge et l'entrée de commande de l'amplificateur à gain variable entre +1 et -1 pour compenser les retards dans la chaîne de mesure, et - le filtre connecté en sortie du détecteur synchrone est un filtre du deuxième ordre, par exemple d'une constante de temps de l'ordre de SOus. According to other advantageous features of the invention - the clock signal is a square signal from logic dividers, - an adjustable phase shifter is inserted between the output of the clock generator and the control input of the amplifier variable gain between +1 and -1 to compensate for delays in the measurement chain, and - the filter connected at the output of the synchronous detector is a second order filter, for example of a time constant of the order of SOus.
De telles dispositions permettent d'obtenir un résultat stable après peu de cycles, typiquement de l'ordre de 32. Such arrangements make it possible to obtain a stable result after few cycles, typically of the order of 32.
On va maintenant décrire la structure d'un circuit particulier de commande et de détection conforme à la présente invention en regard de la figure 8 annexée. We will now describe the structure of a particular control and detection circuit in accordance with the present invention with reference to FIG. 8 appended.
Le circuit 100 de commande et de détection illustré sur la figure 8 annexée comprend un module oscillateur 110, un module de remise à zéro 130, un module de logique programmable 140, un module déphaseur 150, un module amplificateur de charges 160, un module 170 démodulateur et de détection synchrone, un module 180 générant une tension de référence, un module 190 formant filtre et un module 200 d'amplification de niveau avant application à un convertisseur. The control and detection circuit 100 illustrated in the appended FIG. 8 comprises an oscillator module 110, a reset module 130, a programmable logic module 140, a phase shift module 150, a charge amplifier module 160, a module 170 demodulator and synchronous detection, a module 180 generating a reference voltage, a module 190 forming a filter and a module 200 for amplifying the level before application to a converter.
Le module oscillateur 110 comprend un amplificateur opérationnel OPî 1 1 monté en trigger avec un réseau RC. Plus précisément, L'entrée inverseuse de OP111 est reliée, d'une part à la masse par un condensateur
C112 et d'autre part à sa sortie par deux résistances séries R113 et R114, dont l'une au moins réglable pour le réglage de la fréquence d'oscillation.The oscillator module 110 includes an operational amplifier OPî 1 1 mounted as a trigger with an RC network. More precisely, the inverting input of OP111 is connected, on the one hand to ground by a capacitor
C112 and on the other hand at its output by two series resistors R113 and R114, one of which at least adjustable for adjusting the oscillation frequency.
L'entrée non inverseuse de Oui 1 1 est reliée, d'une part à la masse par une résistance R115 et d'autre part à sa sortie par une résistance de contreréaction R116.The non-inverting input of Yes 1 1 is connected, on the one hand to ground by a resistor R115 and on the other hand to its output by a feedback resistor R116.
Le signal d'horloge ainsi obtenu à la sortie de OPî 1 1 est mis en forme par deux portes inverseuses 120, 121 montées en série. La première porte 120 est polarisée à la moitié de la tension d'alimentation par un diviseur résistif R118, R119. The clock signal thus obtained at the output of OPî 1 1 is shaped by two inverting gates 120, 121 connected in series. The first gate 120 is biased at half the supply voltage by a resistive divider R118, R119.
Une capacité de C117 fait la liaison en alternatif entre la sortie de Oui 1 1 et l'entrée de la première porte 120. A capacitor of C117 links alternately between the output of Yes 1 1 and the input of the first gate 120.
A titre d'exemple non limitatif l'oscillateur 110 est réglé pour délivrer à la sortie de la porte 121 un signal alternatif à 200kHz. Un tel module oscillateur 110 délivre des fronts de montée très propres. By way of nonlimiting example, the oscillator 110 is adjusted to deliver at the output of the gate 121 an alternating signal at 200 kHz. Such an oscillator module 110 delivers very clean rising edges.
Le circuit de remise à zéro 130 est conçu pour détecter la mise en service de l'alimentation du circuit et assurer la remise à zéro de la logique programmable 140. Ce circuit 130 est formé d'un monostable dont la temporisation est assurée par un circuit RC et la mise en forme par un transistor Tu 34 suivi de deux portes 136,137. The reset circuit 130 is designed to detect the entry into service of the circuit supply and ensure the reset of the programmable logic 140. This circuit 130 is formed by a monostable whose timing is ensured by a circuit RC and the shaping by a transistor Tu 34 followed by two gates 136,137.
Plus précisément, selon la figure 8, le transistor T134 type NPN a sa base polarisée à la masse par une résistance R131 et à la tension d'alimentation positive par une branche comprenant en série une résistance R132 et un condensateur Cl 33. More precisely, according to FIG. 8, the transistor T134 type NPN has its base biased to ground by a resistor R131 and to the positive supply voltage by a branch comprising in series a resistor R132 and a capacitor Cl 33.
L'émetteur de C134 est relié à la masse et son collecteur relié à la tension d'alimentation par une résistance Roi 35. The C134 emitter is connected to ground and its collector connected to the supply voltage by a King 35 resistor.
Les deux portes de mise en forme 136, 137 sont formées de portes inverseuses connectées en série, L'entrée de la première porte 136 étant reliée au collecteur du transistor Tu 34. The two shaping gates 136, 137 are formed of inverting gates connected in series, the input of the first gate 136 being connected to the collector of the transistor Tu 34.
Le module de logique programmable 140 reçoit en entrée, d'une part le signal de 200kHz issu de l'oscillateur 110 et, d'autre part le signal de remise à zéro issu du module 130. The programmable logic module 140 receives, on the one hand, the 200 kHz signal coming from the oscillator 110 and, on the other hand, the reset signal coming from the module 130.
La logique programmable 140 est conçue pour délivrer à sa sortie des signaux SECTî, SECT2, SECT3, SECT4 destinés à être appliqués respectivement aux secteurs 21 à 28 du capteur capacitif, un signal d'horloge référencé HOR 100kHz sur la figure 8 appliqué au déphaseur 150 pour piloter le démodulateur 170 et dont la fréquence est la moitié de celle du signal d'horloge issu de l'oscillateur 110, ainsi que des signaux DEB2,
DEB et H.LEC assurant la synchronisation de mesure et de calcul dans un processeur.The programmable logic 140 is designed to deliver at its output signals SECTî, SECT2, SECT3, SECT4 intended to be applied respectively to sectors 21 to 28 of the capacitive sensor, a clock signal referenced HOR 100kHz in FIG. 8 applied to the phase shifter 150 to control the demodulator 170 and the frequency of which is half that of the clock signal from the oscillator 110, as well as the DEB2 signals,
DEB and H.LEC ensuring synchronization of measurement and calculation in a processor.
De préférence, le module de logique programmable 140 est formé à partir d'un réseau PAL. Preferably, the programmable logic module 140 is formed from a PAL network.
Le signal HOR 100kHz appliqué à l'entrée du déphaseur 150 est généré par un diviseur par deux de rapport cyclique 1/2. The HOR 100kHz signal applied to the input of the phase shifter 150 is generated by a divider by two of 1/2 duty cycle.
Les signaux SECT1, SECT2, SECT3 et SECT4 appliqués respectivement aux différents secteurs 21 à 28 du capteur capacitif sont formés de signaux à 100kHz dont la phase est inversée ou non, par rapport au signal de référence, conformément au niveau des signaux de commande classiques illustrés sur la figure 3. C'est-à-dire que les signaux
SECT1, SECT2, SECT3, SECT4 sont formés de signaux à 100kHz en phase avec le signal d'horloge pour les niveaux haut illustrés sur la figure 3 et en opposition de phase avec le signal d'horloge pour le niveau bas illustré sur cette figure 3. The signals SECT1, SECT2, SECT3 and SECT4 applied respectively to the different sectors 21 to 28 of the capacitive sensor are formed of signals at 100 kHz whose phase is reversed or not, relative to the reference signal, in accordance with the level of the conventional control signals illustrated in Figure 3. That is, the signals
SECT1, SECT2, SECT3, SECT4 are formed by signals at 100 kHz in phase with the clock signal for the high levels illustrated in figure 3 and in phase opposition with the clock signal for the low level illustrated in this figure 3 .
Le signal H.LEC est adapté pour déclencher une interruption et demander une mesure au convertisseur analogique numérique relié à la sortie du circuit 100. Le signal H.LEC apparaît typiquement au 3/4 d'un cycle. The H.LEC signal is suitable for triggering an interruption and requesting a measurement from the analog digital converter connected to the output of circuit 100. The H.LEC signal typically appears at 3/4 of a cycle.
Le signal DEB est conçu pour synchroniser la première mesure. The DEB signal is designed to synchronize the first measurement.
Enfin, le signal DEB2 est adapté pour déclencher le début d'un calcul de la grandeur recherchée. Finally, the signal DEB2 is adapted to trigger the start of a calculation of the quantity sought.
On a illustré sur la figure 9, un exemple de réalisation d'une telle logique programmable 40. Illustrated in FIG. 9, an exemplary embodiment of such a programmable logic 40.
Pour cette raison, la structure de ce circuit 140 ne sera pas décrite plus en détail par la suite. For this reason, the structure of this circuit 140 will not be described in more detail below.
Le circuit déphaseur 150 est conçu pour générer deux signaux d'horloge à 100kHz (fréquence moitié de la fréquence d'horloge issue de l'oscillateur 110) en opposition de phase, pour piloter le démodulateur 170 formant détecteur synchrone. The phase shifting circuit 150 is designed to generate two clock signals at 100 kHz (frequency half the clock frequency from the oscillator 110) in phase opposition, to control the demodulator 170 forming a synchronous detector.
Le déphaseur 150 comprend un circuit RC variable constitué d'une résistance variable série R151 et d'un condensateur C152 relié à la masse. The phase shifter 150 comprises a variable RC circuit consisting of a variable resistor series R151 and a capacitor C152 connected to ground.
Ce circuit RC créée un retard sur l'horloge à 100kHz. Le signal obtenu sur le point commun entre la résistance R151 et le condensateur C152 et ensuite remis en forme par deux inverseurs séries 153, 154. Le réglage de la résistance R151 permet de régler le déphasage.This RC circuit creates a delay on the clock at 100kHz. The signal obtained on the common point between the resistor R151 and the capacitor C152 and then reshaped by two series inverters 153, 154. The adjustment of the resistor R151 makes it possible to adjust the phase shift.
Les deux signaux pilotes en opposition de phase à 100kHz sont disponibles respectivement sur les sorties des inverseurs 153, 1 54. The two pilot signals in phase opposition at 100kHz are available respectively on the outputs of the inverters 153, 1 54.
De préférence, les sorties des inverseurs 153, 154 sont reliées aux entrées correspondantes du démodulateur 170 par des paires torsadées pour limiter les émissions parasites. Preferably, the outputs of the inverters 153, 154 are connected to the corresponding inputs of the demodulator 170 by twisted pairs to limit spurious emissions.
L'amplificateur de charge 160 est formé de deux étages amplificateurs montés en cascade. The charge amplifier 160 is formed by two amplifier stages connected in cascade.
Le premier étage amplificateur est formé d'un amplificateur opérationnel OP161. Celui-ci reçoit sur son entrée non inverseuse une tension égale à la moitié de la tension d'alimentation, issue du module 180. The first amplifier stage is formed by an operational amplifier OP161. This receives on its non-inverting input a voltage equal to half of the supply voltage, coming from module 180.
L'entrée inverseuse de OP161 reçoit le signal de sortie du capteur capacitif, c'est-à-dire la tension disponible sur l'électrode commune 30, par
I'intermédiaire d'un condensateur de liaison C162. En outre, L'entrée inverseuse de Ou161 est reliée à sa sortie par une branche de contreréaction comprenant en parallèle une résistance R163 et un condensateur
C164.The inverting input of OP161 receives the output signal from the capacitive sensor, i.e. the voltage available on the common electrode 30, by
I'intermediate of a capacitor of connection C162. In addition, the inverting input of Ou161 is connected to its output by a feedback branch comprising in parallel a resistor R163 and a capacitor
C164.
Le gain du premier étage de l'amplificateur de charge 160 est défini par le diviseur capacitif formé par la capacité du capteur et la capacité C164 de contre-réaction de ce premier étage. The gain of the first stage of the charge amplifier 160 is defined by the capacitive divider formed by the capacity of the sensor and the capacity C164 of feedback of this first stage.
Pour ne pas déformer le signal carré qui attaque le circuit, la branche de contre-réaction R163-C164 doit définir une longue constante de temps. A titre d'exemple non limitatif R163 peut être de l'ordre de 10MQ et
C164 est de l'ordre de 22pF. La résistance R163 est choisie pour que des fuites vers le point milieu soient toujours supérieures aux fuites vers la masse du capteur.In order not to distort the square signal which attacks the circuit, the feedback branch R163-C164 must define a long time constant. By way of nonlimiting example R163 can be of the order of 10MQ and
C164 is around 22pF. Resistor R163 is chosen so that leaks to the midpoint are always greater than leaks to ground from the sensor.
Une capacité de liaison C165 relie les deux étages. Le second étage est articulé autour d'un amplificateur opérationnel OP166. L'entrée non inverseuse de OP166 est reliée à la sortie du module 180 précité. A C165 link capacity connects the two stages. The second stage is articulated around an operational amplifier OP166. The non-inverting input of OP166 is connected to the output of the aforementioned module 180.
L'entrée inverseuse de OP166 est reliée au condensateur de liaison 165 (lui-même connecté à la sortie de Ou161) par l'intermédiaire d'une résistance R167. Enfin, l'entrée inverseuse de OP166 est rebouclée sur sa sortie par une résistance de contre-réaction R168. The inverting input of OP166 is connected to the link capacitor 165 (itself connected to the output of Ou161) via a resistor R167. Finally, the inverting input of OP166 is looped back to its output by a feedback resistance R168.
A titre d'exemple non limitatif, OP161 peut être de type LM662, présentant l'avantage d'une grande impédance d'entrée et des fuites très faibles. By way of nonlimiting example, OP161 can be of the LM662 type, having the advantage of a high input impedance and very low leaks.
A titre d'exemple non limitatif, OP166 peut être de type OP283. By way of nonlimiting example, OP166 can be of type OP283.
Le module 180 est conçu pour générer une "masse décalée" à la moitié de la tension d'alimentation. Le module 180 est formé de préférence d'un pont diviseur résistif R181, R182 branché entre la masse et la tension d'alimentation et dont le point commun attaque l'entrée non inverseuse d'un amplificateur opérationnel OP183 monté en suiveur. A cette fin, L'entrée inverseuse de OP183 est rebouclée directement sur sa sortie. La tension d'alimentation V/2 est disponible à la sortie de OP183. The module 180 is designed to generate an "offset mass" at half the supply voltage. The module 180 is preferably formed of a resistive divider bridge R181, R182 connected between ground and the supply voltage and whose common point attacks the non-inverting input of an operational amplifier OP183 mounted as a follower. To this end, the inverting input of OP183 is looped back directly to its output. The supply voltage V / 2 is available at the output of OP183.
L'utilisation d'un amplificateur opérationnel OP183 monté en suiveur permet d'assurer une très faible impédance de sortie. The use of an OP183 operational amplifier mounted as a follower ensures very low output impedance.
Le démodulateur 170 assurant la fonction de détection synchrone peut faire l'objet de nombreux modes de réalisation. The demodulator 170 ensuring the synchronous detection function can be the subject of numerous embodiments.
Le cas échéant, il pourrait être formé d'un interrupteur unique dont les cycles d'ouverture/fermeture sont pilotés par un signal de référence dont la fréquence est la moitié du signal d'horloge appliqué aux secteurs du capteur capacitif. If necessary, it could be formed of a single switch whose opening / closing cycles are controlled by a reference signal whose frequency is half the clock signal applied to the sectors of the capacitive sensor.
Cependant, comme indiqué précédemment, dans le cadre de l'invention, le module 170 formant détecteur synchrone est de préférence articulé autour d'un amplificateur opérationnel Ou171 associé à deux interrupteurs analogiques 172,173. However, as indicated above, in the context of the invention, the module 170 forming a synchronous detector is preferably articulated around an operational amplifier Ou171 associated with two analog switches 172,173.
Comme on l'a illustré sur la figure 8, ces interrupteurs analogiques 172, 173 sont pilotés à l'ouverture et à la fermeture respectivement par les signaux à 100kHz en opposition de phase issus du déphaseur 150. As illustrated in FIG. 8, these analog switches 172, 173 are controlled on opening and closing respectively by the signals at 100 kHz in phase opposition from the phase shifter 150.
Les entrées des interrupteurs analogiques 172, 173 sont reliées respectivement à la sortie de OP166 et à une borne de référence formée par la sortie du module 180 à V/Z (moitié de la tension d'alimentation). The inputs of the analog switches 172, 173 are respectively connected to the output of OP166 and to a reference terminal formed by the output of the module 180 at V / Z (half of the supply voltage).
Les sorties des interrupteurs analogiques 172, 173 sont reliées en commun à l'entrée non inverseuse de OP171. The outputs of analog switches 172, 173 are connected in common to the non-inverting input of OP171.
L'entrée inverseuse de OP171 est reliée par l'intermédiaire d'une résistance R174 à la sortie de OP166. En outre, L'entrée inverseuse de OP171 est rebouclée sur sa sortie par une résistance de contre-réaction R175
La sortie du démodulateur 170 est disponible sur la sortie de OP171. La structure du module 170 qui vient d'être décrite constitue un amplificateur de gain plus ou moins 1, en utilisant des résistances R174 et
R175 identiques, commandé par l'horloge retardée.The inverting input of OP171 is connected via a resistor R174 to the output of OP166. In addition, the inverting input of OP171 is looped back to its output by a feedback resistor R175
The output of the demodulator 170 is available on the output of OP171. The structure of the module 170 which has just been described constitutes a gain amplifier more or less 1, using resistors R174 and
R175 identical, controlled by the delayed clock.
La structure avec deux interrupteurs analogiques 172, 173 permet de compenser le transfert de charges produit dans les interrupteurs. The structure with two analog switches 172, 173 compensates for the charge transfer produced in the switches.
Dans le cadre de l'invention, le filtre 190 relié à la sortie du détecteur synchrone 170 est de préférence un filtre du deuxième ordre. II permet d'obtenir un signal propre avec une constante de temps relative faible dans la mesure où on dispose de peu de périodes (32) pour laisser le signal se stabiliser avant de faire la mesure. In the context of the invention, the filter 190 connected to the output of the synchronous detector 170 is preferably a second order filter. It makes it possible to obtain a clean signal with a low relative time constant insofar as there are few periods (32) to let the signal stabilize before making the measurement.
De préférence, mais non limitativement, le filtre 190 est formé d'un amplificateur suiveur Ou191 associé à deux RC. Preferably, but not limited to, the filter 190 is formed by a follower amplifier Ou191 associated with two RCs.
Plus précisément encore, selon le mode de réalisation non limitatif illustré sur la figure 8, L'entrée non inverseuse de OP191 est reliée à la sortie du démodulateur 170 par l'intermédiaire d'une branche comprenant deux résistances R192, R193 en série. La même entrée non inverseuse de OP191 est reliée à la masse par un condensateur C194. Le point commun aux résistances R192, R193 est relié à l'entrée inverseuse de OP191 par un condensateur C195. La même entrée inverseuse de OP191 est rebouclée directement sur sa sortie. More precisely still, according to the nonlimiting embodiment illustrated in FIG. 8, the non-inverting input of OP191 is connected to the output of the demodulator 170 via a branch comprising two resistors R192, R193 in series. The same non-inverting input of OP191 is connected to ground by a capacitor C194. The point common to resistors R192, R193 is connected to the inverting input of OP191 by a capacitor C195. The same inverting input of OP191 is looped back directly to its output.
La sortie du filtre 190 est disponible sur la sortie de OP191. The output of filter 190 is available on the output of OP191.
De préférence, la sortie du filtre 190 attaque un amplificateur 200 qui permet d'adapter le niveau du signal avant d'appliquer celui-ci à l'entrée d'un convertisseur analogique numérique. Un tel module amplificateur 200 peut faire l'objet de nombreux modes de réalisation. Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 8, le module amplificateur 200 comprend un amplificateur opérationnel OP201 dont l'entrée non inverseuse est reliée à la sortie de OP191. Preferably, the output of the filter 190 drives an amplifier 200 which makes it possible to adapt the level of the signal before applying it to the input of an analog to digital converter. There are many embodiments of such an amplifier module 200. According to the embodiment illustrated in FIG. 8, the amplifier module 200 comprises an operational amplifier OP201 whose non-inverting input is connected to the output of OP191.
L'entrée inverseuse de OP201 est reliée à une référence Valim/2 par l'intermédiaire d'une branche comprenant en série une résistance fixe
R202 et une résistance variable R203 permettant de régler le gain du module 200. L'entrée inverseuse de OP201 est rebouclée sur sa sortie par l'intermédiaire d'une branche de contre-réaction comprenant en parallèle une résistance R204 et un condensateur C205.The OP201 inverting input is connected to a Valim / 2 reference via a branch comprising in series a fixed resistor
R202 and a variable resistor R203 allowing the gain of the module 200 to be adjusted. The inverting input of OP201 is looped back to its output via a feedback branch comprising in parallel a resistor R204 and a capacitor C205.
La sortie du circuit de détection 100 est disponible sur la sortie de
OP201. Cette sortie de OP201 est par conséquent appliquée à un convertisseur analogique numérique.The output of the detection circuit 100 is available on the output of
OP201. This output from OP201 is therefore applied to an analog to digital converter.
II peut s'agir par exemple d'un convertisseur AD7896 à 12 bits. It can for example be a 12-bit AD7896 converter.
La sortie de ce convertisseur analogique numérique est ensuite adressée à un processeur qui effectue le calcul nécessaire pour l'exploitation du signal de mesure afin d'obtenir la grandeur d'entrée à mesurer, par exemple la position angulaire de la pièce mobile 40 par rapport à une référence fixe. The output of this analog-to-digital converter is then sent to a processor which performs the calculation necessary for processing the measurement signal in order to obtain the input quantity to be measured, for example the angular position of the moving part 40 relative to to a fixed reference.
On rappelle qu'à titre d'exemple non limitatif, dans le cadre de l'exploitation d'un capteur capacitif du type représenté sur la figure 1, ce calcul consiste å: - lire les quatre valeurs A, B, C et D schématisées sur la figure 4 obtenues successivement à la sortie de l'amplificateur de charges 160, - calculer un pseudo-cosinus KC = B - A et un pseudo-sinus KS = D - C, - déterminer le secteur dans lequel se situe la pièce mobile 40 en fonction du signe de KC et KS, et - calculer l'angle de la pièce mobile 40 dans le secteur considéré, par exemple avec des expressions du genre: 1-±[(KS - KC)/(KC + KS)I , 3 + [(KS + KC)/ (KC - KS)I , 5 + [(KS - KC)I (KC + KS)] et 7 + [(KS + KC) / (KC - KS)J. It will be recalled that, by way of nonlimiting example, in the context of the operation of a capacitive sensor of the type represented in FIG. 1, this calculation consists in: - reading the four values A, B, C and D schematized in FIG. 4 obtained successively at the output of the charge amplifier 160, - calculate a pseudo-cosine KC = B - A and a pseudo-sine KS = D - C, - determine the sector in which the moving part is located 40 as a function of the sign of KC and KS, and - calculate the angle of the moving part 40 in the sector considered, for example with expressions of the kind: 1- ± [(KS - KC) / (KC + KS) I , 3 + [(KS + KC) / (KC - KS) I, 5 + [(KS - KC) I (KC + KS)] and 7 + [(KS + KC) / (KC - KS) J.
Les mesures sont effectuées lors des interruptions demandées par la logique programmable par le signal H.LEC. The measurements are taken during the interruptions requested by the programmable logic by the H.LEC signal.
Les valeurs A, B, C et D obtenues sont de préférence stockées dans un tampon et pour obtenir une bonne stabilité de l'affichage, on fait de préférence en entrée une moy - la figure lic représente le signal DEB généré par la logique programmable 140. The values A, B, C and D obtained are preferably stored in a buffer and to obtain good display stability, an input is preferably made at the input - the figure lic represents the DEB signal generated by the programmable logic 140 .
Sur la figure 12, dont la base de temps est réglée pour observer une mesure complète sur les quatre niveaux: - la figure 12a représente sur un temps plus long que la figure 11, la sortie du module 170, - la figure 12b représente le signal en sortie du filtre du second ordre 190, et - la figure 12c représente le signal DEB2 généré par la logique programmable 140. In FIG. 12, the time base of which is adjusted to observe a complete measurement on the four levels: - FIG. 12a represents over a longer time than FIG. 11, the output of the module 170, - FIG. 12b represents the signal at the output of the second order filter 190, and - FIG. 12c represents the signal DEB2 generated by the programmable logic 140.
Sur la figure 13 - la figure 13a représente le signal H.LEC généré par la logique programmable 140 pour déclencher les mesures du convertisseur analogique numérique relié à la sortie du module 200, et - la figure 1 3b représente le signal issu de ce module amplificateur 200 et appliqué à l'entrée du convertisseur. In FIG. 13 - FIG. 13a represents the signal H.LEC generated by the programmable logic 140 to trigger the measurements of the analog-digital converter connected to the output of the module 200, and - FIG. 1 3b represents the signal from this amplifier module 200 and applied to the input of the converter.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers illustrés sur les figures. Of course, the invention is not limited to the particular embodiments illustrated in the figures.
En particulier: - le second étage de l'amplificateur de charges 160, articulé autour de l'amplificateur opérationnel OP166 pourra être remplacé par un amplificateur plus rapide, par exemple de type vidéo ayant une bande passante supérieure à 10MHz, - le démodulateur 170 formant détecteur synchrone constitué d'interrupteurs analogiques pourra être remplacé par un multiplieur, - le filtre 190 du second ordre pourra être remplacé par un filtre du troisième ou quatrième ordre ayant un temps de stabilisation plus court. In particular: - the second stage of the charge amplifier 160, articulated around the operational amplifier OP166 could be replaced by a faster amplifier, for example of the video type having a bandwidth greater than 10 MHz, - the demodulator 170 forming synchronous detector consisting of analog switches may be replaced by a multiplier, - the filter 190 of the second order may be replaced by a filter of the third or fourth order having a shorter stabilization time.
Le dispositif de mesure capacitif conforme à la présente invention offre de nombreux avantages par rapport à la technique antérieure connue. The capacitive measuring device according to the present invention offers numerous advantages compared to the known prior art.
On indiquera notamment que - la détection synchrone permet d'obtenir un signal très stable, beaucoup moins sensible que l'état de la technique, aux parasites, ei que cette stabilité du signal permet de diminuer la constante de temps du filtrage numérique, - le circuit de la présente invention permet de multiplier le nombre de transferts de charges par un facteur égal au nombre de périodes du signal de commande à 100kHz pendant la durée de chacun des niveaux A, B, C et
D, soit par exemple typiquement une multiplication par 32, ce qui est particulièrement avantageux pour une mesure fine de petites capacités, - bonne réjection de tous les parasites grâce à la détection synchrone qui extrait la composante du signal à la bonne fréquence, - fuites moins gênantes car la constante de temps de l'amplificateur de charges 160 est assez faible, - impédance d'entrée plus faible donc meilleure insensibilité aux parasites, et - liaison par capacités entre les étages ce qui évite des erreurs dues au décalage.It will be indicated in particular that - synchronous detection makes it possible to obtain a very stable signal, much less sensitive than the state of the art, to parasites, ei that this stability of the signal makes it possible to reduce the time constant of digital filtering, - the circuit of the present invention makes it possible to multiply the number of charge transfers by a factor equal to the number of periods of the control signal at 100 kHz for the duration of each of the levels A, B, C and
D, for example typically a multiplication by 32, which is particularly advantageous for a fine measurement of small capacities, - good rejection of all the parasites thanks to synchronous detection which extracts the component of the signal at the right frequency, - less leaks troublesome because the time constant of the charge amplifier 160 is quite low, - lower input impedance therefore better insensitivity to parasites, and - capacitance connection between the stages which avoids errors due to the offset.
Les courbes illustrées sur la figure 2 représentant l'évolution des capacités en fonction de la rotation de la pièce mobile 40 sont des courbes théoriques qui supposent que les différents secteurs 21 à 28 sont rigoureusement adjacents. En pratique, le dessin de ces secteurs 21 à 28 sur l'armature fixe 20 impose forcément un espace d'isolation (typiquement de l'ordre de 0,4mm) entre les différents secteurs. Le processeur peut être adapté pour tenir compte des décalages résultant sur les courbes d'évolution des capacités pour calculer la grandeur recherchée. The curves illustrated in FIG. 2 representing the evolution of the capacities as a function of the rotation of the moving part 40 are theoretical curves which assume that the different sectors 21 to 28 are strictly adjacent. In practice, the drawing of these sectors 21 to 28 on the fixed frame 20 necessarily imposes an insulation space (typically of the order of 0.4 mm) between the different sectors. The processor can be adapted to take account of the shifts resulting from the capacity development curves to calculate the quantity sought.
Les capacités mesurées étant généralement faibles (quelques dixièmes de pF) toute diaphonie apparaissant entre les signaux des secteurs 21 à 28 et l'entrée de l'amplificateur de charges 160 crée une erreur importante sur l'angle. The measured capacities being generally low (a few tenths of pF) any crosstalk appearing between the signals of the sectors 21 to 28 and the input of the charge amplifier 160 creates a significant error on the angle.
II est donc nécessaire de blinder le signal de l'électrode réceptrice 30, vers l'amplificateur de charges 160 et d'éviter tout couplage direct des signaux de commande de secteurs 21 à 28 avec l'amplificateur. It is therefore necessary to shield the signal from the receiving electrode 30, to the charge amplifier 160 and to avoid any direct coupling of the sector control signals 21 to 28 with the amplifier.
Seules les fuites vers le point milieu ne créent pas d'erreur. Les fuites vers la masse sont plus probables et créent une déformation non symétrique des signaux susceptibles de provoquer une erreur après détection. Only leaks to the midpoint do not create an error. Leakage to ground is more likely and creates a non-symmetrical distortion of the signals which can cause an error after detection.
Pour que les fuites vers la masse n'aient pas d'influence, il est donc recommandé d'utiliser une alimentation négative pour alimenter les amplificateurs en symétrie. So that leakage to ground does not have any influence, it is therefore recommended to use a negative supply to supply the amplifiers in symmetry.
Le découpage rapide du démodulateur 170 est susceptible de provoquer le transfert de charges fréquent entre le signal de commande des interrupteurs analogiques 172,173 et le signal utile de sortie. Pour limiter ce type d'erreur, il convient d'utiliser un montage comprenant deux interrupteurs analogiques 172, 173 commandés en opposition, comme illustré sur les figures annexées, pour que les charges transférées s'équilibrent et choisir des interrupteurs analogiques 172, 173 ayant une faible capacité. The rapid cutting of the demodulator 170 is likely to cause the frequent charge transfer between the control signal of the analog switches 172,173 and the useful output signal. To limit this type of error, it is advisable to use an assembly comprising two analog switches 172, 173 controlled in opposition, as illustrated in the appended figures, so that the transferred loads are balanced and choose analog switches 172, 173 having low capacity.
La vitesse de balayage et les éventuels dépassements sont suceptibles de créer de la distorsion. En pratique, c'est surtout la dissymétrie de celle-ci qui peut provoquer des erreurs sur l'angle. II est donc souhaitable d'utiliser des amplificateurs rapides pour passer un carré à 100k Hz sans trop de distorsion (bande passante supérieure à 1 MHz). The scanning speed and possible overshoots are likely to create distortion. In practice, it is especially the asymmetry of the latter which can cause errors on the angle. It is therefore desirable to use fast amplifiers to pass a square at 100k Hz without too much distortion (bandwidth greater than 1 MHz).
Les étages analogiques doivent avoir une bonne linéarité. The analog stages must have good linearity.
Les erreurs d'offset sont éliminées grâce aux liaisons capacitives entre les étages avant détection et la soustraction numérique en début de calcul pour les étages suivants. The offset errors are eliminated thanks to the capacitive links between the stages before detection and the digital subtraction at the start of calculation for the following stages.
Les défauts de discontinuité ou de non linéarité lors du passage entre les différents secteurs peuvent être compensés par calcul ou par une table de correction dans la mesure où ces défauts sont connus et répétitifs. The discontinuity or non-linearity faults during the passage between the different sectors can be compensated by calculation or by a correction table insofar as these faults are known and repetitive.
Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit, mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. Of course the present invention is not limited to the particular embodiment which has just been described, but extends to any variant in accordance with its spirit.
Claims (36)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL1036070C2 (en) * | 2008-10-14 | 2010-04-15 | Embedded Instr And Systems S L | Capacitive null-mode displacement measurement technology. |
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- 1998-01-29 FR FR9800978A patent/FR2758183B1/en not_active Expired - Fee Related
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| WO2010043391A3 (en) * | 2008-10-14 | 2010-10-07 | Embedded Instruments And Systems Sl | Capacitive null-mode displacement measurement technology |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2758183B1 (en) | 1999-10-08 |
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