KR20190110122A

KR20190110122A - 견고하고 저비용의 용량성 측정 시스템

Info

Publication number: KR20190110122A
Application number: KR1020197024943A
Authority: KR
Inventors: 로렌트 람에스흐
Original assignee: 아이이이 인터내셔날 일렉트로닉스 앤드 엔지니어링 에스.에이.
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2019-09-27
Also published as: KR102458166B1; WO2018141773A1; US11193797B2; LU100036B1; CN110249230B; JP7080893B2; JP2020505610A; US20200116530A1; DE112018000249T5; CN110249230A

Abstract

로딩 모드에서 동작하는 가드 감지 용량성 센서의 복소 감지 전류를 결정하기 위한 복소 전류 측정 회로는 주기 신호 전압원 (1), 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA) 및 디멀티플렉서 회로 (DMX)를 포함한다. 용량성 센서의 적어도 하나의 감지 안테나 전극은 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 신호 입력 라인에 전기적으로 연결될 수 있다. 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 신호 출력 라인들 각각은 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)의 차동 신호 입력 라인들 (8, 8 ', 9, 9') 중 다른 하나에 전기적으로 연결된다. 디멀티플렉서 회로 (DMX)는 3 개 또는 4 개의 신호 출력 라인을 포함하고, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)는 3 개의 신호 출력 라인의 경우 각각 신호 입력 포트를 갖는 3 개의 연산 증폭기 (15, 20, 61)를 포함하거나, 4 개의 신호 출력 라인의 경우, 각각 2 개의 신호 입력 포트를 갖는 2 개의 차동 증폭기 (30, 30 ')를 포함한다. 각각의 신호 출력 라인은 신호 입력 포트 중 다른 하나에 전기적으로 연결된다. 각각의 차동 신호 입력 라인 (8, 8 ', 9, 9')에 대해, 커패시터 (10, 10 ', 11, 11'; 10, 11, 60)는 주기 신호 전압원(1)의 출력 포트 및 차동 신호 입력 라인 (8, 8 ', 9, 9') 사이에서 전기적으로 연결된다. 여기서 전기 측정 신호의 동작 주파수에서의 상기 커패시터 (10, 10 ', 11, 11'; 10, 11, 60)의 임피던스는 0 Ohm에 가깝다. 또는, 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 신호 출력 라인 (8, 8, 9, 9 ') 중 다른 하나에 갈바니 연결이 제공된다. 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)에 의해 제공되는 출력 신호는 복소 감지 전류를 결정하는데 사용될 수 있다.

Description

견고하고 저비용의 용량성 측정 시스템

본 발명은 일반적으로 용량성 측정 회로의 기술 분야에 관한 것으로,보다 구체적으로, 하나 이상의 전극을 갖는 용량성 측정 장치에 관한 것으로, 이 장치는 환경과 다른 복소 유전율을 갖는 대상체의 형상 및 위치와 같은 특성은 대상체를 통한 용량성 결합에 의해 결정되는 것이다.

용량성 센서를 사용하는 용량성 센서 및 용량성 측정 및/또는 검출 장치는 응용 범위가 넓으며, 특히 안테나 전극 근처에서 전도체의 존재 및/또는 위치의 검출에 사용된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "정전 용량 센서"라는 용어는 전기장에서 감지되는 것 (사람, 사람의 신체 일부, 애완 동물, 물체 등)의 영향에 응답하여 신호를 생성하는 센서를 나타낸다. 용량성 센서는 일반적으로 적어도 하나의 안테나 전극을 포함하며, 여기에는 진동 전기 신호가 인가되고 그로 인해 센서가 작동하는 동안 안테나 전극에 근접한 공간 영역으로 전기장을 방출한다. 센서는 적어도 하나의 감지 전극 (발산 안테나 전극과 동일하거나 다를 수 있음)을 포함하며, 물체 또는 생물체의 전기장에 대한 영향을 검출한다.

일부 (소위 "로딩 모드” (loading mode)) 용량성 센서에서, 적어도 하나의 안테나 전극은 감지 전극과 동시에 기능한다. 이 경우, 측정 회로는 발진 전압이 인가되는 것에 응답하여 적어도 하나의 안테나 전극으로 흐르는 전류를 결정한다. 전압과 전류의 관계는 적어도 하나의 안테나 전극과 접지 전위 사이의 복소 임피던스를 산출한다. 용량성 센서("커플링 모드" 용량성 센서)의 대안적인 버전에서, 송신 안테나 전극(들)과 감지 전극(들)은 서로 분리되어 있다. 이 경우, 측정 회로는 적어도 하나의 송신 안테나 전극이 작동 될 때 감지 전극에 유도되는 전류 또는 전압을 결정한다.

상이한 용량성 감지 메커니즘은 예를 들어, IEEE Computer Graphics and Applications, 18 (3) : 54-60, 1998에 공개된 J.R. Smith 등의 "그래픽 인터페이스를 위한 전기장 감지"라는 제목의 기술 논문에 설명 되어있다. 이 논문은 비접촉 3 차원 위치 측정, 특히 컴퓨터에 3 차원 위치 입력을 제공하기 위해 인간 손의 위치를 감지하는데 사용되는 전계 감지 개념을 설명한다. 용량성 센싱의 일반적인 개념 내에서 저자는 다양한 가능한 전류 경로에 해당하는 "로딩 모드(loading mode)", "분로 모드(shunt mode)"및 "전송 모드"라고 하는 고유한 메커니즘을 구별한다. "로딩 모드"에서, 발진 전압 신호가 송신 전극에 인가되어 발진 전기장이 접지에 축적된다. 감지 대상은 송신 전극과 접지 사이의 정전 용량을 수정한다. 대안적으로 "커플링 모드"로 지칭되는 "분로 모드"에서, 발진 전압 신호가 송신 전극에 인가되고, 수신 전극에 전계를 형성하고, 수신 전극에서 유도된 변위 전류가 측정된다. 측정된 변위 전류는 감지되는 신체에 따라 다르다. "전송 모드"에서, 전송 전극은 사용자의 신체와 접촉하게 되고, 이는 직접 전기 연결 또는 용량성 결합을 통해 수신기에 대한 송신기가 된다.

용량성 결합 강도는 예를 들어, 안테나 전극에 교류 전압 신호를 인가하고 안테나 전극으로부터 접지 방향 (부하 모드) 또는 제 2 안테나 전극 (커플링 모드)으로 흐르는 전류를 측정함으로써 결정될 수 있다. 이 전류는 감지 전극에 연결되고 감지 전극으로 흐르는 전류를 이 전류에 비례하는 전압으로 변환하는 트랜스 임피던스 증폭기에 의해 측정 될 수 있다.

일부 용량성 센서는 단일 감지 전극을 갖는 감지 전용 용량성 센서로 설계된다. 또한, 서로 근접하게 배열되고 서로 절연된 감지 전극 및 가드(보호) 전극을 포함하는 용량성 센서가 종종 사용된다. 이러한 "가드 (guarding)"기술은 당업계에 잘 알려져 있으며 용량성 센서의 민감도 영역을 의도적으로 마스킹하여 성형하는데 종종 사용된다. 이를 위해, 가드 전극은 감지 전극과 동일한 전기 AC 전위로 유지된다. 결과적으로, 감지 전극과 가드 전극 사이의 공간에는 전기장이 없으며, 가드 감지 용량성 센서는 감지 전극과 가드 전극 사이의 방향에 둔감하다.

용량성 탑승자 감지 시스템은 예를 들어 운전석 에어백, 조수석 에어백 및/또는 측면 에어백과 같이 하나 이상의 에어백의 배치를 제어하기 위한 다양한 방식으로 제안되어왔다. Jinno 등의 미국 특허 6,161,070은 자동차의 조수석 표면에 장착된 단일 안테나 전극을 포함하는 조수석 감지 시스템에 관한 것이다. 발진기는 진동 전압 신호를 안테나 전극에 인가하여 안테나 전극 주위에 미세한 전기장이 생성된다. Jinno는 안테나 전극으로 흐르는 전류의 진폭과 위상을 기반으로 좌석에 승객이 있는지 여부를 감지하도록 제안한다.

스탠리 (Stanley)의 미국 특허 6,392,542는 시트 내에 장착 가능하고 감지 회로에 작동 가능하게 결합된 전극을 포함하는 전계 센서를 교시(teach)하며, 이는 시트의 습기에 대해 "가장 약하게 반응하는" 주파수를 갖는 진동 또는 펄스 신호를 전극에 적용한다. 스탠리는 점유 또는 빈 시트를 감지하고 시트의 습기를 보상하기 위해 전극으로 흐르는 전류의 위상 및 진폭을 측정할 것을 제안한다.

룩셈부르크 특허 출원 LU 92 299 A1은 안테나 전극 및 차동 트랜스 임피던스 증폭기(Differential Transimpedance Amplifier, DTIA)를 포함하는 제어 및 평가 회로를 포함하는 용량성 감지 시스템을 기술하고 있다. DTIA는 제 1 신호 입력, 제 2 신호 입력, 제어 신호 입력 및 출력을 포함하고, 제 1 및 제 2 신호 입력에서 발생된 제 1 및 제 2 전압이 제 1 전류를 제 1 신호 입력으로 구동하도록 구성되고, 각각은, 제어 신호 입력에 인가된 전압을 따르고 제 1 전류와 제 2 전류 사이의 차이를 나타내는 출력 신호에서 출력을 생성한다. 디멀티플렉서(demultiplexer)는 제 1 전류 입력 및 제 2 전류 입력으로 교대로 안테나 전극으로 스위칭하기 위해 제공된다. 교류 기준 전압은 DTIA의 제어 신호 입력에 작용적으로 연결된 기준 전압 노트에서 생성된다. 제어 및 평가 회로는 제어 신호 입력에 연결된 출력에서 에러 신호를 생성하는 에러 증폭기를 포함하는데, 이는 기준 전압 노드와 안테나 전극 사이의 전압 차의 증폭에 대응한다.

다른 사람들은 용량성 점유 감지 시스템의 안테나 전극으로서 시트 히터의 가열 요소를 사용하는 아이디어를 가지고 있었다. 국제 출원 WO 92/17344 A1은 좌석 표면에 위치된 전류의 통과에 의해 가열될 수 있는 도체를 갖는 전기 가열식 차량 시트를 개시하며, 도체는 또한 2 전극 시트 점유 센서의 하나의 전극을 형성한다.

국제 출원 WO 95/13204 A1은 유사한 시스템을 개시하며, 여기서 가열 요소에 연결된 발진기의 발진 주파수가 차량 시트의 점유 상태를 도출하기 위해 측정된다. 시트 히터 및 용량성 센서의 보다 정교한 조합은 예를 들어 US 7,521,940 B2, US 2009/0295199 A1 및 US 6,703,845에 개시되어 있다.

예로서, 특허 문헌 US 8,354,936 B2는 차량을 위한 용량성 승객 검출기를 기술하고 있다. 용량성 승객 검출기는 메인 전극, 서브 전극 및 가드 전극을 포함한다. 메인 전극과 서브 전극은 서로 분리되어 차량의 시트에 배치된다. 가드 전극은 주 전극과 차량의 몸체 사이에 배치되고 주 전극으로부터 분리된다. 민감한 특성 측정 유닛은 메인 전극, 서브 전극 및 가드 전극에 교류 전압 신호를 선택적으로 또는 전체적으로 인가하도록 구성되고, 메인 전극, 서브 전극 및 가드 전극에서 발생된 전류를 각각 전압으로 변환하기 위해 구성된다. 용량성 승객 검출기는 주 전극의 전압과 가드 전극의 전압이 동일한 전위를 가질 때 가드 전극을 통해 흐르는 전류를 기준 전류로 정의하는 제어기를 더 포함한다. 제어기는 주 전극의 전압이 가드 전극의 전압보다 높을 때 가드 전극을 통해 흐르는 전류의 전류 흐름 방향을 음의 방향으로 정의한다. 제어기는 주 전극의 전압이 가드 전극의 전압보다 낮을 때 가드 전극을 통해 흐르는 전류의 전류 흐름 방향을 양의 방향으로 정의한다. 컨트롤러는 가드 전극을 통해 흐르는 전류에 기초하여 메인 전극의 전압을 보정하여 메인 전극의 보정 전압이 승객 결정 데이터가되도록 설정한다. 메인 전극과 가드 전극 사이에 전위차가 발생하더라도, 제어기는 승객의 커패시턴스를 정확하게 검출한다.

차량 응용을 목적으로 하여 자동차 규칙 및 표준, 예를 들어 ISO 11451-4 (도로 차량-협 대역 방사 전자기로부터의 전기 방해를 위한 차량 시험 방법- 에너지-4 부 : 벌크 전류 주입 (Bulk current injection, BCI))를 준수해야하는 용량성 감지 장치에 대한 도전적인 상황이 발생한다. 용량성 감지 장치는 BCI 테스트 동안 주입된 무선 주파수 (radio frequency, RF) 전류에 의해 쉽게 방해 받는다.

또한, 적어도 하나의 감지 전극 (이하에서 "감지"로 표시됨) 및 적어도 하나의 가드 전극 (이하 "가드"로 표시됨)을 갖는 용량성 감지 장치는 기생 임피던스를 가지며, 이는 용량성 센서에 흐르는 감지 전류를 결정함으로써 측정될 미지의 임피던스의 측정 정확도에 체계적으로 영향을 미친다. 이들 임피던스는 감지-가드 임피던스, 가드-접지 임피던스, 감지-감지 전류 측정 회로 임피던스 그리고 가드-신호 전압 소스 입피던스를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.

따라서, 본 발명의 목적은 주입된 RF 전류에 의한 간섭에 영향을 덜 받는 용량성 감지 장치의 전류 측정 회로를 제공하는 것이며, 측정 정확도에 대한 가드-감지 임피던스의 영향이 감소되고 복소 감지 전류를 빠르게 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 목적은 주기 신호 전압원, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 및 디멀티플렉서 회로를 포함하는 로딩 모드에서 동작하는 가드 감지 용량성 센서의 복소 감지 전류를 결정하도록 구성되는 복소 전류 측정 회로에 의해 달성된다.

주기 신호 전압원은 용량성 센서의 적어도 하나의 가드 안테나 전극에 전기적으로 연결될 수 있는 출력 포트에서 주기 전기 측정 신호를 제공하도록 구성된다.

차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로는 적어도 하나의 전자 증폭기, 적어도 2 개의 차동 신호 입력 라인 및 적어도 하나의 신호 출력을 포함한다.

디멀티플렉서 회로는 디멀티플렉서, 신호 입력 라인, 복수의 신호 출력 라인 및 스위칭 동작을 제어하기 위한 국부 발진기를 포함한다. 용량성 센서의 적어도 하나의 감지 안테나 전극은 신호 입력 라인에 전기적으로 연결될 수 있다. 신호 출력 라인들 각각은 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로의 적어도 2 개의 차동 신호 입력 라인들과 상이한 하나에 전기적으로 연결된다.

디멀티플렉서 회로 (Demultiplexer circuit, DMX)는 3 개 또는 4 개의 신호 출력 라인을 포함하고, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (Differential Trans-impedance Amplifier circuit, DTA)는 3 개의 신호 출력 라인의 경우 각각 신호 입력 포트를 갖는 3 개의 연산 증폭기를 포함하고, 4 개의 신호 출력 라인의 경우 각각 2 개의 신호 입력 포트를 갖는 2 개의 차동 증폭기를 포함한다. 각 신호 출력 라인은 다른 신호 입력 포트에 전기적으로 연결된다.

각각의 차동 신호 입력 라인에 대해,

주기 신호 전압원의 출력 포트와 차동 신호 입력 라인 사이에 커패시터가 전기적으로 연결되고, 전기 측정 신호의 동작 주파수에서 커패시터의 임피던스는 0 Ohm에 가까운 미리 결정된 값보다 낮고; 또는

디멀티플렉서 회로의 신호 출력 라인 중 다른 하나에 갈바닉 연결이 제공된다.

차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로의 적어도 하나의 차동 신호 출력에 제공된 출력 신호는 복소 감지 전류를 결정하기 위해 사용될 수 있다.

복소 감지 전류는 적어도 하나의 감지 안테나 전극에 대한 대상체의 위치를 나타내는 미지의 임피던스를 나타낸다.

본 출원에서 사용되는 "구성되는"이라는 문구는 특히 프로그래밍, 배치, 제공 또는 배열되는 것으로 구체적으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용되는 용어 "가드 감지 용량성 센서"는 특히 적어도 하나의 전기 전도성 감지 안테나 전극 및 적어도 하나의 전기 전도성 가드 안테나 전극을 포함하는 용량성 센서로서 이해되어야 한다. 상기 전기 전도성 감지 안테나 전극 및 전기 전도성 가드 안테나 전극은 서로 전기적으로 분리되어 있으며 일반적으로 서로 가까이 배치되어 있다.

본 출원에서 사용되는 "전기적으로 연결 가능한 / 전기적으로 연결된"이라는 어구는 용량성 및/또는 유도성 전자기 결합에 의해 확립된 전기적 연결뿐만 아니라 갈바닉 전기 연결을 포함하는 것으로 이해되어야한다.

전기 측정 신호는 사인파 신호인 것이 바람직하지만 반드시 그런 것은 아니라는 의미로 이해될 것이다. 사인파 신호의 경우 작동 주파수는 예를 들어 기본 주파수, 즉 주기 전기 측정 신호의 푸리에 분석에서 가장 낮은 정현파 주파수이다.

커패시터의 커패시턴스는 바람직하게는 동작 또는 기본 주파수에서의 임피던스가 100 Ohm 미만, 바람직하게는 10 Ohm 미만, 보다 바람직하게는 1 Ohm 미만, 가장 바람직하게는 100 mOhm 미만이되도록 선택된다.

제안된 복소 전류 측정 회로에서, 복소 감지 전류는 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로의 차동 신호 입력으로 디멀티플렉스된다. 적어도 2 개의 차동 신호 입력 라인에서의 전압은 적어도 하나의 가드 안테나 전극의 전위로 유지된다. 제안된 복소 전류 측정 회로에 의해, 용량 감지 장치의 측정 정확도에 대한 감지-가드 임피던스의 영향이 실질적으로 감소 될 수 있다. 또한, 제안된 복소 전류 측정 회로는 BCI 테스트에서 주입된 RF 전류와 같은 RF 전류에 의한 간섭에 덜 민감하다. 또한, 제안된 복소 전류 측정 회로에서 3 개 또는 4 개의 신호 출력 라인과 적절한 수의 연산 증폭기 또는 차동 증폭기를 갖는 디멀티플렉서 회로를 사용하면 복소 감지 전류를 신속하게 결정할 수 있다. 서로 다른 전자 증폭기의 차동 신호 입력에서 신호의 위상차가 정의된 복소 전류 측정이 가능하다. 알려진 복소 전류 측정 회로와 비교하여, 이는 복소 감지 전류의 동 위상 및 직교 위상 부분을 더 빨리 결정하게 하여 미지의 임피던스를 계산하는 데 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 전류 측정 회로는 자동차 응용에 특히 유리하게 적용 가능한데, 그 응용은 특히 승용차, 트럭 및 버스를 위한 응용을 포함하는 것으로 이해 될 수 있다.

차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로는 외부 회로로서 복수의 수동 전자 부품을 더 포함 할 수 있다는 것은 당업자에게 쉽게 이해 될 것이다.

차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로의 적어도 하나의 신호 출력은 차동 신호 출력으로써 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 적어도 하나의 신호 출력이 단일 종단 출력으로 설계되는 것도 고려된다.

바람직하게는, 전기 측정 신호는 10 kHz 내지 100 MHz 범위의 기본 주파수를 갖는 정현파 전압 신호로서 형성된다. 이것에 의해, 복소 전류 측정 회로의 레이아웃이 특정 응용에 필요한 하드웨어적인 노력과 감도 사이에서 균형을 이루어 활성화 될 수 있다.

바람직하게는, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로는 둘 이상의 연산 증폭기를 포함한다. 이 실시 예는 공통 모드 전류 억제가 필요하지 않은 경우에도 적합하다. 바람직하게는, 2 개 이상의 증폭기의 출력 라인의 차이는 추가 신호 처리를 위해 취해진다.

적합한 실시 예에서, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로에서 2 개 이상의 증폭기를 사용하면 2 개의 복수 전류 측정 경로를 설치하여 병렬로 동작 할 수 있다.

디멀티플렉서 회로가 복수의 3 개 또는 4 개의 신호 출력 라인을 포함할 때, 전기 측정 신호의 동작 또는 기본 주파수는 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 스위칭 동작 주파수와 미리 결정된 허용오차 마진 내에서 동일 할 수 있다는 점이 이해 될 것이다. 또는 전기 측정 신호의 동작 또는 기본 주파수는 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 스위칭 동작 주파수와 0과 다른 미리 결정된 정량만큼 다를 수 있다. 전자의 경우, 전기 측정 신호와 국부 발진기 사이에 정의된 위상차를 갖는 복소 전류 측정이 가능하다. 후자의 경우, 2 개의 주파수의 차이와 동일한 중간 주파수가 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로의 차동 신호 출력에서 생성된다. 중간 주파수의 존재는 신호에서 DC 오프셋 전압을 제거하는데 유리하게 사용될 수 있다.

바람직하게는, 미리 결정된 허용오차 마진은 0.1 %보다 낮을 수 있다. 예를 들어 일반적인 주파수 7MHz, 측정 시간 10ms, 위상 오차 1 도의 경우 최대 주파수 차이는 0.28Hz이며 0.04ppm이다.

복소 전류 측정 회로의 바람직한 실시 예에서, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로는 적어도 하나의 전류 컨베이어 아날로그 전자 장치를 포함한다.

전류 컨베이어 아날로그 전자 장치 (또는 짧게 : 전류 컨베이어)는 다양한 유형 (타입 I, II 및 III)으로 당 업계에 공지되어 있다. 전류 컨베이어는 3 단자 (X, Y, Z) 아날로그 전자 장치이다 (도 9 ~ 11 참조). 예를 들어 II 형 (짧게 CCII)의 전류 컨베이어는 공식적으로 다음 방정식으로 설명할 수 있다.

i.e. iy = 0

vx = vy

iz = ±ix

ix 앞의 부호는 각각 CCII + 및 CCII-와 관련이 있다.

고려된 전류 컨베이어의 특성은 예를 들어 K.C. 스미스와 A.S. Sedra, "전류 컨베이어-새로운 빌딩 블록"IEEE Proc., 56, pp 1368-1369, 1968 및 Sedra A., Smith K., "2 세대 전류 컨베이어 및 그 응용 프로그램", IEEE Trans , vol. CT-17, pp 132-134, 1970에 기술되어 있다. 이 문서들은 그 전체가 참조로 포함되도록 허용하는 관할권 효력을 발휘하여 참조로 포함된다.

차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로에서 적어도 하나의 전류 컨베이어의 사용은 디멀티플렉서 회로의 신호 출력에 실질적으로 더 작은 AC 입력 임피던스를 제공 할 수 있고, 이에 의해 주기 신호 전압원의 출력 포트와 차동 트랜스 임피던스 회로의 차동 신호 입력 라인 사이에 더 작은 커패시턴스 값의 커패시터를 사용할 수 있게 한다. 또한, 전류 컨베이어의 거의 완벽한 입력 및 출력 임피던스 특성에 의해, 복소 전류 측정 회로에 대한 전반적인 성능 개선이 달성될 수 있다.

바람직하게는, 타입 II (CCII + 및 / 또는 CCII-)의 전류 컨베이어가 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로에 사용된다.

바람직하게는, 적어도 하나의 전류 컨베이어 아날로그 전자 장치는 개별 구성 요소로 구성된다. 이를 통해 복소 전류 측정을 위해 특히 비용 효율적인 솔루션을 제공 할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제안된 복소 전류 측정 회로를 사용하여 로딩 모드에서 동작된 가드 감지 용량성 센서의 복소 감지 전류를 결정하는 방법이 제공되며, 여기서 전기 측정 신호의 동작 주파수는 다음과 같다. 미리 결정된 허용오차 마진 내에서 디멀티플렉서 회로의 국부 발진기의 동작 주파수와 동일하다. 복수 전류 측정 회로와 관련하여 설명된 이점은 이 방법에 전체적으로 적용된다.

본 방법은 다음의 단계들을 포함한다:

용량성 센서의 하나 이상의 가드 안테나 전극에 주기 전기 측정 신호를 제공하는 단계,

주기 신호 전압원과 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 스위칭 동작 사이의 위상차를, 위상들 중 하나의 절대 값이 선험적으로 알려진 제 1 위상 값으로 설정하는 단계,

그 다음, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로의 차동 신호 출력 라인에서 전압 또는 전압 차이를 결정하는 단계,

그 다음, 주기 신호 전압원과 디멀티플렉서 회로의 스위칭 동작 사이의 위상차를 제 1 위상 값과 다른 제 2 위상 값으로 설정하는 단계, 및

그 다음, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로의 차동 신호 출력 라인에서 전압 또는 전압 차이를 결정하는 단계.

"제 1"및 "제 2"라는 용어는 본 출원에서 구별 목적으로만 사용되며, 어떠한 방식으로도 서열 또는 우선 순위를 나타내거나 예상하는 것을 의미하지 않는다는 것이 주목된다.

2 개의 상이한 위상차에서 결정된 전압 차를 사용함으로써, 미지의 복소 임피던스의 값이 계산 될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제안된 복소 전류 측정 회로를 사용하여 로딩 모드에서 동작된 가드 감지 용량성 센서의 복소 감지 전류를 결정하기 위한 대안적인 방법이 제공되며, 여기서 전기적 측정 신호의 동작 주파수 또는 기본 주파수는 디멀티플렉서 회로의 국부 발진기의 동작 주파수와 0과 다른 미리 결정된 양만큼 다르다. 이 복소 전류 측정 회로와 관련하여 설명된 중간 주파수를 사용하는 이점은 이 방법에 전체적으로 적용된다.

본 방법은 다음의 단계들을 포함한다 :

그 다음, 전기 측정 신호의 동작 주파수 또는 기본 주파수와 국부 발진기의 동작 주파수 또는 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 스위칭의 동작 주파수의 차이와 동일한 측정 주파수에서, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로의 차동 신호 출력에서의 복소 전압 차이를 결정하는 단계;

그 다음, 디멀티플렉서 회로의 신호 입력 라인의 업스트림(upstream)으로 원격 스위칭 가능한 기준 임피던스를 전기적으로 연결하는 단계, 및

그 다음에, 측정 주파수에서 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로의 차동 신호 출력에서 복소 전압 차이를 결정하는 단계.

다시, 2 개의 상이한 위상차에서 결정된 전압 차를 사용함으로써, 미지의 복소 임피던스의 값이 계산 될 수 있다.

본 발명은 대칭 신호 처리 경로로 인해, 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 대역폭 밖에 있는 외부로부터 주입된 전류가 차동 신호 입력 라인 및 차동 신호 입력 라인에서의 공통 모드 전류로 나타나고, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)의 차동 신호 출력에서 실질적으로 제거되는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 디멀티플렉서 회로(DMX)의 신호 입력 라인의 업스트림에서 원격으로 스위칭 가능한 기준 임피던스를 전기적으로 연결하고, 진폭 및 위상 또는 중간 주파수 신호의 I 성분 (in-phase) 및 Q (quadrature) 성분 들을 다시 측정함으로써, 미지의 임피던스 (4)의 복소 임피던스가 계산 될 수 있다. 중간 주파수를 사용하면 신호 체인의 DC 오프셋이 제거된다는 이점이 있다.

본 발명은 커패시턴스 값의 감소를 가능하게 하거나 또는 커패시터의 제거를 가능하게 한다.

본 발명의 추가 세부 사항 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 실시 예를 제한하지 않는 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 복소 전류 측정 회로의 가능한 실시 예의 레이아웃을 도시하고,
도 3은 본 발명에 따른 복소 전류 측정 회로의 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로를 위한 차동 증폭기의 가능한 실시 예의 레이아웃이다.

도 1 및 도 2는 로딩 모드에서 동작하는 가드 감지 용량성 센서의 복소 감지 전류를 결정하도록 구성된 본 발명에 따른 복소 전류 측정 회로의 가능한 실시 예의 레이아웃을 도시한다.

복소 전류 측정 회로는 주기 신호 전압원 (1)을 포함한다. 이 특정 실시 예에서 출력 포트에서 10kHz 내지 100MHz의 동작 주파수 또는 기본 주파수를 갖는 사인파인 주기적 전압을 생성한다. 출력 포트는 가드 노드 (2)에서 용량성 센서의 가드 안테나 전극에 전기적으로 연결된다.

복소 전류 측정 회로는 디멀티플렉서 (7), 신호 입력 라인 및 복수의 4 개의 신호 출력 라인을 갖는 디멀티플렉서 회로 (DMX) 및 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)를 더 포함한다. 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)는 4 개의 차동 신호 입력 라인 (8, 8 ', 9, 9') 및 차동 신호 출력 (16, 16 ', 21, 21')을 포함한다. 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 신호 출력 라인들 각각은 차동 전송 임피던스 증폭기 회로 (DTA)의 4 개의 차동 신호 입력 라인들 (8, 8 ', 9, 9') 중 다른 하나에 전기적으로 연결된다.

용량성 센서의 감지 안테나 전극은 감지 노드 (3)에서 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 신호 입력 라인에 전기적으로 연결된다. 용량성 센서의 감지 안테나 전극과 가드 안테나 전극 사이의 기생 용량은 커패시터 (5)로 예시된다. 감지 안테나 전극에 접근하는 대상체는 도 1의 레이아웃에서 접지 전위에 연결된 미지의 임피던스 4 (단순하게 하기 위해 커패시터로 도시되어 있지만, 미지의 임피던스 4는 유도성 및/또는 저항성을 가질 수 있음)로 표현된다.

디멀티플렉서 회로 (DMX)는 복수의 4 개의 신호 출력 라인을 포함한다. 디멀티플렉서 (7)는 4 개의 스위치 (40, 41, 42, 43) 및 시퀀서 (44)로 표시된다. 스위치 (40, 41, 42, 43)는 시퀀서 (44)에 의해 하나씩 차례로 켜진다. 예를 들어, 주기 전기 측정 신호의 1분기(1/4) 동안 스위치 (40)는 켜진다. 주기 전기 측정 신호의 2분기(2/4) 동안 스위치 (42)가 켜진다. 주기 전기 측정 신호의 3분기(3/4) 동안 스위치 (41)가 켜진다. 주기 전기 측정 신호의 4분기(4/4) 동안 스위치 (43)가 켜진다. 스위치 (40, 41)로 구성된 복조기는 스위치 (42, 43)로 구성된 복조기와 비교하여 90 도의 위상차로 동작하므로, 차동 신호 출력 (16, 21)과 차동 신호 출력 (16 ', 21') 사이의 출력 전압 차이는 미지의 임피던스 4를 통해 흐르는 복소 미지 전류의 동 위상(in-phase) 및 직교 위상 부분 인 것으로 간주될 수 있다. 이어서, 상기 위상 및 직교 위상 부분은 전술한 바와 같이 미지의 임피던스 4의 값을 계산하는데 사용될 수 있다.

2 개의 병렬 복조 경로는 미지의 임피던스 (4)의 실수 부와 허수 부를 동시에 측정 할 수있게 하여 측정 시간을 감소시킨다.

스위치들 (40, 41, 42, 43)의 스위칭 주파수 (즉, 국부 발진기 (45)의 주파수의 1/4)는 주기 신호 전압원 (1)과 동일한 주파수로 설정될 수 있거나 또는 주파수 차이가 도입될 수 있다.

차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)는 공통 모드 전압 제어 입력 (31, 31 ') 피드백 커패시터 (13, 13'18, 18 '), 피드백 저항 (14, 14', 19, 19 ') 및 디커플링 저항 (12, 12 '17, 17')을 갖는 2 개의 차동 증폭기 (30, 30')를 포함한다. 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)는 입력 전류의 차이를 차동 신호 입력 라인 (8, 8 ')으로, 차동 신호 입력 라인 (9, 9')을 차동 신호 출력 (16, 16 ')과 차동 신호 출력(21, 21 ') 사이의 전압 차로 변환한다. 트랜스 임피던스는 저항(14, 14 ') 및 저항 (19, 19'), 및 커패시터 (13, 13 ') 및 커패시터 (18, 18')에 의해 정의된다. 바람직하게는, 저항 (14, 14 ') 및 저항 (19, 19')은 동일한 저항 값을 가지며, 커패시터 (13, 13 ') 및 커패시터 (18, 18')는 동일한 정전 용량 값을 갖는다. 또한, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)는 차동 신호 입력 라인 (8, 8 ')과 차동 신호 입력 라인 (9, 9') 사이의 DC 전압 차이를 실질적으로 0V로 유지한다. 또한, DC 전압을 차동 상태로 유지한다. 또한, 차동 신호 입력 라인 (8, 8 ') 및 차동 신호 입력 라인 (9, 9')에서의 DC 전압을 공통 모드 전압 제어 입력 (31, 31 ')에서 DC 전압과 실질적으로 동일하게 유지한다.

복소 임피던스 (4)를 통해 기생 용량 (5)으로의 미지의 복소 전류의 편차를 실질적으로 제거하기 위해, 가드 노드 (2)와 감지 노드 (3) 사이의 복소 전류 측정 회로의 AC 입력 임피던스는 전기 측정 신호의 작동 주파수 또는 기본 주파수에서 실질적으로 0 옴(ohms)으로 유지되어야 한다. 이것은 차동 신호 입력 라인 (8, 8 ') 및 차동 신호 입력 라인 (9, 9')의 전압을 가드 노드 (2)의 전압과 실질적으로 동일한 전압으로 유지함으로써 수행 될 수 있다. 이를 달성하기 위한 두 가지 옵션이 있다.

옵션 # 1 (도 1에는 표시되지 않음) : 커패시터 10, 10 ', 11, 11'를 설치하지 않은 경우 디커플링 저항 (12, 12 ', 17, 17')을 실질적으로 0 옴(ohms)으로 설정될 수 있다. 이 경우에, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)는 차동 신호 입력 라인 (8, 8 ') 및 차동 신호 입력 라인 (9, 9')에서의 전압을 가드 노드 (2)에서의 전압과 실질적으로 동일하게 설정한다.

옵션 # 2 (도 1 참조) : 전기 측정 신호의 작동 주파수 또는 기본 주파수에서 실질적으로 0 옴의 임피던스를 갖는 커패시터 10, 10 '및 커패시터 11, 11'추가함. 디커플링 저항 (12, 12 ', 17, 17')은 차동 신호 입력 라인 (8, 8 ') 및 차동 신호 입력 라인 (9, 9')에서의 용량성 부하로 인해 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)가 불안정 해지는 것을 방지한다. 옵션 # 2는 외부로부터, 예를 들어 소위 BCI (대량 전류 주입) 시험 동안 주입된 실질적으로 모든 전류가 차동 증폭기 (30, 30 ')로부터 가드 노드 (2)로 이탈되는 이점을 갖는다. 바람직하게는 저항 (12, 12 ') 및 저항 (17, 17')은 동일한 저항 값을 갖는다.

옵션 # 2는 대신 복소 전류 측정 회로의 실시 예의 사용을 허용하며, 여기서 공통 모드 전압 제어 입력 (31, 31 ')은 AC 접지에 연결된다. 이 경우 모든 커패시터 (10, 10 ', 11, 11')를 조립해야 한다.

도 1에 따른 복소 전류 측정 회로의 실시 예들의 추가적인 이점은 대칭 신호 처리 경로로 인해, 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 대역폭 밖에있는 외부로부터 주입된 전류가 차동 신호 입력 라인 (8, 8 ') 및 차동 신호 입력 라인 (9, 9')에서의 공통 모드 전류로 나타나고, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)의 차동 신호 출력에서 실질적으로 제거된다.

도 1에 따른 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)의 차동 신호 출력 사이의 전압 차는, 예를 들어 필터 및 증폭기를 포함하는 차동 신호 체인에 의해 추가로 처리 될 수 있다. 바람직하게는, 차동 입력을 갖는 아날로그-디지털 변환기 (analog-to-digital converter, ADC)는 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)의 차동 신호 출력에 연결되거나 또는 차동 신호 처리 체인의 끝에 연결될 수 있어, 전체 체인에 걸쳐 신호 처리의 차동 특성을 유지함으로써 외부 방해 원(source)에 대한 민감성을 최적으로 줄인다.

추가 처리를 위해, 도 1에 따라 복소 전류 측정 회로의 차동 출력 라인 중 하나만을 사용하는 것이 또한 가능하다. 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로의 공통 모드 억제 동작은 여전히 유지된다.

도 1 및 도 2에 따른 복소 전류 측정 회로의 실시 예를 사용하여 가드 감지 용량성 센서의 복소 감지 전류를 결정하는 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다. 제 1 단계에서, 주기 전기 측정 신호는 용량성 센서의 가드 안테나 전극에 제공된다. 제 2 단계에서, 주기 신호 전압원 (1)과 국부 발진기 (45, 54) 사이의 위상차는 위상들 중 하나의 절대 값이 선험적으로 알려져 있는 제 1 위상 값으로 설정된다. 다음 단계에서, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)의 차동 신호 출력에서의 전압 차이가 결정된다. 다른 단계에서, 주기 신호 전압원 (1)과 국부 발진기 (45, 54) 사이의 위상차는 제 1 위상 값과 다른 제 2 위상 값으로 설정된다. 다음 단계에서, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)의 차동 신호 출력에서의 전압 차이가 결정된다. 다음 단계에서, 2 개의 측정 결과는 알려지지 않은 복소 임피던스 4의 값을 계산하는데 사용된다. 알려진 2 개의 절대 위상과 알려진 가드 전압으로, 알려지지 않은 임피던스 4를 계산하기에 충분한 정보가 있다.

대신, 2 개의 위상들 사이의 위상차 만이 알려져 있는 경우, 미지의 임피던스(4)를 계산할 수 있도록 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 신호 입력 라인의 업스트림에 전기적으로 연결된 종래 공지의 원격 스위칭 가능한 기준 임피던스로 기준 측정이 수행될 수 있다.

또한, 디멀티플렉서 회로 (DMX) 이후 신호 체인에 DC 오프셋이 있으면, 추가 측정 단계가 도입 될 수 있다. 추가적인 독립 측정을 구현하면 추가적인 미지의 값이 계산되거나 제거 될 수 있다. 추가 측정 결과를 결합하여 DC 오프셋을 제거 할 수 있다.

주기 신호 전압원 (1)과 국부 발진기 (45, 54)를 동일한 동작 주파수 또는 기본 주파수로 동작시키는 것 대신에, 영(zero)와 다른 기 설정된 정량의 주파수 오프셋이 그것들 사이에 설정 될 수 있다. 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 믹싱 동작으로 인해, 이들 두 주파수의 차이는 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)의 차동 신호 출력에서 AC 전압의 중간 주파수로 나타난다. 이 중간 주파수 AC 신호의 진폭 및 절대 위상은 미지의 임피던스(4)의 복소 임피던스에 의존한다. 디멀티플렉서 회로(DMX)의 신호 입력 라인의 업스트림에서 원격으로 스위칭 가능한 기준 임피던스를 전기적으로 연결하고, 진폭 및 위상 또는 중간 주파수 신호의 I 성분 (in-phase) 및 Q (quadrature) 성분 들을 다시 측정함으로써, 미지의 임피던스 (4)의 복소 임피던스가 계산 될 수 있다. 중간 주파수를 사용하면 신호 체인의 DC 오프셋이 제거된다는 이점이 있다.

도 1에 도시된 차동 증폭기 (30, 30 ')를 설계하는 하나의 옵션이 도 3에 도시되어 있다. 연산 증폭기 (24)는 차동 증폭기 (30)의 포지티브(positive) 출력에 대한 출력 신호를 생성한다. 저항 (26) 및 저항기 (27)과 함께 연산 증폭기 (25)는 공통 모드 전압 제어 입력 (31)을 기준으로 하여, 연산 증폭기 (24)의 출력을 반전시킨다. 이에 의해 차동 증폭기 (30)의 네거티브 출력에 대한 출력 신호를 생성한다. 저항 (26)과 저항 (27)은 동일한 값을 갖는 것이 바람직하다.

도 2는 단지 3 개의 복조 스위치 (50, 51, 52) 및 3 개의 연산 증폭기 (15, 20, 61)만을 사용함으로써 미지의 임피던스 (4)의 실수 부와 허수 부의 병렬 측정을 허용하는 복소 전류 측정 회로를 도시한다. 디멀티플렉서 회로 (DMX)는 복수의 3 개의 신호 출력 라인을 포함한다. 디멀티플렉서 (7)는 3 개의 스위치 (50, 51, 52) 및 시퀀서 (53)에 의해 표시된다. 스위치 (50, 51, 52)는 국부 발진기 (54)에 의해 구동되는 시퀀서 (53)에 의해 하나씩 차례로 켜진다. 예를 들어, 주기 전기 측정 신호의 첫 번째 1/3 동안, 스위치 (50)가 켜진다. 주기 전기 측정 신호의 두 번째 1/3 동안, 스위치 (51)가 켜진다. 주기 전기 측정 신호의 세 번째 1/3 동안, 스위치 (52)가 켜진다. 각각의 스위치 (50, 51, 52)로 구성된 3 개의 복조기는 120 도의 위상차로 작동하므로, 차동 신호 출력 (16, 21, 62)에서의 결과 출력 전압은 독립적이며 미지의 임피던스 (4)를 통해 흐르는 미지의 복소 전류의 동 위상(in-phase) 및 직교 위상 부분을 계산하는 데 사용될 수 있다. 동 위상 및 직교 위상 부분은 전술 한 바와 같이 미지의 임피던스 (4)의 값을 계산하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, V₁₆, V₂₁, V₆₂에 의해 차동 신호 출력 (16, 21, 62)의 출력 전압을 각각 나타내면, 동상 전압 V_i 및 직교 위상 전압 V_q는 다음에 의해 계산 될 수 있다.

또한, 스위치 (50, 51, 52)의 스위칭 주파수 (즉, 국부 발진기 (54)의 주파수의 1/3)는 주기 신호 전압원 (1)과 동일한 주파수로 설정 될 수 있거나 또는 주파수 차이가 전술한 실시 예와 유사하게 도입 될 수 있다.

전술 한 바와 같이, CCII 회로는 입력 포트 'X'의 입력 전류를 출력 포트 'Z'의 출력 전류로 전달한다. 복조 디멀티플렉서 회로 DMX의 신호 출력 라인과 차동 증폭기 30 (도 1) 사이에 CCII 회로를 사용하는 이점은 CCII 회로가 복조 디멀티플렉서 회로(DMX)에 (X 포트에서) AC 입력 임피던스를 제공한다는 것이다. 이는 차동 증폭기 (30, 30 ')의 AC 입력 임피던스보다 실질적으로 작게 만들어 질 수 있다.

이는 도 2에서 커패시턴스 값의 감소를 가능하게 하거나 또는 커패시터 (10, 10 ', 11, 11')의 제거를 가능하게 한다. 커패시턴스 값의 감소 또는 커패시터 (10, 10 ', 11, 11')의 제거는, 그 값이 너무 높으면 (예를 들어, 전형적으로 100 pF 초과) 집적 회로에 통합하기가 비싸다.

또한, 복조 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 신호 출력 라인과 연산 증폭기 (15, 20, 61) 사이에 CCII 회로를 배치함으로써, 도 2의 회로는 커패시터 (10, 11, 60)의 값을 제거 또는 감소시켜 개선 될 수 있다.

본 발명이 도면 및 전술한 설명에서 상세하게 도시되고 설명되었지만, 이러한 예시 및 설명은 예시적이며, 예시적인 것으로 제한되지 않는다; 본 발명은 개시된 실시 예로 제한되지 않는다.

개시된 실시 예들에 대한 다른 변형들은 청구된 발명을 실시 할 때 도면, 개시 및 첨부 된 청구 범위의 연구로부터 당업자에 의해 이해되고 영향을 받을 수 있다. 청구 범위에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정 관사 "a"또는 "an"은 복수를 배제하지 않으며, 이는 적어도 2 개의 양을 나타내는 것을 의미한다. 특정 조치들이 서로 다른 종속 항들에서 인용된다는 사실은 이러한 조치들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다. 청구 범위의 임의의 참조 부호는 제한적인 범위로 해석되어서는 안된다.

1 주기 신호 전압원
2 가드 노드
3 감지 노드
4 미지의 임피던스
5 커패시터
7 디멀티플렉서
8 차동 신호 입력 라인
9 차동 신호 입력 라인
10 커패시터
11 커패시터
12 디커플링 저항
13 피드백 커패시터
14 피드백 저항
15 연산 증폭기
16 차동 신호 출력
17 디커플링 저항
18 피드백 커패시터
19 피드백 저항
20 연산 증폭기
21 차동 신호 출력
24 연산 증폭기
25 연산 증폭기
26 저항
27 저항
30 차동 증폭기
31 공통 모드 전압 제어 입력
40 스위치
41 스위치
42 스위치
43 스위치
44 시퀀서
45 국부 발진기
50 스위치
51 스위치
52 스위치
53 시퀀서
54 국부 발진기
60 커패시터
61 연산 증폭기
62 신호 출력
DMX 디멀티플렉서 회로
DTA 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로

Claims

로딩 모드에서 동작하는 가드 감지 용량성 센서의 복소 감지 전류를 결정하도록 구성된 복소 전류 측정 회로에 있어서,
용량성 센서의 하나 이상의 가드 안테나 전극에 전기적으로 연결될 수 있는 출력 포트에서 주기 전기 측정 신호를 제공하도록 구성된 주기 신호 전압원 (1);
적어도 하나의 전자 증폭기 (30, 30 '; 15, 20, 61), 적어도 2 개의 차동 신호 입력 라인 (8, 8', 9, 9 ') 및 적어도 하나의 신호 출력 (16, 16 ', 21, 21'; 16, 21, 62)을 포함하는 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA); 및
디멀티플렉서 (7), 신호 입력 라인, 복수의 신호 출력 라인 및 스위칭 동작을 제어하기 위한 국부 발진기 (45; 54)를 포함하는 디멀티플렉서 회로 (DMX)를 포함하고, 여기서 상기 용량성 센서의 적어도 하나의 감지 안테나 전극은 상기 신호 입력 라인에 전기적으로 연결 가능하고, 상기 신호 출력 라인들 각각은 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로(DTA)의 상기 적어도 2 개의 차동 신호 입력 라인들(8, 8 ', 9, 9') 중 다른 하나에 전기적으로 연결되고, 디멀티플렉서 회로 (DMX)는 3 개 또는 4 개의 신호 출력 라인을 포함하고, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)는 3 개의 신호 출력 라인의 경우 각각 신호 입력 포트를 갖는 3 개의 연산 증폭기 (15, 20, 61)를 포함하고, 4 개의 신호 출력 라인의 경우, 각각 2 개의 신호 입력 포트를 갖는 2 개의 차동 증폭기 (30, 30 ')를 포함하고, 각각의 신호 출력 라인은 신호 입력 포트 중 다른 하나에 전기적으로 연결되는 점을 특징으로 하며,
각각의 차동 신호 입력 라인 (8, 8 ', 9, 9')에 대하여,
주기 신호 전압원 (1)의 출력 포트와 차동 신호 입력 라인 (8, 8 ', 9, 9') 사이에 커패시터 (10, 11; 10, 11, 60)가 전기적으로 연결되거나,
디멀티플렉서 회로 (DMX)의 신호 출력 라인 (8, 8 ', 9, 9') 중 다른 하나에 갈바니 연결이 제공되는 점을 특징으로 하며,
여기서 상기 커패시터 (10, 11; 10, 11, 60)의 임피던스는 전기 측정 신호의 동작 주파수에서 0 옴(Ohm)에 가까운 미리 결정된 값보다 낮고,
상기 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)의 상기 적어도 하나의 차동 신호 출력 (16, 21; 16, 21, 62)에 제공된 출력 신호는 상기 복소 감지 전류를 결정하기 위해 사용될 수 있는 점을 특징으로 하는,
복소 전류 측정 회로.
제 1 항에 있어서, 상기 전기 측정 신호는 10kHz 내지 100MHz 범위의 기본 주파수를 갖는 정현파 전압 신호로 형성되는 것인 복소 전류 측정 회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)는 2 이상의 연산 증폭기 (15, 20, 21)를 포함하는 것인 복소 전류 측정 회로.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 측정 신호의 동작 주파수 또는 기본 주파수는 미리 결정된 허용오차 마진 내에서 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 스위칭 동작 주파수와 동일한 것 인 복소 전류 측정 회로.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 측정 신호의 동작 주파수 또는 기본 주파수는 0과 다른 미리 결정된 양만큼 상기 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 스위칭 동작 주파수와 다른, 복소 전류 측정 회로.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)는 적어도 하나의 전류 컨베이어 아날로그 전자 장치를 포함하는 것 인 복소 전류 측정 회로.
제 6 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전류 컨베이어 아날로그 전자 장치는 개별 구성 요소로 구성되는 것인 복소 전류 측정 회로.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 복소 전류 측정 회로를 사용하여 로딩 모드에서 동작하는 가드 감지 용량성 센서의 복소 감지 전류를 결정하는 방법에 있어서,
용량성 센서의 하나 이상의 가드 안테나 전극에 주기 전기 측정 신호를 제공하는 단계;
주기 신호 전압원 (1)과 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 스위칭 동작 사이의 위상차를, 위상들 중 하나의 절대 값이 선험적으로 알려진 제 1 위상 값으로 설정하는 단계;
차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)의 차동 신호 출력 (16, 16 ', 21, 21'; 16, 21, 62)에서의 전압을 결정하는 단계;
주기 신호 전압원 (1)과 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 스위칭 동작 사이의 위상차를 제 1 위상 값과 다른 제 2 위상 값으로 설정하는 단계; 및
차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)의 차동 신호 출력 (16, 16 ', 21, 21'; 16, 21, 62)에서의 전압을 결정하는 단계를 포함하는,
복소 감지 전류를 결정하는 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 차동 신호 출력에서 전압을 결정하는 단계는 상기 차동 신호 출력에서 전압 차이를 결정하는 단계를 포함하는, 복소 감지 전류를 결정하는 방법.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 방법은
용량성 센서의 하나 이상의 가드 안테나 전극에 주기 전기 측정 신호를 제공하는 단계;
전기 측정 신호의 동작 주파수 또는 기본 주파수와 국부 발진기(45; 54)의 동작 주파수 또는 디멀티플렉서 회로 (DMX)의 스위칭 동작 주파수의 차이와 동일한 측정 주파수에서, 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)의 차동 신호 출력 (16, 16 ', 21, 21'; 16, 21, 62)에서의 복소 전압 차이를 결정하는 단계;
디멀티플렉서 회로 (DMX)의 신호 입력 라인의 업스트림(upstream)으로 원격 스위칭 가능한 기준 임피던스를 전기적으로 연결하는 단계; 및
측정 주파수에서 차동 트랜스 임피던스 증폭기 회로 (DTA)의 차동 신호 출력 (16, 16 ', 21, 21'; 16, 21, 62)에서의 복소 전압 차이를 결정하는 단계를 포함하는 복소 감지 전류를 결정하는 방법.