确定容性传感器元件中电容和/或电容变化的方法和装置

摘要

本发明涉及确定容性传感器元件中电容和/或电容变化的方法和装置。一种用于确定容性传感器元件(C2)中电容和/或电容变化的方法，包括以下步骤：a)对均值电容器(C3)进行放电，以及或者b1)对容性传感器元件放电和c1)对运行电容器(C1)充电至充电电压(VDD)，或者b2)对运行电容器放电和c2)对容性传感器元件充电至充电电压，d)将运行电容器连接至容性传感器元件，e)将运行电容器连接至均值电容器，以及f)估计运行电容器两端建立的电压或者均值电容器两端建立的电压以确定电容和/或电容变化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定容性传感器元件中电容和/或电容变化的方法和装 置。

背景技术

美国2010/0181180A1公开了一种用于确定容性传感器元件中电容和/或电 容变化的方法和装置，其中，微处理器的内部电容器被用来测量电容。在这种 情况下，首先，对该内部电容器充电并且对该容性传感器元件放电。接着，将 该内部电容器以及容性传感器元件相互连接，估计该内部电容器两端建立起的 电压从而确定电容和/或电容变化。或者，首先对内部电容器放电并对容性传感 器元件充电。

发明内容

以美国2010/0181180A1为基础，本发明基于提供一种用于确定容性传感器 元件中电容和/或电容变化的方法和装置的问题，该方法和装置可以可靠地确定 电容和/或电容变化。

本发明利用根据权利要求1的方法以及根据权利要求9的装置解决这一问 题。

从属权利要求涉及优选的实施例，其从属权利要求的措辞因此通过参考被 合并于发明内容中。

用于确定容性传感器元件中电容和/或电容变化(换句话说，具有未知电容 的电容器，其电容例如以依赖接触(touch-dependent)的方式变化)的方法，包 括步骤：a)对具有已知或未知电容的均值电容器放电，以及或者b1)对容性传 感器元件放电和c1)对具有已知或未知电容的运行电容器充电至已知或未知的 充电电压，然而该充电电压随时间基本上恒定，或者b2)对运行电容器放电和 c2)对容性传感器元件充电至充电电压，d)将运行电容器连接至容性传感器元 件，e)将运行电容器连接至均值电容器，在这种情况下，理所当然地，在再次 实行步骤b1)或b2)之前，预先将运行电容器从容性传感器元件上断开并且接 着将运行电容器从均值电容器上断开，以及f)估计运行电容器两端建立的电压 或者均值电容器两端建立的电压以确定电容和/或电容变化。上述步骤优选地形 成单独的测量循环，该测量循环优选地循环重复以确定进一步的测量值。所述 步骤优选地以所述顺序顺次实行。当充电电压是未知的、并且当参考的和/或均 值电容器的电容是未知的时，就可以监视在运行电容器或者均值电容器两端建 立的电压的变化，例如，通过将当前测量的电压与来自先前测量循环或者多次 先前测量循环的电压进行比较。当电压是已知的并且当电容是已知的时，就可 以例如以计算方式利用建立的电压确定传感器元件的电容。

在一种改进中，在步骤f)前，重复步骤b1)和c1)到e)或者b2)和c2) 到e)预定次数，特别是随时间恒定的若干次，例如五到十五次，在重复后，估 计运行电容器或均值电容器两端建立的电压以确定电容和/或电容变化。或者， 重复步骤b1)和c1)到f)或者b2)和c2)到f)，直到在步骤f)中、当估计 在运行电容器或均值电容器两端建立的电压时在运行电容器或均值电容器两端 建立起预定的阈值电压，另外估计重复的次数以确定电容和/或电容变化。从所 需的重复次数结合预定电压可以确定电容和/或电容变化。

在一种改进中，充电电压是已知的。运行电容器的电容和/或均值电容器的 电容优选地是已知的。

在一种改进中，利用微处理器实行该方法，该微处理器包括：形成运行电 容器的内部电容器；连接到内部电容器的A/D转换器；第一端口，第二端口和 第三端口，其中每一个端口可以配置成输入端或输出端；连接到第二端口的容 性传感器元件；以及连接到第三端口的均值电容器；以及在输入侧连接至端口 且在输出侧连接至内部电容器并连接端口中的一个至内部电容器的多路复用 器。该方法还包括顺次实行的以下步骤：g)将第三端口配置成输出端并在第三 端口输出低信号，h)将第三端口配置成输入端，i)将第一端口配置成输出端并 在第一端口输出高信号，j)将第二端口配置成输出端并在第二端口输出低信号， k)将第二端口配置成输入端，1)设置多路复用器以使内部电容器连接到第一端 口，m)设置多路复用器以使内部电容器连接到第二端口，n)设置多路复用器 以使内部电容器连接到第三端口，o)利用A/D转换器将内部电容器两端出现的 电压数字化成数字电压值，并且p)估计数字化的电压值以确定电容和/或电容 变化。

在步骤o)前，步骤j)到n)优选地重复预定的次数。或者，重复步骤j) 到p)，直到在步骤p)中建立起预定的数字化阈值电压值，另外估计重复的次 数以确定电容和/或电容的变化。

一种用于确定容性传感器元件中电容和/或电容变化的装置被设计成实行上 述的方法并包括：均值电容器，运行电容器，用于使均值电容器放电的设备， 用于使容性传感器元件放电和/或使容性传感器元件充电至充电电压的设备，用 于使运行电容器放电和/或使运行电容器充电至充电电压的设备，用于将运行电 容器连接至容性传感器元件的设备，用于将运行电容器连接至均值电容器的设 备，以及用于估计运行电容器或均值电容器两端建立的电压以确定电容和/或电 容变化的设备。

在一种改进中，装置包括微处理器，其中该微处理器包括形成运行电容器 的内部电容器；连接到内部电容器的A/D转换器；第一端口，第二端口以及第 三端口，每一个端口可以配置为输入端或输出端；连接到第二端口的容性传感 器元件；以及连接到第三端口的均值电容器；在输入侧连接至端口且在输出侧 连接至内部电容器并连接端口中的一个至内部电容器的多路复用器；以及用于 存储程序代码的程序存储器，其中在所述程序代码执行期间实行本方法。

附图说明

本发明的有益实施例在附图中示意性地被说明并且在下面被描述。在这种 情况下：

图1示出了用于确定容性传感器元件中电容和/或电容变化的装置的第一实 施例的框图，以及

图2示出了用于确定容性传感器元件中电容和/或电容变化的装置的另一实 施例的框图。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于确定容性传感器元件C2中电容和/或电容变化的 装置的第一实施例的框图，其中容性传感器元件C2例如具有容性按钮的形式， 其电容以依赖接触(touch-dependent)的方式变化。利用其电子等效电路图对容 性传感器元件C2进行说明。

该装置包括具有已知电容并形成运行电容器的内部电容器C1的微处理器 MP；连接到运行电容器的A/D转换器AD；第一端口P1，第二端口P2以及第 三端口P3，每一个端口可以配置为输入端或输出端；连接至第二端口P2的容 性传感器元件C2；以及连接至第三端口P3的均值电容器C3；在输入侧连接至 端口P1-P3且在输出侧连接至运行电容器C1并且连接端口中的一个到内部电容 器的多路复用器MX；以及用于存储程序代码的程序存储器(不进行详细说明)， 在程序代码执行期间实行根据本发明的方法。

为了确定容性传感器元件C2的电容和/或电容变化，将顺次实行以下步骤：

在步骤1)中，首先将第一端口P1配置成输出端并在第一端口P1输出高 信号，也就是说，微处理器MP的电源电压VDD存在于端口P1。

在步骤2)中，接着将第三端口P3配置成输出端并在第三端口P3输出低 信号，作为结果，在测量开始时，均值电容器C3被放电。

在步骤3)中，接着将第三端口P3配置成输入端从而使得可以对均值电容 器C3逐渐充电。

在步骤4)中，现将第二端口P2配置成输出端并在第二端口P2输出低信 号，作为结果，容性传感器元件C2被放电。

在步骤5)中，接着将第二端口P2配置成输入端从而使得可以对传感器元 件C2充电。

在步骤6)中，现设置多路复用器MX以使内部电容器或者运行电容器C1 连接至第一端口P1，作为结果，内部电容器C1充电至电压VDD作为充电电压。

在步骤7)中，接着设置多路复用器MX以使内部电容器C1连接至第二端 口P2并因此连接至容性传感器元件C2。电荷平衡就现存于电容器C1和C2之 间，也就是说内部电容器C1放电至剩余电荷。

下式应用于步骤7)后内部电容器C1两端的电压：

US7＝C1*VDD/(C1+C2)

在步骤8)中，现设置多路复用器MX以使内部电容器C1连接至第三端口 P3并因此连接至均值电容器C3，作为结果，内部电容器C1的剩余电荷的一部 分转移到均值电容器C3。

在步骤9)中，现重复步骤4-8n次，在此例如4＜n＜25，作为结果，以粗近 似的形式，以下电压是在步骤8)后建立于内部电容器C1以及均值电容器C3 两端的电压：

US8＝C1*US7*n/(C1+C3)

在这种情况下，很单纯化地假设均值电容器C3在考虑的范围内以线性形式 充电。

在步骤10)中，利用A/D转换器AD将电压US8转换成数字电压值，并在 步骤11)中对其进行估计，以确定容性传感器元件C2的电容和/或电容变化。

所述步骤形成测量循环，在依次的测量循环中，重复执行步骤2)到11)。

如果已知电压VDD的值和电容器C1和C3的电容值，就可以计算出电容 器C2的电容，并且由此可以确定容性传感器元件C2的激活状态。如果上述值 是未知的，可以通过形成测量值的差异推断出激活状态的变化，其中测量值来 自于顺次的测量循环。

代替对步骤4到8重复预定的次数(特别是恒定的次数)，在步骤9中，可 以可选择地重复步骤4到8和10以及11直到建立起预定的数字化阈值电压值， 估计重复的次数以确定电容和/或电容变化。

图2示出了用于确定容性传感器元件中电容和/或电容变化的装置的另一实 施例的框图，其中内部多路复用器MX和内部电容器C1具有分立部件的形式。

例如DG508B型号的多路复用器MX’，取决于地址输入端A0到A2的信 号状态，连接输入端S1至S8之一到公用输出端D。地址输入端A0到A3连接 至微处理器(未示出)的端口，其中微处理器以适合的方式驱动它们。均值电 容器C3连接至多路复用器MX’的输入端S8并连接至微处理器的一端口(未示 出)，该端口可以配置为(模拟)输入端和输出端。VDD连接至输入端S5并且 GND连接至输入端S6。

更进一步，容性传感器元件(未示出)可以连接至输入端S1-S3以及S7。

可以按照下述内容驱动或运行图2示出的电路：

首先，将EN控制线设置为“1”。EN控制线可以保持设置，或者为了确保 清晰的切换状态，可以在单独的方法步骤之间简短地复位。

为了将运行电容器C1充电至VDD，设置地址输入端A0-A2以闭合与输入 端S5相关的开关。

为了将电荷从C1转移至C2，设置地址输入端A0-A2以闭合与输入端S4 相关的开关。

为了将剩余电荷从C1转移至C3，设置地址输入端A0-A2以闭合与输入端 S8相关的开关。

现可以对容性传感器元件C2进行放电，例如，通过容性传感器元件C2也 另外连接至微处理器端口，为了放电的目的，微处理器端口被配置成输出端， 在此处输出低信号。或者，通过利用运行电容器C1实行逐渐放电，其中运行电 容器C1首先通过闭合与输入端S6相关的开关而连接至GND进行放电并且接 着连接至容性传感器元件C2以对后者放电。

在对容性传感器元件C2放电后，多次重复上述提及的步骤。接着，利用微 处理器的AD转换器对电容器C3两端的电压进行测量，随后估计该电压以确定 电容。

接着可以通过将相关的微处理器端口配置成输出端并输出低信号，以对均 值电容器C3放电。

接着可以对所有的容性传感器元件重复上述提及的步骤。

在示出的实施例中，在容性传感器元件连接到运行电容器之前，对容性传 感器元件进行放电并对运行电容器充电至充电电压。理所当然地，容性传感器 元件还可以可选择地首先充电至充电电压，并且可以对运行电容器进行放电。

示出的实施例可以以可靠并无干扰的方式确定容性传感器元件的电容和/或 电容变化。