具有扩展频谱感测信号和同步整流器的传感器开关制造技术

一种电容式传感器，包括连接到信号发生电路和信号评估电路的传感器电极。所述信号发生电路包括信号发生器，所述信号发生器是噪声发生器或伪噪声发生器，所述信号评估电路包括同步整流器。所述同步整流器被连接用于与所述信号发生器同步。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有扩展频谱感测信号和同步整流器的传感器开关
本专利技术涉及可以用来检测物体比如手与感测表面的接近或直接接触的电容式传感器开关，以及其感测和评估电路。
技术介绍
在US8,823,393B2中公开了一种用于炉灶面的触敏开关。在此，AC信号被耦合到传感器板内。评估电路测量该信号的幅度。如果人手或另一导电的物体紧密接近该传感器板放置，则电容性电流在该传感器板和该手之间流动，因此减小该AC信号的幅度。该评估电路可以包括阈值检测器和窗口比较器，以检测幅度的一定改变并且以在输出处发出控制信号。一个缺点是可以耦合到该传感器板的外部信号和噪声可以改变该AC信号的幅度，这可能进一步在该评估电路的输出处引起错误信号。此类型的传感器的另一弊端是不希望的信号的辐射。当AC信号被馈送到该传感器板内时，此信号被辐射或被耦合到环境。如果手或另一导电的物体紧密接近该传感器板放置，则该信号被电容性地耦合到该手或该物体，从而导致更大的辐射。在http://humancond.org/wiki/user/ram/electro/capsense/description处找到的互联网出版物中，一种扩展频谱电容式传感器，用于检测距离该传感器多达1米的人员的存在。该电路非常复杂，使得它对传感器开关而言过于昂贵。此外，该电路需要三个大印刷电路板、一台个人计算机和一根具有超过120cm的长度的天线，并且因此将不适合正常的传感器开关盒。它具有比较高的功率要求，这使它无法用于传感器开关。最后，此文献中公开的传感器未被设计成禁得起工业环境的高电磁干扰水平。r>
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是提供一种电容式接近传感器，该电容式接近传感器提供对外部信号和噪声的高抗扰性。本专利技术要解决的另一问题是提供与从现有技术已知的传感器相比产生显著更低的噪声水平的这样的传感器。另一方面是找到一种改进的接收和评估电路，该接收和评估电路小、便宜、鲁棒、不受高电磁干扰水平影响，并且可以集成到小传感器开关壳体内，而无需用于控制开关的电子机箱。在独立权利要求中描述了所述问题的解决方案。从属权利要求涉及本专利技术的进一步改进。相对于从上文提到的互联网出版物已知的现有技术的显著改进通过如下文将详细解释的多个措施来实现：a)传感器电极直接连接到信号发生装置和评估装置，代替使用单独的电极进行传输和接收。b)使用积分同步整流器替代采样和保持电路。c)传感器电极优选地覆盖传感器壳体表面的大部分部分。d)将开关的最大延伸部保持在15cm以下。传感器开关具有可以是金属或金属化部分的电极。该电极连接到信号发生装置和评估装置。该信号发生装置生成到该电极的输出信号，并且包括信号发生器以提供AC或RF信号，该AC或RF信号优选地在几千赫兹到几兆赫兹的范围内。还可以存在信号形成和/或放大装置，例如以产生幅度足以进行信号检测的信号。此外，可以存在滤波装置，比如输出带通滤波器，以减少不希望的信号分量，并且因此以使传感器电极处的EMI辐射最小。在一微控制器实施方式上，带通优选地通过输出级中的转换速率限制器(slewratelimiter)(低通)和电极本身(高通)来实现。另外，可以存在保护装置，该保护装置防止信号发生部件受到可能电容性地耦合到传感器电极内的外部信号和/或过电压脉冲的损害。这可能例如因来自接近传感器电极的人的静电放电而发生。这样的过电压保护可以通过任何已知的方式例如通过限制二极管来实现。进一步优选的是，信号发生装置并且优选地输出带通滤波器提供串联电容和/或电阻，该串联电容和/或电阻与接触传感器电极的人的串联电阻和/或阻抗结合在传感器电极处生成电压降。电极直接连接到信号发生装置和评估装置减小了所生成的信号与所测量的信号之间的相移，使得信号和时钟完全同相的精确同步整流是可能的。这显著改进了背景噪声抑制，使得传感器开关可以在存在高水平电磁辐射的工业环境中使用。整流信号的积分去除了任何其他频率干扰信号，并且消除了由所测量的信号中的失真引起的误差。因此，积分显著提高了准确度和对外部干扰的抑制。此外，优选的是，使传感器电极覆盖传感器壳体表面的大部分并且优选地覆盖传感器壳体表面的最大部分。这给传感器提供了比较大的面积并且使它比较灵敏。另外，优选的是，将该开关的最大延伸部保持在15cm以下。这防止到所测量的信号的附加相移，并且因此提高准确度和噪声抑制。该评估装置从该电极接收输入信号，并且可以提供用于从该输入滤除不希望的频率分量的输入带通滤波器。这样的分量可能是来自外部噪声源的外部电磁干扰。还可以存在用于在静电放电的情况下提供保护的过电压保护装置。另外，可以提供输入分压器。这可以有助于增大动态范围。由于只有噪声信号在输入电路的线性范围内同步整流器中的噪声消除才起作用，因此分压器增大动态范围。它可以将可能比动态范围的最大输入电压大的输入电压减小到该动态范围内的输入电压。该评估装置的输入优选地通过输入带通滤波器被馈送到同步整流器。此同步整流器基本上包括由信号发生器控制的一组开关(其可以是集成到微控制器内的开关)。所述开关之后是低通滤波器，所述低通滤波器基本上是积分装置。两个开关被交替地激活，使得如果一个开关打开，则另一个开关闭合。代替两个被交替地操作的开关，可以使用一个SPDT(单刀双掷)开关。本文所示的低通滤波器或任何其他滤波器可以是包括比如电阻器和/或电容器和/或电感器的分立电子部件的滤波器。优选地，所述低通滤波器的上限频率显著低于时钟频率。最优选地，它低两个或三个量级以上。在第一实施例中，所述开关优选地连接到带通滤波器以接收其信号。每个开关之后是低通滤波器和/或积分装置，以在一定的时间段内对传入信号进行积分。两个低通滤波器的输出都被馈送到差分放大器，以产生这些信号的差。此差值优选地被递送到ADC(模拟数字转换器)以进行进一步处理。这样的ADC可以是产生表示模拟输入电压的高分辨率数字值的转换器。所述ADC可以具有8位、10位或12位或更大的分辨率。在一非常简单的配置中，所述ADC甚至可以是阈值开关或窗口比较器，以确定输入值是否已经上升到一定的阈值以上或已经降低到阈值以下，或输入值是否在一定的输入值窗口内。所述ADC的输出可以进一步引起输出信号或生成指示传感器开关已经被触摸的任何动作。在较高分辨率ADC的情况下，甚至可以识别接近传感器开关的物体，并且此外可以指示到传感器开关的距离。在另一实施例中，所述输入带通滤波器的输出被直接递送到所述开关中的一个，并且被反相递送到所述开关中的另一个。这样的反相可以通过简单的反相放大器来实现，该反相放大器具有优选地为-1的负放大系数。两个开关的输出一起连接到用于积分的公共低通滤波器，所述低通滤波器进一步连接到ADC。替代地，可以存在单独的低通滤波器，之后是求和放大器。在一实施例中，所述同步整流器包括耦合到第一输入低通滤波器的第一开关和耦合到第二输入低通滤波器的第二开关。所述第一开关和所述第二开关被连接以与到所述信号发生器的输入信号同步，使得所述同步整流器产生两个单独的低通滤波信号或一个低通滤波差本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.电容式传感器，包括传感器电极(100)，所述传感器电极连接到用于生成到所述传感器电极(100)的输出信号(512)的信号发生电路(510)，并且所述传感器电极还连接到用于评估来自所述传感器电极(100)的输入信号(521)的信号评估电路(520)，/n所述信号发生电路(510)包括信号发生器(210)，所述信号发生器为噪声发生器、伪噪声发生器、线性调频信号发生器或扫频信号发生器中的一个，/n所述信号评估电路(520)包括同步整流器(522)，所述同步整流器(522)包括第一开关(321)和第二开关(322)，其中所述第一开关(321)和所述第二开关(322)连接到所述信号发生器(210)并且被配置用于与所述输入信号(521)同相地交替地开关，/n其中所述信号发生电路(510)和所述信号评估电路(520)二者都参考电路接地(290)。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180110 EP 18151060.3;20180626 EP 18179754.91.电容式传感器，包括传感器电极(100)，所述传感器电极连接到用于生成到所述传感器电极(100)的输出信号(512)的信号发生电路(510)，并且所述传感器电极还连接到用于评估来自所述传感器电极(100)的输入信号(521)的信号评估电路(520)，
所述信号发生电路(510)包括信号发生器(210)，所述信号发生器为噪声发生器、伪噪声发生器、线性调频信号发生器或扫频信号发生器中的一个，
所述信号评估电路(520)包括同步整流器(522)，所述同步整流器(522)包括第一开关(321)和第二开关(322)，其中所述第一开关(321)和所述第二开关(322)连接到所述信号发生器(210)并且被配置用于与所述输入信号(521)同相地交替地开关，
其中所述信号发生电路(510)和所述信号评估电路(520)二者都参考电路接地(290)。


2.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，其特征在于，
所述第一开关(321)耦合到第一输入低通滤波器(331)，并且
所述第二开关(322)耦合到第二输入低通滤波器(332)。


3.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，其特征在于，
所述同步整流器(522)被配置为产生在来自所述信号发生器的信号的第一信号状态时所述输入信号(521)的部分和在来自所述信号发生器的信号的第二信号状态时所述输入信号(521)的部分的两个单独的低通滤波信号或一个低通滤波差信号。


4.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，其特征在于，
所述输入带通滤波器(310)被配置为将DC偏置电压添加到来自所述传感器电极(100)的所述输入信号(521)，使得所述同步整流器(522)的最低输出电压和所述同步整流器(522)的最高输出电压落入连接到所述同步整流器的输出的ADC(390、391、392)或另一电路的动态范围内。


5.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，其特征在于，
所述信号发生电路(510)包括连接在所述信号发生器(210)和所述传感器电极(100)之间的输出带通滤波器(230)，和/或所述信号发生电路(510)包括连接在所述信号发生器(210)之后的输出放大器(220)。


6.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，其特征在于，
所述信号评估电路(520)包括耦合到输入低通滤波器(331、332)的至少一个ADC(390、391、392)，并且优选地包括耦合到所述第一输入低通滤波器(331)的第一ADC(390)和耦合到所述第二输入低通滤波器(332)的第二ADC(391)；和/或所述信号评估电路(520)包括输入分压器。


7.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，其特征在于，
所述同步整流器(522)并且优选地所述所述信号评估电路(520)是微控制器(400)的一部分，所述微控制器还包括至少一个ADC(391、392)，其中所述微控制器(40...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·克莱斯特，D·奥尔登多夫，J·舒勒，K·赫滕霍夫，
申请(专利权)人：凯普隆电子有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE