Interface-Elektronik zu kapazitivem Druckmesserarray

[Manfred Kraus]

Ich möchte ein array (64 x 64) aus kapazitiven Drucksensoren auslesen.
Die 4096 Sensoren sind jeweils an den Kreuzungspunkten der 64 Zeilen und 64
Spalten angebracht.
Die zu messenden Kapazitätswerte liegen zwischen 80 und 120 pF.
Eine Auflösung von 8 Bit und eine Auslesegeschwindigkeit von etwa 100
Feldern
pro Sekunde sind gewünscht.
Wie könnte das gehen ?
Gibt es vielleicht Auswert-ICs von kapazitiven Fingerabrucksensoren, die man
dafür hernehmen könnte ?

-Manfred

 

[Rafael Deliano]

Wie könnte das gehen ?
Diskret offensichtlich mühsam:

4096x Diode an den Sensoren
8x 8 Bit Register das jeweils per gesetztem Bit 1 Zeile selektiert
8x 8-auf-1-Analogschalter 74HCxx deren Ausgang parallelgeschaltet ist.
Wenn man den gewünschten Kondensator mal selektiert hat, kann man als
Auswertung z.B. einen RC-Multivibrator 74HC14 im unteren MHz machen
sodaß man Frequenz als Ausgangssignal erhält. Berücksichtigen ob
EMV/Abstrahlung in der Anwendung tolerierbar ist.
Wenn man das alles über Bus von 8 Bit CPU/Controller steuert und die
Sensoren individuell adressierbar sind, kann man in den meisten
Anwendungen geeignete Suchalgorithmen wählen statt alle 4096 Pixel
stur abzuklappern was recht lange dauert und wobei die meisten
Meßwerte wohl ohnehin redundant sind.

MfG JRD

 

[Rafael Deliano]

4096x Diode an den Sensoren
Die sind wohl verzichtbar.

Wie sollen die Sensoren aussehen ?
Gummimatte mit 64 Streifen Metallfolie oben und 64 Streifen
Metallfolie unten ?

> MfG JRD

 

[Manfred Kraus]

Die Sensoren sind eine sandwich-konstruktion aus Leiterplatte,
Schaummaterial und verschiedenen Folien.
Ich habe vor einigen Jahren schon einmal eine Auswertelektronik für ein
resistives array gebaut.
Das beruhte auf dem Prinzip "Spannungsaddierer mit OpAmp" und geht ohne
Dioden im array.
Zur Selektion habe ich Analogschalter verwendet.
Gibt es vielleicht ein ähliches Prinzip zur Auswertung eines kapazitiven
arrays ?
-Manfred


"Rafael Deliano" <Rafael_Deliano@t-online.de> schrieb im Newsbeitrag
news:43565A46.A0E9A0A0@t-online.de...

4096x Diode an den Sensoren
Die sind wohl verzichtbar.

Wie sollen die Sensoren aussehen ?
Gummimatte mit 64 Streifen Metallfolie oben und 64 Streifen
Metallfolie unten ?

MfG JRD

 

[Rafael Deliano]

Gibt es vielleicht ein ähliches Prinzip zur Auswertung eines
kapazitiven arrays ?
In

Baxter "Capacitive Sensors" IEEE Press 1977
kein besonderes gefunden obwohl er auch Kapitel "Graphic Input
Tablets" hat.
In dem Buch wäre auch Schaltungstechnik ausführlich erklärt,
bei Bedarf leihweise.

Zur Selektion habe ich Analogschalter verwendet.
Wenn man für Zeilen und Spalten Analogschalter verwendet

entfallen die Dioden. Man will dann den Kondensator bei ca.
2,5Vdc und hat an beiden Enden des Kondensators
den Serienwiderstand des Analogschalters. Irgendeine AC muß man
aber durchschicken sonst kann man Kondensator nicht auslesen.
Selbstschwingender RC-Oszillator dessen Frequenz von C abhängt
ist naheliegend und simpel. Feste Frequenz und Synchrondemodulator
und damit geringere Bandbreite und weniger Rauschen kann
erforderlich sein.

Wie stehts eigentlich mit Netzbrumm ? Wenn jemand Hand auflegt
hat man den drastisch, soweit man nicht noch Schirmfolie einbaut.

MfG JRD

 

[Manfred Kraus]

Den Baxter "Capacitive Sensors" IEEE Press 1977 würde ich gerne einmal
durchschauen.
Der Hinweis auf einen Netzbrumm ist gut. Bei der resistiven Variante war
das kein Problem.
Wenn die Schirmung der Sensoren nicht gut genug ist, müssten die Rohdaten
wohl
einen Filteralgorithmus durchlaufen.
Das Messverfahren selbst muss sehr schnell sein. Die Kapazität als
frequenzbestimmende
Variante eines Oszillators zu verwenden um anschliessend die Frequenz zu
messen ist vielleicht
viel zu langsam. Angestrebt werden 100 Abtastungen pro Sekunde. Jeder Sensor
muss demnach in
etwa 2,4 us ausgelesen werden.
Ist es vielleicht eine Möglichkeit an der jeweils unter Messung befindlichen
Spalte eine Spannung fester Frequenz
anzulegen und an den Zeilen den Phasenversatz des Stromes zu messen ?
Aber vor diesen Überlegungen muss ich ein grundsätzliches Problem lösen:
Wie bekomme ich die Sensoren für die Messung "isoliert" ? Selbst wenn ich
per Analogschalter eine
Spalte und eine Zeile auswähle befinden sich im Umfeld der Matrix viele
Sensoren deren serien- und
parallelgeschaltene Kapazitäten ich nicht mitmessen möchte.
Bei der resistiven Variante konnten die Sensoren im Umfeld durch Anlegen von
GND Potential
ausgeblendet werden (Prinzip des OpAmps als Spannungsaddierer).



"Rafael Deliano" <Rafael_Deliano@t-online.de> schrieb im Newsbeitrag
news:4357505A.3A04D6AC@t-online.de...

Gibt es vielleicht ein ähliches Prinzip zur Auswertung eines
kapazitiven arrays ?
In
Baxter "Capacitive Sensors" IEEE Press 1977
kein besonderes gefunden obwohl er auch Kapitel "Graphic Input
Tablets" hat.
In dem Buch wäre auch Schaltungstechnik ausführlich erklärt,
bei Bedarf leihweise.

Zur Selektion habe ich Analogschalter verwendet.
Wenn man für Zeilen und Spalten Analogschalter verwendet
entfallen die Dioden. Man will dann den Kondensator bei ca.
2,5Vdc und hat an beiden Enden des Kondensators
den Serienwiderstand des Analogschalters. Irgendeine AC muß man
aber durchschicken sonst kann man Kondensator nicht auslesen.
Selbstschwingender RC-Oszillator dessen Frequenz von C abhängt
ist naheliegend und simpel. Feste Frequenz und Synchrondemodulator
und damit geringere Bandbreite und weniger Rauschen kann
erforderlich sein.

Wie stehts eigentlich mit Netzbrumm ? Wenn jemand Hand auflegt
hat man den drastisch, soweit man nicht noch Schirmfolie einbaut.

MfG JRD

 

[Marte Schwarz]

Hallo Manfred,

Der Hinweis auf einen Netzbrumm ist gut. Bei der resistiven Variante war
das kein Problem.

Ich wrde schon deswegen die Abfrage in 50/s wählen. Das möglichst genau und
die Brummgeschichten sind deutlich reduziert, wenn Du Dein Signal über diese
Zeit integrieren kannst.

Wenn die Schirmung der Sensoren nicht gut genug ist, müssten die Rohdaten
wohl einen Filteralgorithmus durchlaufen.

Bei einer Auflösung von > 50 Hz wirst Du da nichts mehr filtern können, es
sei denn über mehrere Abfragen hinweg, dann bekommst Du aber keine
Reaktionszeit von 1/100 s mehr heraus

Das Messverfahren selbst muss sehr schnell sein. Die Kapazität als
frequenzbestimmende Variante eines Oszillators zu verwenden um
anschliessend die Frequenz zu messen ist vielleicht viel zu langsam.
Angestrebt werden 100 Abtastungen pro Sekunde. Jeder Sensor muss demnach
in etwa 2,4 us ausgelesen werden.

Wenn Du das sequenziell machst schon. Wenn Du Reihenweise vorgehen kannst
und immer 8 parallel nimmst geht das schon eher.
Google mal nach ttc oder der Firma ACAM, die sollten solche Sachen im Griff
haben.

Ist es vielleicht eine Möglichkeit an der jeweils unter Messung
befindlichen Spalte eine Spannung fester Frequenz
anzulegen und an den Zeilen den Phasenversatz des Stromes zu messen ?

Wenn Du das mit einem einzelnen Sprung macht kommt das in die Richtung, wie
man das bei ACAM macht.

Aber vor diesen Überlegungen muss ich ein grundsätzliches Problem lösen:
Wie bekomme ich die Sensoren für die Messung "isoliert" ? Selbst wenn ich
per Analogschalter eine Spalte und eine Zeile auswähle befinden sich im
Umfeld der Matrix viele Sensoren deren serien- und parallelgeschaltene
Kapazitäten ich nicht mitmessen möchte.
Bei der resistiven Variante konnten die Sensoren im Umfeld durch Anlegen
von GND Potential ausgeblendet werden (Prinzip des OpAmps als
Spannungsaddierer).

Wieso, wenn Du eine Zeile selektierst, dann hängen alle anderen Zeilen an
dem Ende hochohmig. Alle Kondensatoren einer Spalte nun mit einem Widerstand
auf Masse legen und den Strom des Eingangsimpulses messen (bzw eine Zeit bis
zum Erreichen eines Schwellwertes messen) Wenn der Impuls sauber symmetrisch
ist, dann ist danach der Kondensator wieder spannungsfrei. Wenn es nur
darauf ankommt, ob der Taster gedrückt wurde oder nicht, dann lässt sich das
mit einem FPGA recht gut realisieren. das geht dann so schnell, dass die 50
Hz kein Problem mehr sein sollten.

Marte

 

[Rafael Deliano]

Auswert-ICs
http://www.qprox.com

Für "capacitive keyboard" schon aber nicht mit sovielen "Tasten".

MfG JRD

 

[Rafael Deliano]

Den Baxter "Capacitive Sensors" IEEE Press 1977 würde ich gerne einmal
durchschauen.
Bräuchte Versandadresse per email.

Netzbrumm
Filter wäre auch denkbar. Z.B. eine "Induktivität" am Ausgang

der beiden Multiplexer gegen Masse die niederfrequente Signale bedämpft.

Jeder Sensor muss demnach in etwa 2,4 us ausgelesen werden.
Wie weiter oben im thread schon beschrieben: eventuell Suchalgorithmus

der
gezielt Punkte absucht. Oft werden ja irgendwelche Konturen bestimmt.
Komplett suchen müsste man bei Tastatur wo nur 1 Taste gedrückt ist.

Wie bekomme ich die Sensoren für die Messung "isoliert" ?
Völlig wohl gar nicht ( aber dafür entfallen die Dioden ).

* Entweder man lässt die unbenutzten Zeilen und Spalten floaten.
Dann hat man parasitär viele Gruppen von 3 Kondensatoren in Serie
parallel zum Hauptkondensator.
* Oder man nagelt unbenutzte Zeilen und Spalten fest auf Masse.
Dann hat man zwar nur noch je 63 parasitäre Kondensatoren in aktiver
Zeile und Spalte aber die machen satten Schluß.
* Oder man versucht unbenutzte Zeilen und Spalten aktiv per Mitkopplung
zu treiben um die Kapazität zu verringern. Das ist bei hohen
Frequenzen
natürlich problematisch. Baxter hat einige Mitkopplungsvarianten
beschrieben.

MfG JRd