具有偏移补偿的电容式测量电路制造技术

一种用于电容式测量系统(10)的测量电路(12)包括DC电压源(16)、第一开关构件(34)、电荷转移电路(22)、积分电容器(38以及并联电连接至所述积分电容器(38)的电流吸收器(40)。所述电荷转移电路(22)包括有源半导体器件(24)以及用于操作点控制的直流偏置电压源(30)。结合参考电极形成具有未知电容的电容器(20)的至少一个导电电极(14)可电连接至DC电压源(16)以便进行充电，或者可电连接至电荷转移电路(22)，以便向所述积分电容器(38)放电。所述电荷转移电路(22)被配置为在输入端口(26)接收输入电流，并利用所述至少一个有源半导体器件(24)的电流‑电压特性在输出端口(28)给出输出电流，在横跨所述电荷转移电路(22)的输入端口(26)和输出端口(28)的预定电压范围内所述输出电流等于所述输入电流。在预定义次数的充电和放电循环之后横跨所述积分电容器(38)提供的电压表示所述未知电容器(20)的电容。

Capacitive measuring circuit with offset compensation

A measurement circuit (12) for a capacitive measurement system (10) includes a DC voltage source (16), a first switching component (34), a charge transfer circuit (22), an integral capacitor (38) and a current absorber (40) connected in parallel to the integral capacitor (38). The charge transfer circuit (22) includes an active semiconductor device (24) and a DC bias voltage source (30) for operation point control. At least one conductive electrode (14) of a capacitor (20) with an unknown capacitance is formed by combining a reference electrode to electrically connect to a DC voltage source (16) for charging, or electrically to a charge transfer circuit (22) for discharging to the integral capacitor (38). The charge transfer circuit (22) is configured to receive an input current at an input port (26) and to give an output current at an output port (28) using the current and voltage characteristics of at least one active semiconductor device (24). The output current is equal to the input current in a predetermined voltage range across the input port (26) and output port (28) of the charge transfer circuit (22). The voltage provided across the integral capacitor (38) after a predetermined number of charging and discharging cycles represents the capacitance of the unknown capacitor (20).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有偏移补偿的电容式测量电路
本专利技术总体上涉及一种用于电容式测量系统的测量电路、包括这样的测量电路的电容式测量系统以及操作这样的电容式测量系统的方法。
技术介绍
电容式传感器和采用电容式传感器的电容式测量系统具有很宽范围的应用，尤其用于检测导电电极附近的导电体的存在和/或其位置。如本文所使用的，术语“电容式传感器”表示响应于所感测的对象(人、人体的部分、宠物、物体等)对电场所造成的影响而生成信号的传感器。电容式传感器一般包括至少一个导电电极，在所述导电电极处检测物体或者生物对由所述至少一个导电电极与具有参考电势的参考位置或物体形成的电容器的电场的影响。电容式测量系统的示例性应用是车辆座位占用检测和/或分类系统，已知所述系统被用作评估所安装车辆乘客约束系统(例如，气囊)的可能启动的手段。座位占用检测和/或分类系统的输出信号通常被传送至车辆的电子控制单元，以充当(例如)向车辆座位部署气囊系统的决策的基础。电容式传感器的另一应用是机动车的机动化后挡板的自动致动，如(例如)技术专利文献DE2005020140U1中所述。电容式测量系统的令人满意的性能基本上取决于其在所有可能的环境条件和/或传感器周围条件下令人满意地工作的能力，例如，所述条件为空气湿度、潮湿、雨、雪和肮脏街道条件。在这些条件下，电容式传感器的导电电极的电容发生变化，并且对意在应用到具体应用中的电容式传感器的电容的影响将被电容偏移所遮蔽。从信号测量技术的观点来看，这意味着挑战，因为必须在电容偏移所呈现的整个值范围内保持所需测量精确度。作为满足这一要求的一种方式，已知采用参考电压对由所述导电电极形成的电容器充电，之后将所收集的电荷转移至抽样电容器，所述抽样电容器的电容通常是所述导电电极形成的电容器的电容的1000到100000倍。重复所述过程，直到抽样电容器处的电压达到阈值为止。达到阈值所需的转移周期的数量表示所述导电电极形成的电容器的电容。例如，国际申请WO2009/089872A1描述了一种电荷转移电容式传感器，其包括测量电容器、累积电容器、开关器件、比较器和微控制器。所述测量电容器起着在相继的周期性时间间隔内存储作为所要测量的参数的函数的电荷量的作用。提供累积电容器是为了在两个间隔之间对测量电容器内包含的电荷放电。累积电容器的电容比测量电容器的电容大得多，例如，是其1000倍。开关器件被配置为在各间隔期间将测量电容器要么电连接至电压源，要么电连接至累积电容器。提供比较器是为了将累积电容器的端子处的电信号与参考信号进行比较，并提供最终测量信号。微控制器被配置为在其接收到所述最终测量信号时确定所要测量的参数的值。为了降低电功耗，提供计数器和周期性信号发生器(两者均与所述微控制器分开)来执行测量程序的部分。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有大偏移电容范围并且在整个偏移范围内具有高灵敏度的用于电容式处理系统的改进的电容式测量电路。在本专利技术的一个方面中，通过用于电容式测量系统的测量电路实现所述目的。所述电容式测量系统将包括至少一个导电电极，其被提供为用于结合参考电极形成电容器。在下文中，这一电容器还可以被称为“未知电容器”。所述测量电路包括：-用于提供充电电压的直流电压源，-至少第一开关构件，-电荷转移电路，其包括：-至少一个有源半导体器件，以及-被配置为控制所述至少一个有源半导体器件的操作点的直流偏置电压源，所述电荷转移电路被配置为在输入端口处接收输入电流，并且利用所述至少一个有源半导体器件的电流-电压特性在输出端口处给出输出电流，在横跨所述电荷转移电路的输入端口和输出端口的预定电压范围内所述输出电流等于所述输入电流，-电连接至所述输出端口的积分电容器，以及-并联电连接至所述积分电容器并且被提供为在至少一种操作模式下使所述积分电容器部分地放电的电流吸收器(currentsink)。此外，在所述第一开关构件的第一开关状态下，所述直流电压源能够电连接至所述至少一个导电电极。在所述第一开关构件的第二开关状态下，所述至少一个导电电极电连接至所述电荷转移电路的输入端口。然后，横跨所述积分电容器提供的电压表示由所述至少一个导电电极结合所述参考电极形成的电容器的电容。本申请中使用的短语“被配置为”应当被具体理解为受过专门的编程、设计、装备或布置。本申请中使用的短语“输出电流等于输入电流”应当被理解为输出电流和输入电流之间的相对差异应当低于输入电流的5％，更优选低于输入电流的2％，最优选低于输入电流的1％。通过这种方式，能够将一定量的电荷从未知电容器转移至积分电容器，所述电荷量基本上与积分电容器的充电状态无关。如果在所提出的测量电路中不存在电荷转移电路，使得所述至少一个导电电极直接电连接至积分电容器，那么所转移的电荷的量将随着每一额外电荷转移周期而减少。这里，电荷转移周期应当被定义为对未知电容器充电，并且接下来将所述至少一个导电电极电连接至所述积分电容器，从而将电荷转移至后者。未知电容器的电压与积分电容器的电压之间的电压差将随着每一额外电荷转移周期而下降，因为积分电容器的电压在包括多个电荷转移周期的测量序列期间增大。实际上，如果转移周期的数量提高，那么所述测量电路的灵敏度将在全局最大值之后渐近地降至零。这意味着，无法通过提高充电转移周期的数量而提高灵敏度。根据本专利技术的测量电路消除了这一问题，其使得测量灵敏度能够基本上与电荷转移周期的数量成比例增大。优选地，所述第一开关构件是“先断后合”(BBM)类型的开关构件。尤其应当指出，与现有技术的测量电路形成对照的是，对于所提出的测量电路而言，无需关注积分电容器相对于未知电容器的电容值。所述参考电极可以具体由车辆底盘地或者车辆行驶所在的地形成。在所述测量电路的优选实施例中，所述至少一个有源半导体器件是按照共基极或者共栅极配置布置的晶体管。这样一来，能够提供具有简单布局并且易于使用少量的部件以经济有效的方式实施的电荷转移电路。所述晶体管可以是对于本领域技术人员而言看起来合适的双极型晶体管(NPN或者PNP型)或者现有的各种场效应晶体管类型中的某一类型的晶体管，例如，MESFET(金属-半导体场效应晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、JFET(结型场效应晶体管)等。最优选地，电荷转移电路的输入端口电连接至所述晶体管的发射极(或者源极，分别地)，并且所述电荷转移电路的输出端口电连接至所述晶体管的集电极(或者漏极，分别地)。所述电荷转移电路的直流偏置电压源用于确定适当的发射极(或者源极)电流。在双极型晶体管的情况下，通过β/(β+1)给出了集电极电流iC/发射极电流iE这一电流放大率，其中，β表示集电极电流与基极电流之比iC/iB。对于很多双极型晶体管而言，β处于几百的范围内，这使得所述电流放大率基本上等于1。对于FET而言，通常根本没有基极电流，因而，源极电流等于漏极电流。优选地，所述晶体管作为共基极或者共栅极放大器工作。适当的操作区间(regime)处于沿恒定发射极(源极)电流的线性输出特性的位置上，如图3中示意性示出。本领域技术人员将认识到，集电极电流基本上等于发射极电流，并且在共栅极放大区间内，集电极电流基本上与集电极和基极之间的电压无关，因此也与晶体管的发射极和集电极之间的电压无关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于电容式测量系统(10)的测量电路(12)，所述电容式测量系统(10)包括被提供为结合参考电极形成电容器(20)的至少一个导电电极(14)，所述测量电路(12)包括：‑用于提供充电电压的直流电压源(16)，‑至少第一开关构件(34)，‑电荷转移电路(22)，其包括：‑至少一个有源半导体器件(24)，以及‑被配置为控制所述至少一个有源半导体器件(24)的操作点的直流偏置电压源(30)，所述电荷转移电路(22)被配置为在输入端口(26)处接收输入电流，并且利用所述至少一个有源半导体器件(24)的电流‑电压特性在输出端口(28)处给出输出电流，在横跨所述电荷转移电路(22)的所述输入端口(26)和所述输出端口(28)的预定电压范围内所述输出电流等于所述输入电流，‑电连接至所述输出端口(28)的积分电容器(38)，以及‑电流吸收器(40)，所述电流吸收器(40)并联电连接至所述积分电容器(38)并且被提供为用于在至少一种操作模式下使所述积分电容器(38)部分地放电，其中‑在所述第一开关构件(34)的第一开关状态下，所述直流电压源(16)能够电连接至所述至少一个导电电极(14)，‑在所述第一开关构件(34)的第二开关状态下，所述至少一个导电电极(14)能够电连接至所述输入端口(26)，并且‑横跨所述积分电容器(38)提供的电压表示由所述至少一个导电电极(14)结合所述参考电极形成的所述电容器(20)的电容。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.27 LU 931241.一种用于电容式测量系统(10)的测量电路(12)，所述电容式测量系统(10)包括被提供为结合参考电极形成电容器(20)的至少一个导电电极(14)，所述测量电路(12)包括：-用于提供充电电压的直流电压源(16)，-至少第一开关构件(34)，-电荷转移电路(22)，其包括：-至少一个有源半导体器件(24)，以及-被配置为控制所述至少一个有源半导体器件(24)的操作点的直流偏置电压源(30)，所述电荷转移电路(22)被配置为在输入端口(26)处接收输入电流，并且利用所述至少一个有源半导体器件(24)的电流-电压特性在输出端口(28)处给出输出电流，在横跨所述电荷转移电路(22)的所述输入端口(26)和所述输出端口(28)的预定电压范围内所述输出电流等于所述输入电流，-电连接至所述输出端口(28)的积分电容器(38)，以及-电流吸收器(40)，所述电流吸收器(40)并联电连接至所述积分电容器(38)并且被提供为用于在至少一种操作模式下使所述积分电容器(38)部分地放电，其中-在所述第一开关构件(34)的第一开关状态下，所述直流电压源(16)能够电连接至所述至少一个导电电极(14)，-在所述第一开关构件(34)的第二开关状态下，所述至少一个导电电极(14)能够电连接至所述输入端口(26)，并且-横跨所述积分电容器(38)提供的电压表示由所述至少一个导电电极(14)结合所述参考电极形成的所述电容器(20)的电容。2.根据权利要求1所述的测量电路(12)，其中，所述至少一个有源半导体器件是按照共基极或者共栅极配置布置的晶体管(24)。3.根据权利要求1或2所述的测量电路，进一步包括第二开关构件(36)，所述第二开关构件(36)并联连接至所述积分电容器(38)，并且被配置为在第一开关状态下提供开路，在第二开关状态下提供用于使所述积分电容器(38)放电的电路径。4.根据前述权利要求中的任一项所述的测量电路(12)，其中，所述第一开关构件(34)、所述第二开关构件(36)和所述电流吸收器(40)是能够被远程控制的。5.根据前述权利要求中的任一项所述的测量电路(12)，其中，所述电流吸收器(40)要么是可开关恒定电流吸收器，要么是可变电流吸收器。6.一种电容式测量系统(10)，包括：-根据权利要求1到5中的任一项所述的测量电路(12)，-至少一个导电电极(14)，所述至少一个导电电极(14)被提供为与参考电极形成电容器(20)，以及-微控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·拉梅施，
申请(专利权)人：IEE国际电子工程股份公司，
类型：发明
国别省市：卢森堡,LU