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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Objekterkennungsgerät mit der
Verwendung eines pyroelektrischen Infrarotstrahlungssensor und insbesondere
ein Überwachungsgerät zum Erkennen
der Anwesenheit einer Person in einem Zimmer oder einem Raum.
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HINTERGRUND
DER TECHNIK
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Ein
typisches Objekterkennungsgerät
wird in der japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 2-9891 und
der japanischen Patentanmeldung Nr. 6-3366 offenbart. Das Gerät verwendet
einen pyroelektrischen Sensor, der bei Empfang einer Infrarotstrahlung
von einem menschlichen Körper
einen Abfühlstrom
erzeugt, und einen I/U-Wandler, welcher den Abfühlstrom in eine Spannung umwandelt.
Das Gerät
benötigt
einen Spannungsverstärker,
der die Spannung vom I/U-Wandler auf eine verstärkte Spannung eines Pegels
verstärkt,
der hoch genug ist, um mit einer Schwelle zur Unterscheidung der
Anwesenheit des menschlichen Körpers
verglichen zu werden.
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Wenn
die verstärkte
Spannung die Schwelle überschreitet,
liefert ein Detektor ein Erkennungssignal, das dann verarbeitet
wird, um einen Steuerausgang zum Aktivieren eines externen Geräts, wie
beispielsweise eines Alarmgeräts
und dergleichen, auszugeben. Das Gerät ist so ausgelegt, dass, sobald das
Gerät gespeist
wird, alle elektronischen Komponenten, einschließlich des Spannungsverstärkers und
des Detektors, voll betriebsbereit gemacht werden, wie wenn sie
mit einem Nennstrom von einer Energiequelle werden. Demgemäß verbraucht
das Gerät
die Energie selbst in Abwesenheit der Infrarotstrahlung eines Pegels,
der kein Erkennungssignal auslöst,
d.h. in Abwesenheit des menschlichen Körpers.
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Demnach
verschwendet das Gerät
des Standes der Technik die Energie und bedarf eines häufigen Wechsels
der Batterie, wenn eine als die Energiequelle für das Gerät verwendet wird.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Angesichts
des zuvor erwähnten
Problems wurde die vorliegende Erfindung verwirklicht, um ein besseres
Objekterkennungsgerät
bereitzustellen, das zur Verringerung des Energieverbrauchs imstande
ist und dennoch eine zuverlässige
Objekterkennung aufrechterhält.
Das Objekterkennungsgerät
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet einen pyroelektrischen Sensor, welcher einen
Abfühlstrom gemäß den Änderungen
in der Menge der Infrarotstrahlung erzeugt, die von einem Objekt
in den Sensor einfällt.
Ein I/U-Wandler ist vorgesehen, um den Abfühlstrom in eine entsprechende
Spannung umzuwandeln, welche dann durch einen Spannungsverstärker auf
eine verstärkte
Spannung verstärkt
wird. Das Gerät
umfasst einen Detektor mit einer Pegelüberwachung, welche die verstärkte Spannung
mit einer vorgegebenen Erkennungsschwelle vergleicht, um ein Erkennungssignal
zu liefern, wenn die verstärkte
Spannung ein Erkennungskriterium in Bezug auf die Erkennungsschwelle
erfüllt.
Das Erkennungssignal wird dann verarbeitet, um einen Steuerausgang
zum Aktivieren eines externen Geräts auszugeben. Der Spannungsverstärker ist
imstande, einen beschränkten
Spannungsausgang einer niedrigen Amplitude zu liefern, wenn er einen
begrenzten Quellenstrom von der Energiequelle empfängt, und
einen Nennspannungsausgang einer hohen Amplitude zu liefern, wenn
er von der Energiequelle einen Nennquellenstrom empfängt, der
höher als
der begrenzte Quellenstrom ist. Der Detektor umfasst einen Schwellenwähler, der
zusätzlich
zu der zuvor erwähnten
Erkennungsschwelle eine Vorschwelle aufweist, welche niedriger als
die Erkennungsschwelle ist, und normalerweise so eingestellt wird,
dass er die Vorschwelle an die Pegelüberwachung überträgt. Die Pegelüberwachung
vergleicht den beschränkten Spannungsausgang
vom Spannungsverstärker
mit der Vorschwelle und liefert ein Wecksignal, wenn der beschränkte Spannungsausgang
ein Vorkriterium in Bezug auf die Vorschwelle erfüllt. Als
Reaktion auf das Wecksignal schaltet der Schwellenwähler die Vorschwelle
auf die Erkennungsschwelle um. Das Gerät umfasst auch einen Moduswähler, der
als Reaktion auf das Wecksignal einen Betriebsmodus bereitstellt,
um den Nennquellenstrom von einer Energiequelle an den Spannungsverstärker, so
dass die Pegelüberwachung
den Nennspannungsausgang vom Spannungsverstärker mit der Erkennungsschwelle
zur Erkennung des Objekts vergleicht, und andernfalls einen Bereitschaftsmodus
bereitstellt, um den begrenzten Quellenstrom von der Energiequelle an
den Spannungsverstärker
zu liefern. Auf diese Weise kann das Gerät im Bereitschaftsmodus geringeren
Energieverbrauchs gehalten werden, während der pyroelektrische Sensor
einen niedrigeren Strom erzeugt, der für die Erkennung der Objektanwesenheit
nicht kritisch ist, und es kann in den Betriebsmodus umgeschaltet
werden, wenn der Spannungsverstärker
den Nennspannungsausgang eines Pegels überträgt, der hoch genug ist, um
eine zuverlässige Erkennung
durchzuführen,
sobald der pyroelektrische Sensor einen kritischen Ausgang erzeugt.
Demgemäß ist es
eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Objekterkennungsgerät bereitzustellen,
das zur Verringerung des Energieverbrauchs imstande ist und dennoch
eine zuverlässige
Erkennung gewährleistet.
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Der
Moduswähler
ist so ausgelegt, dass er den Betriebsmodus vom ersten Auftreten
des Erkennungssignals für
einen vorgegebenen Zeitrahmen kontinuierlich aufrechterhält und ihn
danach in den Bereitschaftsmodus zurückschaltet, um unnötigen Energieverbrauch
nach der Objekterkennung zu vermeiden.
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In
dieser Schaltung setzt der Moduswähler vorzugsweise den Zeitrahmen
zurück,
um jedes Mal zu beginnen, wenn dem Erkennungssignal ein anderes
Erkennungssignal innerhalb des Zeitrahmens folgt, wodurch der Betriebsmodus
für eine
fortlaufende und zuverlässige
Erkennung des Objekts ausgedehnt wird.
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Der
Moduswähler
kann mit einem Rücksetzeingang
zum Empfang eines Rücksetzsignals
vom externen Gerät
versehen sein.
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Wenn
der Rücksetzeingang
aktiviert wird, funktioniert der Moduswähler so, dass er den Betriebsmodus
zwangsläufig
in einen Ruhemodus umschaltet, welcher den begrenzten Quellenstrom,
der an den Spannungsverstärker
zu liefern ist, aufrechterhält
und gleichzeitig bei Erfassen des ersten Auftretens des Erkennungssignals
die Pegelüberwachung deaktiviert,
und behält
den Ruhemodus bei, bis er am Rücksetzeingang
das Rücksetzsignal
empfängt.
Auf diese Weise kann das Gerät
mit dem externen Gerät zusammengeschlossen
oder eng verbunden werden, um den Energieverbrauch auf einem Mindestniveau zu
halten, während
das externe Gerät
anspricht, um eine zweckbestimmte Funktion, wie beispielsweise das
Einschalten eines Beleuchtungsgeräts, als Reaktion auf den Steuerausgang
auszuführen,
wodurch der Energieverbrauch verringert wird.
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Um
das Gerät
für eine
zuverlässige
Erkennung schnell zu starten, liefert der Moduswähler vorzugsweise sofort nach
der Speisung des Geräts
nur für
eine vorgegebene Initialisierungszeitspanne einen Initialisierungsstrom
an den Spannungsverstärker,
der höher
ist als der Nennquellenstrom. Außerdem wählt der Moduswähler vorzugsweise
sofort nach der Initialisierungszeitspanne den Ruhemodus für eine vorgegebene
Stabilisierungszeitspanne und schaltet danach den Ruhemodus in den
Bereitschaftsmodus um. Auf diese Weise kann der Spannungsverstärker, der
von Natur aus viel Initialisierungsstrom benötigt, schnell für einen
zuverlässigen Betrieb
vorbereitet werden. Nach der Stabilisierungszeitspanne können die
Komponenten des Geräts
stabilisiert werden, um für
eine zuverlässige
Erkennung bereit zu sein, während
die Möglichkeit
des Auslösens
eines fehlerhaften Schaltungsbetriebs, der zu einer falschen Erkennung
führt,
infolge instabiler Ausgänge
des Spannungsverstärkers
während
der Stabilisierungszeitspanne ausgeschlossen wird.
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Der
Spannungsverstärker
kann ein zweistufiger Verstärker
mit einem Eingangsstufenverstärkerabschnitt
und einem Ausgangsstufenverstärkerabschnitt
sein. In dieser Schaltung ist der Moduswähler so ausgelegt, dass er
im Bereitschaftsmodus den begrenzten Quellenstrom an den Eingangsstufen-
und an den Ausgangsstufenverstärkerabschnitt
liefert und im Betriebsmodus den begrenzten Quellenstrom an den
Eingangsstufenverstärkerabschnitt
und den Nennquellenstrom an den Ausgangsstufenverstärkerabschnitt
liefert. Mit der Verwendung des zweistufigen Verstärkers und
der damit verbundenen Betriebsweise, dass nur der Pegel des Stroms
geändert wird,
der dem Ausgangsstufenverstärkerabschnitt zugeführt wird,
wird es möglich
gemacht, den Energieverbrauch im Vergleich zu einem Fall, in dem
der gesamte Strom an der Verstärker
vom begrenzten Pegel auf den Nennpegel geändert wird, weiter zu verringern.
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Außerdem erzeugt
der Spannungsverstärker vorzugsweise
den Nennspannungsausgang, welcher sich auf einem Pegel direkt über der
Erkennungsschwelle sättigt,
um den Energieverbrauch im Betriebsmodus auf ein Minimum herabzusetzen
und dennoch eine zuverlässige
Erkennung aufrechtzuerhalten.
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Vorzugsweise
umfasst der Schwellenwähler einen
ersten Spannungsteiler, welcher die Vorschwelle aus einer Referenzspannung
liefert, und einen zweiten Spannungsteiler, welcher die Erkennungsschwelle
aus derselben Referenzspannung liefert. Der erste Spannungsteiler
besteht aus einer Hintereinanderschaltung von ersten Resistoren,
während
der zweite Spannungsteiler aus einer Hintereinanderschaltung von
zweiten Resistoren besteht. Der erste Resistor wird so ausgewählt, dass
er einen höheren
Widerstand aufweist als der zweite Resistor, um einen vorteilhaften
Effekt des Verringerns des Energieverbrauchs zu realisieren, der
am ersten Spannungsteiler bewirkt wird, um die Vorschwelle mit der Verwendung
des ersten Resistors hohen Widerstands zu übertragen, während der
zweite Spannungsteiler aktiviert wird, um die Erkennungsschwelle
mit der Verwendung des zweiten Resistors niedrigen Widerstands genau
zu übertragen.
Aug Grund dessen, dass erste und zweite Resistoren vorzugsweise
aus jenen ausgewählt
werden, die zur Miniaturisierung des Geräts in einem Chip integriert
werden können,
und auf Grund dessen, dass die Resistoren der verfügbaren Art
bei Abnahme des vorgesehenen Widerstands auch einen genauen Widerstandswert übertragen
können,
macht der zweite Spannungsteiler vom zweiten Resistor niedrigen
Widerstands Gebrauch, um die genaue Erkennungsschwelle für eine zuverlässige Objekterkennung
damit zu liefern, während
der erste Spannungsteiler mit der Verwendung des ersten Resistors
hohen Widerstands beim Liefern der Vorschwelle, welche für die Objektbestimmung
nicht kritisch ist und im Vergleich zur Erkennungsschwelle grob
geschätzt
sein könnte,
weniger Energie verbrauchen kann. Zum Beispiel kann der erste Resistor
aus einem nicht mit Fremdatomen dotierten Polysiliciumresistor und
einem MOS-Transistor (Metalloxidhalbleiter nach engl. metal oxide
semiconductor) ausgewählt
werden, während
der zweite Resistor aus einem mit Fremdatomen dotierten Polysiliciumresistor
ausgewählt
werden kann.
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Diese
und noch andere Aufgaben und vorteilhafte Merkmale der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockdiagramm, das eine Schaltung eines Objekterkennungsgeräts gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ist
ein Schaltbild, das einen Stromregler und die damit verbundenen
Schaltungen des zuvor erwähnten
Geräts
darstellen;
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3 ist
ein Schaltbild eines Spannungsverstärkers, der in dem zuvor erwähnten Gerät verwendet
wird;
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4 ist
ein Wellenformdiagramm, welches die Funktionsweise des zuvor erwähnten Geräts veranschaulicht;
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5 ist
ein Wellenformdiagramm, welches eine Operation des Moduswählers veranschaulicht;
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6 ist
ein Schaltbild eines Schwellenwählers,
der in dem zuvor erwähnten
Gerät verwendet wird;
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7 ist
ein Schaltbild, das einen auf das zuvor erwähnte Gerät anwendbaren modifizierten Stromregler
und die damit verbundene Schaltung darstellt;
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8 ist
ein Schaltbild eines Spannungsverstärkers, der in Verbindung mit
dem zuvor erwähnten modifizierten
Stromregler verwendet wird.
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AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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Nunmehr
unter Bezugnahme auf 1 ist ein Objekterkennungsgerät gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Gerät wird zur Überwachung eines Zimmers oder ähnlichen
Raums verwendet und ist so ausgelegt, dass es mit einem externen
Gerät,
wie beispielsweise einem Beleuchtungsgerät, einem Alarmgerät und dergleichen,
zusammengeschaltet werden kann, um das externe Gerät bei Erkennen
eines menschlichen Körpers
in dem Zimmer zu aktivieren. Das Gerät verwendet einen pyroelektrischen Sensor 10,
welcher einen Abfühlstrom
im Verhältnis zu Änderungen
in der Menge von einfallender Infrarotstrahlung vom menschlichen
Körper
erzeugt. Der Abfühlstrom
wird einem I/U-Wandler 20 zugeführt, wo er in eine entsprechende
Spannung umgewandelt wird. Dann wird die Spannung in einem Spannungsverstärker 30 verstärkt, um
einen Spannungsausgang an einen Detektor 40 zur Erkennung
des menschlichen Körpers
liefern. Der Verstärker 30 weist
eine Offsetspannung VOFT auf, um die herum der Spannungsausgang
VOUT im Verhältnis
zur Menge des Abfühlstroms
vom pyroelektrischen Sensor 10 variiert, wie in 4 dargestellt.
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Der
Detektor 40 umfasst eine Pegelüberwachung 50, einen
Schwellenwähler 60,
welcher zwei Schwellen, nämlich
eine Vorschwelle TH1 und eine Erkennungsschwelle TH2 (>TH1), an die Pegelüberwachung 50 liefert,
und einen Steuerausgangsgenerator 70. Der Spannungsausgang
VOUT vom Verstärker 30 wird
in der Pegelüberwachung 50 selektiv mit
der TH1 (–TH1)
und der TH2 (–TH2)
verglichen, um ein Wecksignal zu erzeugen, wenn der Spannungsgausgang
eine Beziehung erfüllt,
dass VOUT > TH1 oder
VOUT < –TH1, und
ein Erkennungssignal zu erzeugen, wenn der Spannungsausgang eine
Beziehung erfüllt,
dass VOUT > TH2 oder
VOUT < –TH2. Der
Steuerausgangsgenerator 70 ist vorgesehen, um als Reaktion
auf das Erkennungssignal einen Steuerausgang an einen Ausgangsanschluss 41 auszugeben,
um das externe Geräts
zu aktivieren.
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Wie
später
erörtert
wird, wird das Wecksignal verwendet, um einen Bereitschaftsmodus,
welcher ein Standardmodus geringeren Leistungsverbrauchs ist, in
einen Betriebsmodus für
eine zuverlässige
Erkennung des Objekts umzuschalten. Der Bereitschaftsmodus wird
so definiert, dass er einen begrenzten Quellenstrom an den I/U-Wandler 20,
den Spannungsverstärker 30,
die Pegelüberwachung 50 und
den Steuerausgangsgenerator 70 zum Aktivieren derselben
auf einem Mindestleistungspegel liefert, und der Betriebsmodus wird
so definiert, dass er einen Nennquellenstrom, der höher als
der begrenzte Quellenstrom ist, an dieselben zum Aktivieren derselben
bei ihrer vollen Leistungsfähigkeit
liefert, um ein zuverlässiges
und widerspruchsfreies Erkennungsergebnis zu erhalten.
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Zu
diesem Zweck ist das Gerät
mit einem Moduswähler 80 versehen,
welcher eine Steuereinheit 90, einen Stromregler 100 und
einen Zeitgeber 120 umfasst. Die Steuereinheit 90 ist
vorgesehen, um den Bereitschaftsmodus in den Betriebsmodus umzuschalten
und umgekehrt. Der Stromregler 100 ist so konfiguriert,
dass er Quellenströme
verschiedener Pegel, welche durch die Steuereinheit 90 festgelegt
werden, fließen
lässt.
Die Quellenströme
umfassen den begrenzten Quellenstrom von zum Beispiel etwa 0,03 μA bis 0,09 μA, den Nennquellenstrom
von zum Beispiel etwa 0,18 μA
bis 0,6 μA
und einen Initialisierungsstrom, der höher als der Nennstrom ist. Wie
in 2 dargestellt, umfasst der Stromregler 100 eine
Konstantstromversorgung 101, eine Mehrzahl von FETs 102 bis 107 und
Schalter 111 bis 113. Die Konstantstromversorgung 101 liefert
einen Referenzstrom I101 von einer Energiequelle Vdd durch den FET 102,
während
eine Hintereinanderschaltung der FETs 103 und 104 über die
Hintereinanderschaltung der Stromversorgung 101 und des
FETs 102 angeschlossen ist, um einen Spiegelstrom I103
fließen zu
lassen. Über
den FET 104 sind drei Sätze
von Hintereinanderschaltungen, welche, wie veranschaulicht, jeweils
aus einem der Schalter 111 bis 113 und einem der
FETs 105 bis 107 bestehen, so angeschlossen, dass
der Spiegelstrom I103 durch selektives Schließen und Öffnen der Schalter 111 bis 113 variieren
kann. Da der Spiegelstrom I103 variiert, werden der I/U-Wandler 20,
der Spannungsverstärker 30,
die Pegelüberwachung 50 und
der Steuerausgangsgenerator 70, welche angeschlossen sind,
um eine entsprechend variierte Spannung zu empfangen, mit dem begrenzten
Quellenstrom, dem Nennquellenstrom oder dem Initialisierungsquellenstrom versorgt.
Wie in der Figur veranschaulicht, umfasst der Spannungsverstärker 30 zum
Beispiel zwei FETs 33 und 34, deren Gates so angeschlossen
sind, dass sie die Spannung empfangen, welche dem Spiegelstrom I103
entspricht, um. die Ströme
I33 und I34 als den begrenzten Quellenstrom, den Nennquellenstrom
oder den Initialisierungsquellenstrom von der Energiequelle Vdd
fließen
zu lassen. Dadurch kann der Spannungsverstärker 30 selektiv veranlasst
werden kann, den beschränkten
Spannungsausgang proportional zur Spannung vom I/U-Wandler 20 zu liefern,
den Nennspannungsausgang proportional zur Spannung vom I/U-Wandler 20 und
die Initialisierung abzuschließen,
wie später
erörtert
wird.
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Wie
in 3 dargestellt, ist der Spannungsverstärker 30 ein
zweistufiger Verstärker
mit einem Eingangsstufenverstärkerabschnitt 31 und
einem Ausgangsstufenverstärkerabschnitt 32.
Diese Abschnitte 31 und 32 umfasst Strom regulierende
FETs 33 und 34, welche auf den Spiegelstrom I103,
der durch den Stromregler 100 fließt, ansprechen, um die Quellenströme I33 und
I34 von der Energiequelle Vdd zum Eingangsstufenverstärkerabschnitt 31 beziehungsweise
Ausgangsstufenverstärkerabschnitt 32 fließen zu lassen.
Die Gates der FETs 31 und 32 sind üblicherweise
so angeschlossen, dass sie die Spannung, welche dem Spiegelstrom
I103 entspricht, an einem Stromsteuereingang 35 empfangen.
Der Eingangsstufenverstärkerabschnitt 31 umfasst
einen Referenzspannungseingang 36 zum Empfangen einer vorgegebenen
Referenzspannung und einen Spannungseingang 37 zum Empfangen der
Spannung vom I/U-Wandler 20, um dieselbe zu verstärken. Der
Ausgangsstufenverstärkerabschnitt 32 umfasst
einen Ausgangsanschluss 38, um den verstärkten Ausgang
an die Pegelüberwachung 50 zu
liefern.
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Außerdem weist
der I/U-Wandler 20 eine zweistufige Konfiguration mit zwei
parallelen Strom regulierenden FETs 23 und 24 auf,
welche zwischen der Energiequelle Vdd und der Erde angeschlossen sind
und deren Gates so angeschlossen sind, dass sie die Spannung empfangen,
welche dem Strom I103 entspricht, um die Ströme I23 und I24 als den begrenzten
Quellenstrom, den Nennquellenstrom oder den Initialisierungsquellenstrom
fließen
zu lassen, um dadurch den entsprechenden Ausgang an den Spannungsverstärker 30 zu
liefern. Gleichermaßen
umfassen die Pegelüberwachung 50 und
die Ausgangssteuereinheit 70 die Strom regulierenden FETs 53 beziehungsweise 73,
um die Einzelströme I53
und I73 als einen der zuvor erwähnten
verschiedenen Ströme
fließen
zu lassen. Es ist zu erwähnen, dass
in dieser Schaltung diese Quellenströme I33, I34, I23, I24, I53
und I73 durch Auswählen
der entsprechenden FETs verschiedener Charakteristiken verschieden
voneinander gemacht werden können.
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Die
Steuereinheit 90 wird normalerweise so eingestellt, dass
sie den Bereitschaftsmodus, in welchem der Stromregler 100 anspricht,
veranlasst, den begrenzten Quellenstrom fließen zu lassen, und der Schwellenwähler 60 wird
normalerweise so eingestellt, dass er die Vorschwelle TH1 an die
Pegelüberwachung 50 überträgt, damit
die Pegelüberwachung 50 den
Spannungsausgang VOUT als den beschränkten Spannungsausgang vom
Spannungsverstärker 30,
d.h. die Spannung niedriger Verstärkung, nimmt und sie mit der
Vorschwelle TH1 vergleicht. Wenn sich herausstellt, dass VOUT > TH1 oder VOUT < -TH1, wie in 4 dargestellt,
liefert die Pegelüberwachung 50 das
Wecksignal an den Schwellenwähler 60,
sowie an die Steuereinheit 90 des Moduswählers 80.
Nach diesem Ereignis überträgt der Schwellenpegelwähler 60 die
Erkennungsschwelle VTH2 an die Pegelüberwachung 50, und
die Steuereinheit 90 wählt
gleichzeitig den Betriebsmodus, um den Verstärker 30 zu veranlassen,
den Spannungsausgang VOUT als den Nennspannungsausgang, d.h. die
Spannung hoher Verstärkung,
zu liefern. Auf diese Weise wird die Pegelüberwachung 50 aktiviert, um
den Spannungsausgang VOUT mit dem Erkennungsschwelle TH2 zu vergleichen
und das Erkennungssignal auszugeben, wenn VOUT > TH2 oder VOUT < -TH2.
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Das
Erkennungssignal zeigt die Anwesenheit des menschlichen Körpers an
und wird in das Steuersignal zum Aktivieren des externen Geräts umgewandelt.
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Wenn
das Erkennungssignal ausgegeben wird, spricht die Steuereinheit 90 an,
um den Zeitgeber 120 zu aktivieren, damit er mit dem Zeitzählen beginnt,
und schaltet den Betriebsmodus zurück in den Bereitschaftsmodus,
nachdem der Zeitgeber einen vorgegebenen Zeitrahmen 7 gezählt hat,
wodurch das Gerät
zum Prüfen
des nächsten
Wecksignals vorbereitet wird. Außerdem überprüft die Steuereinheit 90 ständig, ob
ein nachfolgendes Erkennungssignal innerhalb des Zeitrahmens T ausgegeben
wird oder nicht, und setzt den Zeitgeber 120 zurück, um jedes
Mal mit dem Zeitzählen
zu beginnen, wenn das nachfolgende Erkennungssignal innerhalb des
Zeitrahmens T bestätigt
wird, wodurch der Zeitrahmen T so lange ausgedehnt wird, wie das
Erkennungssignal fortlaufend auftritt, um dieses Ereignis dem externen
Gerät mitzuteilen.
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Die
Steuereinheit 90 ist wahlweise mit einem Rücksetzanschluss 91 versehen,
um ein Rücksetzsignal
vom externen Gerät
zu empfangen. Wenn der Rücksetzanschluss 91 an
ein externes Gerät
angeschlossen ist, wird die Steuereinheit 90 so eingestellt, dass
sie einen Ruhemodus auswählt,
sobald das Erkennungssignal bestätigt
wird, und den Ruhemodus beibehält,
bis sie ein Rücksetzsignal
vom externen Gerät
empfängt.
Der Ruhemodus wird so definiert, dass er die Lieferung des begrenzten
Quellenstroms an den I/U-Wandler 20, den Verstärker 30,
die Pegelüberwachung 50 und
den Steuerausgangsgenerator 70 aufrechterhält und gleichzeitig
die Pegelüberwachung 50 deaktiviert,
d.h. das Ergebnis der Pegelüberwachung 50 nicht
beachtet. Auf diese Weise ist es möglich, den Energieverbrauch
auf ein Minimum herabzusetzen, während
das externe Gerät
anspricht, und dennoch das Auftreten des Wecksignals zu vermeiden,
welches den Betriebsmodus auslösen
würde.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das externe Gerät als Reaktion
auf das erste Auftreten des Erkennungssignals nur für einen
begrenzten Zeitraum ansprechen muss.
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Um
den Energieverbrauch am Verstärker 30 zu
verringern, sobald das Erkennungssignal ausgegeben wird, kann der
Verstärker 30 so
ausgewählt werden,
dass er den Spannungsausgang VOUT direkt über der Erkennungsschwelle
TH2 oder direkt unter -TH2 sättigt,
wenn mit dem Nennquellenstrom geliefert, wie in 5 dargestellt.
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Wie
in 6 dargestellt, umfasst der Schwellenwähler 60 einen
ersten Spannungsteiler zum Liefern der Vorschwelle TH1 und einen
zweiten Spannungsteiler zum Liefern der Erkennungsschwelle TH2 an
die Pegelüberwachung 50.
Der erste Spannungsteiler ist eine Hintereinanderschaltung von ersten
Resistoren 61, welche mit einem Schalter 63 zwischen
der Energiequelle Vdd und der Erde in Reihe geschaltet sind, während der
zweite Spannungsteiler eine Hintereinanderschaltung von zweiten
Resistoren 62 ist, welche mit einem Schalter 64 zwischen
der Energiequelle und der Erde in Reihe geschaltet sind. Die Verbindung
zwischen den ersten Resistoren 61 ist durch einen Schalter 65 an
die Pegelüberwachung 50 angeschlossen,
während
die Verbindung zwischen den Resistoren 62 durch einen Schalter 66 an die
Pegelüberwachung
angeschlossen ist. Normalerweise sind die Schalter 63 und 65 geschlossen,
um die Vorschwelle TH1 an die Pegelüberwachung 50 zu liefern.
Wenn das Wecksignal von der Pegelüberwachung 50 empfangen
wird, werden die Schalter 64 und 66 geschlossen,
um die Erkennungsschwelle TH2 an die Pegelüberwachung 50 zu liefern.
Angesichts dessen, dass die Vorschwelle grob geschätzt sein
kann, da sie für
die Erkennung des menschlichen Körpers
nicht kritisch ist, während
die Erkennungsschwelle für
eine zuverlässige
Erkennung genau zu sein hat, und auch dessen, dass verfügbare Resistorelemente,
welche zusammen mit anderen elektronischen Komponenten des Geräts in einem Halbleiterchip
integriert werden können,
bei abnehmendem Widerstandswert einen genaueren Widerstandswert
aufweisen, ist in der vorliegenden Erfindung vorgesehen, die ersten
Resistoren 61 mit dem höheren
Widerstand und die zweiten Resistoren 62 mit niedrigerem
Widerstand zu verwenden. Dadurch ist es möglich, die zuverlässige Personenerkennung mit
der genau bestimmten Erkennungsschwelle übertragen und dennoch den Energieverbrauch
zu verringern, indem die Vorschwelle mit der Verwendung der ersten
Resistoren hohen Widerstands geliefert wird. Zum Beispiel wird der
erste Resistor 61 aus einem nicht mit Fremdatomen dotierten
Polysiliciumresistor oder einem MOS-Transistor (Metalloxidhalbleiter
nach engl. metal oxide semiconductor) ausgewählt, während der zweite Resistor 62 aus
einem mit Fremdatomen dotierten Polysiliciumresistor ausgewählt wird.
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Außerdem ist
das Gerät
so ausgelegt, dass es sich nach der Speisung schnell für eine unverzügliche und
zuverlässige
Objekterkennung stabilisiert. Zu diesem Zweck spricht die Steuereinheit 90 auf
das Einschalten eines Leistungsschalters 130 des Geräts an, um
eine Initialisierungszeitspanne bereitzustellen, während der
der Initialisierungsstrom, welcher höher als der Nennstrom ist,
in dem I/U-Wandler 20 und dem Spannungsverstärker 30 fließen gelassen wird,
um diese hohen Strom verbrauchenden Schaltungen betriebsbereit zu
machen, und der begrenzte Strom wird zu der Pegelüberwachung 50 und
dem Steuerausgangsgenerator 70 von weniger Strom verbrauchenden
Schaltungen fließen
gelassen. Unmittelbar danach wählt
die Steuereinheit 90 den Ruhemodus, welcher den Ausgang
der Pegelüberwachung 50 für eine vorgegebene
Stabilisierungszeitspanne deaktiviert, während der der begrenzte Quellenstrom
geliefert wird, um alle Schaltungen so zu stabilisieren, dass sie
bereit sind für
eine zuverlässige
Erkennung frei von jeglichem Fehlbetrieb infolge instabiler Ausgänge von
den einzelnen Schaltungen, insbesondere von dem I/U-Wandler 20 und
dem Spannungsverstärker 30.
Danach schaltet die Steuereinheit 90 den Ruhemodus in den
Bereitschaftsmodus um und aktiviert den Ausgang der Pegelüberwachung 50 zur
Durchführung
der vorgesehenen Operation des Erkennens des menschlichen Körpers.
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7 und 8 stellen
einen modifizierten Stromregler 100A und die damit verbundene
Schaltungen dar, welche jenen ähneln,
die in der zuvor beschriebenen Ausführungsform verwendet wurden, aber
so konfiguriert sind, dass sie den Strom, der an den Ausgangsstufenverstärker des
I/U-Wandlers 20 und den Ausgangsstufenverstärker des
Spannungsverstärkers 30 geliefert
wird, umschalten, während sie
den begrenzten Quellenstrom zu den Eingangsstufenverstärkern des
I/U-Wandlers 20, dem Eingangsstufenverstärker des
Spannungsverstärkers 30,
der Pegelüberwachung 50 und
dem Steuerausgangsgenerator 70 konstant fließen lassen.
In dieser Schaltung ist der Verstärker 30 so konfiguriert,
wie in 8 dargestellt, nämlich dass der FET 33 des
Eingangsstufenverstärkerabschnitts 31 und
der FET 34 des Ausgangsstufenverstärkerabschnitts 32 individuelle
Gates aufweisen, um die Ströme
I103A und I103B mit verschiedenen Pegeln oder verschiedener Spannung
vom Stromregler 100A jeweils durch die Stromsteuereingänge 35A beziehungsweise 35B zu empfangen.
Wie in 7 dargestellt, umfasst der Stromregler 100A neben
einer Hintereinanderschaltung einer Konstantstromversorgung 101A und
eines FETs 102A, welche über die Energiequelle Vdd angeschlossen
sind, einen Eingangsstromgenerator 121, der aus den FETs 103A, 104A und 105A und
einem Schalter 111A besteht, um einen Eingangsspiegelstrom
I103A zu liefern, und einen Ausgangsstromgenerator 122,
der aus den FETs 103B, 104B und 105B und
den Schaltern 111B, 112B und 113B besteht,
um einen Ausgangsspiegelstrom I103B zu liefern. Der Eingangsspiegelstrom
I103A wird als eine entsprechende Spannung an das Gate des Strom
regulierenden FETs 23 des Eingangsstufenverstärkerabschnitts 21 des
I/U-Wandlers 20, das Gate des Strom regulierenden FETs 33 des
Eingangsstufenverstärkerabschnitts 31 des
Verstärkers 30,
das Gate des Strom regulierenden FETs 53 der Pegelüberwachung 50 und
das Gate des Strom regulierenden FETs 73 des Steuerausgangsgenerators 70 angelegt,
um die begrenzten Quellenströme
I23, I33, I53 und I73 von der Energiequelle Vdd zu den einzelnen Schaltungen 20, 30, 50 und 70 fließen zu lassen. Gleichermaßen wird
der Ausgangsspiegelstrom I103B als eine entsprechende Spannung an
das Gate des Strom regulierenden FETs 24 des Ausgangsstufenverstärkerabschnitts 22 des
I/U-Wandlers 20 und
das Gate des Strom regulierenden FETs 34 des Ausgangsstufenverstärkerabschnitts 32 des Verstärkers 30 angelegt,
um die Ströme
I24 und I34 von der Energiequelle Vdd zu den Ausgangsstufenverstärkerabschnitten
durch selektive Aktivierung der Schalter 111B, 112B und 113B als
den begrenzten Quellenstrom, den Nennquellenstrom oder den Initialisierungsstrom
fließen
zu lassen.
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In
Abwesenheit des Wecksignals von der Pegelüberwachung 50 stellt
die Steuereinheit 90 des Moduswählers 80 die Schalter 111B, 112B und 113B des
Ausgangsstromgenerators 122 so ein, dass der Ausgangsspiegelstrom
I103B beinahe gleich dem Eingangsspiegelstrom I103A gemacht wird,
wodurch die begrenzten Quellenströme I24 und I34, die beinahe
gleich jenen Strömen
I23, I33, I53, I73 sind, welche durch den Eingangsspiegelstrom I103A
bewirkt werden, zu den Ausgangsstufenverstärkerabschnitten des I/U-Wandlers 20 und
des Verstärkers 30 fließen gelassen
werden. Wenn das Wecksignal bestätigt
wird, wird die Steuereinheit 90 so geschaltet, dass sie
den Ausgangsspiegelstrom I103B höher
als den Eingangsspiegelstrom I103A liefert, wodurch die Nennquellenströme I24 und
I34, die höher
als jene Ströme
I23, I33, I53, I73 sind, welche durch den Eingangspiegelstrom I103A
bewirkt werden, zu den Ausgangsstufenverstärkerabschnitten des I/U-Wandlers
20 und des Verstärkers 30 fließen gelassen
werden. Auf diese Weise können,
wenn das Gerät
in den Betriebsmodus umgeschaltet wird, die Nennströme hohen
Pegels nur an die Ausgangsstufenverstärkerabschnitte des I/U-Wandlers 20 und
des Verstärkers 30 für die vorgesehene
Leistung geliefert werden, wodurch unnötiger hoher Stromverbrauch vermieden
wird, der andernfalls an den Eingangsstufenverstärkerabschnitten erfolgen würde. Der
hohe Initialisierungsstrom, welcher ganz am Anfang der Speisung
des Geräts
benötigt
wird, kann nur den Ausgangsstufenverstärkerabschnitten des I/U-Wandlers 20 und
des Verstärkers 30 zugeführt werden,
während
die begrenzten Quellenströme
den Eingangsstufenverstärkerabschnitten
des I/U-Wandlers 20 und des Verstärkers 30, sowie der
Pegelüberwachung 50 und
dem Steuerausgangsgenerator 70 zugeführt werden. In diesem Sinne
ist der Stromregler 100A auch so konfiguriert, dass er
durch selektive Aktivierung der Schalter 111B bis 113B den
Initialisierungsstrom höher
als den Nennquellenstrom liefert.
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Die
Merkmale, die in der vorangehenden Beschreibung, in den Patentansprüchen und/oder
in den beiliegenden Zeichnungen offenbart wurden, sind sowohl getrennt
als auch in jeder Kombination davon maßgeblich für die Realisierung der Erfindung in
diversen Formen davon.