电容式感测系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及用于将模拟信号转换成数字信号的方法。更具体来说，本发明涉及用于例如在电容式感测系统中将测量电路中的电压转换成数字信号的方法。
【背景技术】
[0002]模数的转换在模拟测量信号的处理中是非常重要的方面。模数转换器(ADC)使用分别在时间上预定义的分辨率(采样率)和信号量的预定义的分辨率来对模拟信号进行采样。在下文中，除了当在本文中另外明确指定时，术语“分辨率”指代信号量的分辨率或幅度分辨率，g卩，在模拟信号量的范围内离散电平的数量。模数转换器的分辨率r与可用于估计模拟信号的电平的数量相对应。当ADC的分辨率被指示为B个位时，则B与分辨率r之间的关系为B = log2(r)或者r = 2B。每个数字样本对应于离散的“重构值”，该重构值是在与采样相对应的时间由ADC的量化器使模拟信号映射到的r个可能的数字值中的一个。分辨率r越高，数字信号重现模拟信号越为精确。然而，由于具有较高分辨率的模数转换器较为昂贵，因此出于经济原因，它们在低成本应用中的使用通常是不可能的。
[0003]如果模拟信号量仅少量改变，则在数字信号中，这种变化可能是不可见的。这是由于模数转换器的有限的分辨率而造成的。保证数字信号中的改变所需要的模拟信号中的最小改变(与模拟信号的初始值无关)被称为“步长”或“量化步长”。如果模拟信号改变了一个步长，则数字信号经受与增加或减少一个最低有效位(LSB)相对应的变化。
[0004]根据公知的方法，可以通过在采样之前在模拟信号上增加白噪声(高斯噪声)来提高从模拟信号转换成数字信号的分辨率。通过使用白噪声来调制模拟信号，通过采样而获得的数字值扩展。形成了相等长度的连续样本的组，并且对每个组计算平均值。平均值序列与在信号量上具有较高分辨率但在时间上具有较低分辨率的模拟信号的数字表示相对应。因此，该方法使用较低的采样率但是较高的分辨率(或者量化)来对模数转换进行仿真。
[0005]在来自Texas Instruments Europe 的出版物“TMS320C24x 系列”(文献号:SPRA461，1998年6月)中描述了另一种方法。该方法使用三角形信号而不是白噪声来调制模拟信号。将三角形信号的峰到峰幅度选择为与ADC的步长相等或者是该步长的整数倍。使用是三角形信号的频率的k倍的速率来对模拟调制信号进行采样，其中，k = 2、4、8、…，“k”被称为过采样因子。对于三角形信号的每个周期，k个重构值从ADC获得。如果初始的模拟信号可以被假定为在调制的一个周期的时间尺度上基本上是恒定的，则对k个重构值取平均产生了对模拟信号的较精确的估计。为了进一步提高分辨率，必须增加过采样因子k(其等于三角形信号的每个周期的采样点的数量)。当使用低成本并且因此是慢的ADC时，这将使生成具有长周期的三角形信号成为必需。然而，为了生成具有大的周期的三角形，需要大的电容器和电阻器，这在低成本下可能是不可用的，并且也不便于要求操作环境(例如，某些汽车制造商禁止使用大于100kQ的电阻器)。此外，如在出版物“TMS320C24x系列”中所描述的电路需要额外的放大器来使模拟信号和三角波信号相加。因此，期望找到成本上较为有效的解决方案。
[0006]技术问题
[0007]本发明的目的是增加电容式感测系统的模数转换过程的总体分辨率，同时提供低成本实施方式的可能性。
【发明内容】
[0008]一种用于确定感测电极与接地对电极之间的电容的电容式感测系统，包括 '参考电容器，所述参考电容器操作地耦合在电源与地之间；复用器，所述复用器操作地连接到所述感测电极，以便使所述感测电极在地与测量节点之间交替连接，所述测量节点位于所述参考电容器与所述电源之间；以及评估单元，所述评估单元操作地耦合到所述测量节点，所述评估单元用于将所述测量节点上的模拟信号转换成具有第一最大幅度分辨率R的数字信号。根据本发明，评估单元包括:调制电路，所述调制电路操作地耦合到模拟信号输入并且被配置为使用三角形调制信号或锯齿形调制信号来调制所述模拟信号；模数转换器(ADC转换器)，所述模数转换器具有第二最大幅度分辨率(下文中被表示为r)和量化步长，所述模数转换器操作地连接到所述调制电路并且被配置为对所述经调制的模拟信号进行采样并产生数字样本；以及处理器，所述处理器操作地连接到所述模数转换器，以便接收所述数字样本。所述处理器被配置为对多个(下文中被表示为N，其中N>1)所述数字样本取平均。调制电路被配置为使得所述三角形调制信号或所述锯齿形调制信号具有至少近似地与所述模数转换器的所述量化步长的整数倍(下文中被表示为L，其中L多1)相对应的峰到峰幅度，以使得对于具有N个样本的每个序列，所述调制模拟信号具有多个(下文中被表示为M)周期，将Μ和N选择为使得M>1并且Μ # N，并且使得R = r*N/ (k*gcd (Ν, M) *L)，其中，gcd (Μ, Ν)表示Ν和Μ的最大公约数，并且其中，如果调制信号是锯齿形调制信号，则k=2，而如果调制信号是三角形调制信号，则k = 4。
[0009]以上电容式感测系统根据使用具有低分辨率(下文中被表示为“r”)的模数转换器(ADC)的方法运行，以产生具有较高分辨率(下文中被表示为“R”)的数字信号。分辨率R还将被称为第一分辨率，然而，ADC的分辨率r还将被称为第二分辨率。该方法包括以下步骤。使用三角形调制信号或锯齿形调制信号来对待数字化的模拟信号进行调制，以便获得经调制的模拟信号。使用具有分辨率r的模数转换器来对经调制的模拟信号进行采样，由此产生数字样本。对多个(下文中被表示为“N”，其中N>1)连续的数字样本取平均。将三角形调制信号或锯齿形调制信号选择为具有至少近似地与ADC的量化步长的整数倍(下文中被表示为L，其中L多1)相对应的峰到峰幅度。此外，对于具有N个样本的每个序列，所述调制锯齿形信号或三角形信号都具有多个(下文中被表示为“M”)周期，S卩，每N个样本，其重复自身Μ次。将Μ和Ν选择为使得M>1并且Μ # N，并且使得R = r*N/ (k*gcd (Ν, M) *L)，其中，gcd(M，N)代表N和Μ的最大公约数，并且其中，如果调制信号是锯齿形调制信号，则k = 2，而如果调制信号是三角形调制信号，则k = 4。在实际中，由输入模拟信号不是常数的事实而给出N的上限。因此，N的上限可以是32。由于来自ADC的量化步长的整数倍的偏差可能导致非线性误差，因此，与该整数倍相对应的峰到峰幅度是优选的。这样的非线性误差将仅仅在一定程度上是可接受的，其可取决于该方法所应用的背景。
[0010]该方法例如可用于电容式测量电路或电阻式测量电路中。具体来说，该方法可用于电容式感测人的应用或电容式感测手势的应用(例如，在车辆的乘员检测系统中)中，具体来说，用于安全带提醒装置(SBR)功能或用于激活/停用座椅加热器或安全特征(诸如，举例来说，安全气囊)。
[0011]根据本发明的优选实施例，由关系式Μ = Ν+1或Μ = N-ι来定义Ν个样本的每个序列的调制信号的周期数量Μ。也可以使用Μ和Ν的其它组合。尤其有利的是满足gcd(M, N)彡N/(k*L)的组合。更有利的是，将Μ和N选择为使得它们是互质的，即，gcd (Μ，N)=1。
[0012]优选地，Ν = 2η，其中η是正整数，例如，16、32、64等等。ADC的分辨率r可以是大于1位或等于1位的任何数(r多2)。
[0013]根据本发明的优选实施例，量化步长等于三角形调制信号或锯齿形调制信号的峰到峰幅度。如上面所指示的，可以将三角形调制信号或锯齿形调制信号的峰到峰幅度选择为等于量化步长的L倍，但对于给定的Μ和Ν，这减小了可达到的分辨率R。
[0014]三角形调制信号或锯齿形调制信号可以来自于经修改的方波信号。方波信号可以容易地从微控制器获得，例如，在微控制器的PWM(脉宽调制)输出上。因此，以得到期望的三角形调制信号或锯齿形调制信号的方式来修改所生成的方波信号是尤其有利的。为了将方波信号转变成三角形调制信号或锯齿形调制信号，可以使用低通滤波器。低通滤波器可以包括电阻器和电容器。
[0015]本发明还涉及用于将模拟信号转换成具有第一分辨率R的数字信号的设备。该设备包括:调制电路，所述调制电路被配置为使用三角形调制信号或锯齿形调制信号来调制模拟信号；具有第二分辨率r的ADC ;以及处理器，所述处理器操作地连接到ADC以便接收由ADC产生的数字样本，并且被配置为对具有N个数字样本的每个序列取平均。调制电路被配置为使得三角形调制信号或锯齿形调制信号具有上文中所指定的频率和幅度。
[0016]根据依照本发明的设备的优选实施例，该设备包括用于对方波信号进行滤波以得到三角形调制信号或锯齿形调制信号的低通滤波器。低通滤波器例如可以包括电阻器和电容器。为了产生方波信号，该设备可以包括微控制器。
[0017]如将意识到的，对具有N个数字样本的每个序列取平均的处理器可以是输出方波信号的微控制器的部分。具有低分辨率r的ADC也可以是微控制器的部分。
[0018]该设备可用于在电容式测量电路或电阻式测量电路中转换模拟测量信号。根据优选实施例，将该设备用作用于接近度感测应用(例如，对车辆座椅上的乘员进行检测)的电容式测量电路中的一部分。
【附图说明】
[0019]根据以下参照附图对若干非限制性实施例的详细描述，本发明的另外的细节和优点将显而易见，其中:
[0020]图1是根据本发明的第一实施例的电容式感测电路的示意图，其中，指示待感测的电容的模拟信号被转换成数字信号；
[0021]图2是图1中的电容式感测电路的变形的示意图；
[0022]图3是经调制的模拟信号在该信号被采样的瞬间的值的例示；
[0023]图4示出了通过对经调制的模拟信号进行采样所获得的重构值。
【具体实施方式】
[0024]图1示出了被配置为执行根据本发明的优选实施例的方法的电容测量电路1。以开关电容器的配置来连接待测量的电容(在图1中由电容器2来表示)。电容测量电路1包括复用器4，其使电容器2的感测电极2a交替地连接到地和电容器6。复用器4被配置为不重叠地进行切换，即，感测电极2a连接到地或者连接到电容器6，但从不同时连接到两者。通过对复用器4进行切换，电容器2被重复充电和放电。在充电位置，开关使电容器2的感测电极2a连接到端子4a并由此直接连接到电容器6。由于由恒定电压源8跨越电阻器10对电容器6持续充电，因此每次复用器2处于其充电位置，电荷从电容器6转移到电容器2。在放电位置，复用器4使电容器2的感测电极2a连接到端子4b并因此连接到地；因而，电容器2部分放电。在与若干