DE4100556A1 - Abfrageschaltung fuer einen kapazitiven positionsgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abfrageschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Maßnahmen sind eingangs in der DE-AS 15 66 847 zur inter­ polierenden Richtungspeilung oder in der EP-OS 01 84 584 zur Längen- und zur Winkel-Messung beschrieben. Im erstgenannten Falle werden die über kapazitive Kopplungen einlaufenden Informationen zunächst gruppenweise überlagert und gewichtet, ehe eine abschließende inter­ polierende Auswertung erfolgt; während im zweitgenannten Falle eine Phasenauswertung eines dreiphasig eingespeisten Drehfeldes erfolgt, um die relative Lage der Kondensator-Paarungen zueinander zu erfas­ sen.

Problematisch ist allerdings, daß die auszuwertenden Informationen über eine kapazitive Reihenschaltung gewonnen werden, hinter der unvermeidlich die Querkapazität parasitärer Schaltungseinflüsse wirkt, die größenordnungsmäßig schwer bestimmbar und betriebsabhän­ gig veränderlich sind. Am Ausgang dieser kapazitiven Teilerschaltung steht deshalb für die Weiterverarbeitung eine Spannungsamplitude an, die nicht nur vom momentanen Überdeckungsgrad der einander zuge­ ordneten Kondensatorelektroden und damit von der Meß-Stellung des Positionsgebers abhängt, sondern auch von betriebsbedingten, zeitlich nicht konstanten Umwelteinflüssen. Das erschwert die Auswertung der, wegen der (im Verhältnis zur wirksamen Längskapazität) großen Querkapazität ohnehin kleinen, Ausgangsspannung am Positionsgeber. Die relativ großen Einflüsse von eingestreuten elektrischen Störungen sollen zusätzlich zwar umgebungsabhängig schwankenden Querkapazität einen wesentlichen Fehlerfaktor im für die Auswertung gelieferten Abfragesignal dar.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Abfrageschaltung gattungsgemäßer Art zu schaffen, deren Funktion wenig anfällig gegen die typischen Störeinflüsse eines kapazitiven Positionsgebers ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die gattungsgemäße Abfrageschaltung gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 ausgelegt ist.

Die Lösung beruht auf der Erkenntnis, daß die Abfrage des elektrisch einen kapazitiven Spannungsteiler darstellenden Positionsgebers weitgehend von den vorbeschriebenen typischen Störeinflüssen befreit ist, wenn entgegen der üblichen Spannungsabfrage nun eine Stromabfrage hinter dem Teiler erfolgt, so daß dieser praktisch im Kurzschluß betrieben wird. Denn der Laststrom ist dann praktisch unabhängig von Schwankungen der Größe der Querkapazität des Spannungsteilers. Dadurch ist mittels dieses Kurzschluß-Abfragestromes über den nie­ drigen Eingangswiderstand der Folgestufe, dann ein Pegel gewinnbar, der praktisch nur noch vom momentanen Überdeckungsgrad der Konden­ sator-Elektroden des Positionsgebers und damit von der interessie­ renden Relativstellung abhängt, aber nicht mehr von der aufbau-be­ dingten und nicht konstanten Querkapazität.

Diesem relativ niederohmigen Belastungswiderstand des kapazitiven Teilers kann dann in herkömmlicher Weise ein Spannungsverstärker als Lese- oder Auskoppelverstärker nachgeschaltet werden, hinter dem der repräsentative Pegel als Maß für die aktuelle Elektroden-Über­ deckung und damit als Maß für die Momentanstellung des Positionsge­ bers abgefragt wird. Der analoge Schaltungsaufwand für diese Abfrage läßt sich minimieren und zugleich eine weitere Befreiung von Stör­ einflüssen realisieren, wenn der (von der, in den kapazitiven Po­ sitionsgeber eingespeisten, Signalspannung hervorgerufene) Ausgangs­ strom kein differentielles, sondern ein integrales Zeitverhalten aufweist, also gegen Ende eines Auswerteintervalles jeweils asympto­ tisch in einen als das gesuchte Abfragesignal abzufragendes sta­ tionären Endwert einläuft. Das wird mit einfachen Mitteln dadurch erreicht, daß die von einem Taktgenerator für die zentrale Steuerung gelieferte Rechteckimpulsfolge einerseits über einen Integrierer in eine symmetrische Dreieckspannung als der einzuspeisenden Signal­ spannung umgewandelt wird und andererseits der Takt für die Ausgabe des Abfragesignales unmittelbar aus der Periodizität dieser Rechteck­ impulsfolge abgeleitet wird. Denn der aus der Dreieckspannung hinter dem kapazitiven Teiler des Positionsgebers gelieferte Strom als zeitlicher Differentialquotient der Spannung ist rechteckförmig, so daß der Pegel am niederohmigen Belastungswiderstand dieses kapa­ zitiven Teilers gemäß der Zeitkonstante mit dem parasitären Quer­ kondensator exponentiell auf einen dann bis zum Ende der Halbperiode praktisch konstanten Pegelwert ansteigt. Dieser kann, komplikationslos mittels einer Spannungsfolger-Halteschaltung, als die momentane Amplitude des Abfragesignales an die weitere Auswerteschaltung über­ geben werden.

So ist ein berührungsloses kapazitives Positionsmeßverfahren für lineare oder rotatorische Bewegung einer Abfrageelektrode relativ zu einer Gruppe sequentiell angesteuerter ortsfester Elektroden realisiert, die durch Verzicht auf unmittelbare Spannungsabfrage am Ausgang des Positionsgebers nicht mehr durch unbekannte, in die parasitäre Querkapazität eingehende Aufbau- und Betriebs-Größen gestört wird und auch mit minimalem analogen Schaltungsaufwand eine störbefreite Ausgabe des stellungsabhängigen Pegels ermöglicht, indem der Rechteckstromverlauf einer eingespeisten Dreieckspannung zunächst niederohmig in einen auszuwertenden Pegel umgesetzt wird. Dieser Pegel wird nicht kurzzeitig abgetastet, sondern von einer mitlaufenden Halteschaltung zur Ausgabe übernommen, so daß sich dabei kurzzeitige Störüberlagerungen in Form von Spannungsspitzen und von Spannungseinbrüchen bei Erreichen des stationären Endwertes weitgehend kompensiert haben.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammen­ fassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche nach Art eines Blockschaltbildes abstrahiert skizzierten bevorzugten Realisierungs- und Anwendungsbei­ spiels der erfindungsgemäßen Abfrageschaltung. Es zeigt:

Fig. 1 den Anschluß der Abfrageschaltung an einen kapazitiven Positionsgeber,

Fig. 2 ein vereinfachtes elektrisches Blockschaltbild für die an der Abfrageschaltung wirksamen Kapazitäten und

Fig. 3 einen niederohmigen Leseverstärker hinter dem kapazitiven Teiler.

Der in der Zeichnung in abgebrochener Darstellung skizzierte Posi­ tionsgeber 11 weist eine Gruppe von untereinander elektrisch nicht miteinander verbundenen, auf einem isolierenden Träger 12 angeordneten Orts-Elektroden 13 auf. Relativ zu diesen ist (wenigstens) eine Abfrage-Elektrode 14 bewegbar, nämlich je nach der geometrischen Anordnung der Folge der Ortselektroden 13 linear verschiebbar oder kreisbogenförmig verschwenkbar gehaltert. Dafür ist die (bzw. jede) Abfrage-Elektrode 14 isoliert auf einer am Träger (12) geführten Halterung 15 (in der Zeichnung kreuzschraffiert hervorgehoben) ausge­ bildet und über eine Verbindungs-Leiterbahn 16 elektrisch an eine ebenfalls auf der Halterung 15 angeordnete Auskoppel-Elektrode 17 angeschlossen, die als Streifen parallel zum Bewegungsweg der Halte­ rung 15 relativ zum Träger 12 ausgebildet ist. Parallel zu dieser streifenförmigen Auskoppel-Elektrode 17 verläuft auf dem Träger 12 eine Übernahme-Elektrode 18, von der eine Anschlußleitung 19 an den Eingang 20 einer Abfrageschaltung 21 geführt ist, die relativ zum Träger 12 mit seinen Orts-Elektroden 13 stationär angeordnet ist.

Entgegen der vereinfachten Darstellung für vorliegende Zeichnung braucht die verschiebbare oder verschwenkbare Halterung 15 nicht in einer Ebene mit den dagegen stationären Elektroden 13, 18 angeord­ net (also beispielsweise in eine grabenförmige Vertiefung des Trägers 12 eingelassen) zu sein; für einen gedrängten Aufbau insbesondere dann, wenn die Längserstreckung der Halterung 15 mit der streifenför­ migen Auskoppel-Elektrode 17 sich über ein Kreisbogenstück verschwen­ ken lassen soll, kann es zweckmäßiger sein, jeweils das Elektroden­ paar 13/14 und 17/18 quer zur Zeichenebene übereinander anzuordnen, also beispielsweise auf konzentrischen Zylindermantelflächen oder auf Kreissektoren (in der Zeichnung nicht ausgeführt). Auch ist es grundsätzlich gleichgültig, ob die Abfrage- und Auskoppel-Elek­ troden 14, 17 oder aber die Orts- und Übernahme-Elektroden 13, 18 jeweils relativ zur anderen Elektrodengruppe feststehen oder beweglich sind.

Die Orts-Elektroden 13 werden nacheinander zyklisch mit einer zeit­ periodischen Signalspannung u(t) gespeist. Das erfolgt über eine Koppelschaltung 22, deren den einzelnen Orts-Elektroden 13 zugeord­ neten Schaltstrecken 23 nacheinander vorübergehend geschlossen wer­ den. Diese Steuerung erfolgt zweckmäßigerweise aus einem zentralen Taktgeber 24, der eine Rechteckpulsfolge 25 der Periode T liefert. Zweckmäßigerweise erfolgt die Fortschaltung von einer zur nächsten Schaltstrecke 23 auf einer periodisch wiederholten Zählbasis, so daß in einer der Abfrageschaltung 21 und dem Taktgeber 24 nachgeschal­ teten Auswerteschaltung 26 stets bekannt ist, welche der Orts-Elektro­ den 13 momentan über ihre geschlossene Schaltstrecke 23 gespeist wird - und daß demzufolge die dagegen bewegliche Abfrage-Elektrode 14 sich gerade mit dieser hinreichend überlappt, wenn zu diesem Zeitpunkt von der Abfrageschaltung 21 das Abfragesignal U geliefert wird.

Die Folge der Schaltstrecken 23 in der Koppelschaltung 22 kann durch ein aus dem Taktgeber 24 gespeistes Schieberegister realisiert werden, wenn die aufeinanderfolgende Speisung der Orts-Elektroden 13 mit einer Rechteckspannung u(t) binär erfolgen soll. Anderenfalls sind die einzelnen Schaltstrecken 23 als individuell vorübergehend ein­ schaltbare Analogschaltungen zu realisieren, etwa als Transistoren.

Der Signalfluß von der Einspeisung der Signalspannung u(t) zum Ab­ frage-Eingang 20 findet zwei in Serie geschaltete Kapazitäten Ca und Ck vor, die sich aus der jeweiligen Paarung der kleinen Elektro­ den 13-14 (Abfragekapazität Ca) und der Streifen-Elektroden 17-18 (Koppel-Kapazität Ck) ergeben. Gemäß dem ohmschen Gesetz für kapazi­ tive Widerstände resultiert aus dieser Serienschaltung eine insge­ samt sehr kleine Meß-Kapazität Cm (siehe Fig. 2), die jedenfalls kleiner als die kleinste der beiden Serien-Kapazitäten Ca-Ck ist. Diese Meß-Kapazität Cm liegt im Längspfad eines kapazitiven Spannungs­ teilers, dessen Ableitung von einer parasitären Leitungskapazität Cl von einer Größe gebildet ist, die technologieabhängig und betriebs­ abhängig, also schaltungsmäßig schwer vorhersehbar ist und jedenfalls in der Größenordnung der Meßkapazität Cm oder auch darüber liegen kann. Deshalb schwankt für eine bestimmte Überdeckung der Abfrage mit einer Orts-Elektrode 13/14 die am Ausgang des kapazitiven Teilers 27 abgreifbare Spannung nach Maßgabe der aktuellen Verhältnisse der Leitungskapazität Cl; d. h., die Schwankung der Ausgangsspannung an diesem Teiler 27 ist nicht unbedingt repräsentativ für den Grad der Überdeckung der Abfrage- und Orts-Elektroden 13-14, was die genau und reproduzierbar geforderte Stellungsabfrage mit einem erheb­ lichen und nicht-systematischen, deshalb auswerteseitig nicht kompen­ sierbaren Fehler belastet.

Diese Meßunsicherheit wird ganz wesentlich eingeschränkt, wenn ent­ gegen der üblicherweise anzutreffenden Schaltungstechnik am Ausgang des Teilers 27 keine Spannung abgefragt wird, sondern ein Stromfluß i(t). Dieser wird dadurch erzwungen, daß dem kapazitiven Teiler 27 ein Widerstand nachgeschaltet wird, der möglichst klein und jeden­ falls klein im Verhältnis zur Größenordnung des komplexen Widerstands der parasitären Leitungskapazität Cl ist. Dadurch wird der kapazitive Teiler 27 praktisch auf Kurzschluß belastet, so daß der am kleinen Widerstand 28 abgreifbare, vom (Kurzschluß-)Strom i(t) als Spannungs­ abfall hervorgerufene Pegel p(t) praktisch unabhängig ist von der aufbaumäßig gegebenen und betriebsabhängig schwankenden Größe der parasitären Leitungskapazität Cl. Wenn die streifenförmigen Elektro­ den 17-18 des Positionsgebers 11 einander als geschlossene konzen­ trische Ringflächen gegenüberstehen, die Koppelkapazität Ck also unabhängig von der momentanen Relativstellung zwischen Halterung 15 und Träger 12 ist, dann hängt der aus der Stromabfrage umgesetzte Signal-Pegel p(t) in wünschenswerter Weise nur von dem momentanen Überdeckungsgrad der kleinen Elektroden 13-14, also der variablen Abfrage-Kapazität Ca, ab, so daß sich eine Interpolationsauswertung nach Maßgabe der momentanen Positionierung zwischen Abfrage-Elektrode 14 und Orts-Elektrode 13 durch einen üblichen Leseverstärker 29 mit hochohmigen Eingang (etwa realisiert als proportional-beschalteter Operationsverstärker) hinter dem kapazitiven Teiler 27 realisieren läßt. Schaltungstechnisch weniger aufwendig ist es, den niederohmigen Lastwiderstand in den Leseverstärker 29′ einzubeziehen, indem dieser (Fig. 3) als Transistor-Emitterschaltung ausgelegt wird. Die Umsetzung des Laststromes i(t) in den auszukoppelnden Pegel p(t) erfolgt dann in der Basisbeschaltung 36 zur Festlegung des Transistor-Arbeits­ punktes. Der in Abhängigkeit von der eingespeisten Signalspannung u(t) mit der Periode T schwankende Abfrage-Pegel p(t) hinter dem kapazitiven Teiler 27 erscheint also entsprechend verstärkt am Ausgang des Leseverstärkers 29 bzw. 29′.

Das Zeitverhalten des Pegels p(t) ist durch den Differentialquotien­ ten der Signalspannung u(t) bestimmt, weil der Laststrom i(t) am Teiler 27 als kapazitiver Strom dem Differentialquotienten des du(t)/dt proportional ist. Die kapazitive Kopplung im Positionsgeber 11 würde also bei sinusförmiger Signalspannung u(t) einen phasenverschobenen sinusförmigen Strom i(t) liefern, was aber für die Positionsbestimmung erheblichen analogen Schaltungsaufwand und eine gegen Störimpulse anfällige Spitzenwert-Auswertung des verstärkten Pegels p(t) erfordern würde. Noch ungünstiger sind auswerteseitig die Verhältnisse, wenn der kapazitive Positionsgeber 11 mit einer (etwa direkt aus dem Taktgeber 24 ableitbaren) rechteckförmigen Signalspannung u(t) ge­ speist würde, weil die Differentiation der Rechteckspannung in der Meß-Kapazität Cm zu einer Folge von jeweils umgekehrt gepolten großen Stromspitzen mit dazwischen steil abklingenden exponentiellen Strom­ übergängen führen würde. Die stark von Störungen beeinflußbaren Differentiationsstromspitzen sind aber zur Amplitudenauswertung nicht geeignet; und auch im steilen Anfangsbereich des aus der Spitze abfallenden Stromes treten starke betriebsabhängige Schwankungen der Momentanamplitude auf, die sich einem Meßwert verfälschend über­ lagern. In der Nähe des Nulldurchgangs zum Übergang auf die folgende Stromspitze umgekehrter Polarität ist die meßtechnische Erfassung einer Signalamplitude wegen des unterlagerten Rauschspektrums kri­ tisch. Es müßte also für den aus dem Stromverlauf abgeleiteten Pegel ein Abtastzeitpunkt gewählt werden, der etwa bei einem Viertel der Periode T liegt, um einigermaßen störfreie und für das Meßsystem repräsentative Amplitudenwerte aus dem Verlauf zwischen den gegen­ poligen Spitzenwerten ermitteln zu können. Das würde jedoch erheb­ lichen schaltungstechnischen Zusatzaufwand bedeuten und dennoch von den geschilderten Störeinflüssen nicht frei werden.

Diese Probleme hinsichtlich der Abfrage des auszuwertenden Pegels p(t) sind gemäß einer weiterführenden Überlegung der Erfindung da­ durch überwunden, daß die auszuwertende Information kein differen­ tielles, sondern ein integrales Zeitverhalten bekommt. Das läßt sich schaltungstechnisch sehr einfach dadurch realisieren, daß die in den Positionsgeber 11 eingespeiste Signalspannung u(t) als Drei­ eckspannung vorgegeben wird, wie sie sich einfach über einen Inte­ grierer 30 aus der Rechteckimpulsfolge des Taktgebers 24 ergibt. Das Zeitdifferential der sich abschnittweise zeitlich linear ändern­ den Signalspannung u(t) ergibt dann wieder die Rechteckform, also hinter der Meßkapazität Cm in guter Näherung einen rechteck-impuls­ förmigen Stromverlauf i(t). Wegen der dem Widerstand 28 parallel geschalteten Leitungskapazität Cl folgt der Pegel p(t) der idealen Rechteckform allerdings nur nach Maßgabe der wirksamen Zeitkonstante verzögert, aber am Ende jeder ersten Hälfte der Periode T ist ein Pegelwert p(t) stationär, und aufgrund des integralen Verhaltens von kurzen Störspitzen praktisch unbeeinflußt, erreicht, der reprä­ sentativ für die Amplitude des Rechteckstromes i(t) und damit für den Überdeckungsgrad der gerade angesteuerten Orts-Elektrode 13 mit der Abfrage-Elektrode 14 ist.

Zum Auskoppeln dieses Spannungswertes bedarf es keiner vollständigen Abtast-Halte-Schaltung, es genügt eine ähnlich einem Spitzenwert­ gleichrichter arbeitende Folge-Halteschaltung 31. Die Spannung an ihrem Speicherkondensator 32, der größer als im Falle einer Abtast-Hal­ teschaltung ausgelegt sein kann und dessen Ladezustand dadurch von Störimpulsen weniger beeinflußbar ist, folgt praktisch unverzögert dem zeitlichen Verlauf des Pegels p(t). Jeweils am Ende eines Takt-Rechteckimpulses wird der Momentanpegel zur Ausgabe des Abfra­ gesignales U an die Auswerteschaltung 26 am Speicherkondensator 32 über einen Entkopplungsverstärker 33 abgefragt, der in gegenüber der Taktgeber-Periode T verschobener Periode T′ kurzzeitig an den Speicherkondensator 32 geschaltet wird. Diese verschobene Periode T′ ergibt sich funktional sicher und schaltungstechnisch denkbar einfach, indem die Ansteuerung des Übergabeschalters 34 über einen dynamischen Eingang 35 erfolgt, der auf eine differentiell negative Flanke anspricht, also auf jeweils das Ende eines Rechteckimpulses zur Halbzeit der Taktgeber-Periode T.

In der Auswerteschaltung 26 wird dann in als solcher bekannter Weise festgestellt, vor welcher Orts-Elektrode 13 die Abfrage-Elektrode 14 gerade steht, welche Relativposition (lineare Strecke oder Win­ kelstellung) die Halterung relativ zum Träger 12 gerade einnimmt; mit einer Stellungs-Interpolationsmöglichkeit aufgrund des reduzier­ ten Abfrage-Signales U bei nur teilweiser Überdeckung dieses Elek­ trodenpaares 13-14. In der Zeichnung ist nicht berücksichtigt, daß in der Praxis zur feineren Interpolation häufig mehrere Abfrage-Elek­ troden 14 auf einer Halterung 15 angeordnet sind, die sich in unter­ schiedlichem Maße mit unterschiedlichen Orts-Elektroden 13 über­ decken; bzw. daß Elektrodengruppen unterschiedlicher Abmessungen in Meßrichtung vorgesehen sind, um Grob- und Fein-Interpolationen in der Auswerteschaltung 26 durchführen zu können.

Claims (5)

1. Abfrageschaltung (21) für einen kapazitiven Positionsgeber (11), der mit einer zeitperiodischen Signalspannung (u(t)) gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Ausgangsstrom (i(t)) des Positionsgebers (11) über einen Widerstand (28) in das auszugebende Abfragesignal umgewandelt wird, der klein ist im Verhältnis der Größenordnung des kapazitiven Widerstandes einer aufbauabhängigen parasitären Leitungskapazität (Cl), die parallel zum Belastungs-Widerstand (28) und damit quer zur variablen Meßkapazität (Cm) im Positions­ geber (11) wirkt.

2. Abfrageschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pegel (p(t)) über dem kleinen Lastwiderstand (28) hochohmig über einen Leseverstärker (29) abgefragt ist.

3. Abfrageschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom (i(t)) am Ausgang des Positionsgebers (11) von einer Signalspannung (u(t)) hervorgerufen wird, die einen dreieck­ förmigen Verlauf über der Zeit (t) aufweist.

4. Abfrageschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Folge-Halteschaltung (31) enthält, deren Eingangs­ größe dem periodisch asymptotisch auf einen Sättigungswert anstei­ genden Pegelverlauf (p(t)) folgt, mit Ausgabe dieses stationären Endwertes als dem Abfragesignal (U).

5. Abfrageschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dreieckförmige Signalspannung (u(t)) aus der Rechteck­ impulsfolge (25) eines zentralen Taktgebers (24) über einen Inte­ grierer (30) gewonnen ist und jeweils zur Hälfte dessen Periode (T) die Ausgabe des Abfragesignales (U) aus dem Taktgeber (24) angesteuert wird.