-
ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
im Allgemeinen Sensorelemente und insbesondere ein direktes Sensorschnittstellenmodul,
das einen Mikrocontroller direkt mit Sensoren verbindbar macht,
die Widerstands-, Kapazitäts-
und/oder Stromquellencharakteristika aufweisen, ohne einen herkömmlichen Analog-Digital(A/D)-Wandler und/oder
die traditionelle, damit verbundene Signalaufbereitungsschaltung zu
benötigen.
-
Beschreibung
des Stands der Technik
-
Sensorelemente werden im Allgemeinen
in drei Klassen unterteilt: Widerstands-, Kapazitäts- und Stromquellen.
Einige typische Beispiele für
Sensoren in diesen drei Klassen sind: Widerstandssensoren – Thermistoren,
Gas-Detektoren (d. h. für
CO, Ozon, Alkohol, Chlor, Butan, Benzol usw.) und Fotodetektoren;
kapazitive Sensoren – Sensoren
für die
relative Feuchtigkeit (RH), Flüssigkeitspegelsensoren,
winkelige oder geradlinige Bewegungssensoren und Anwesenheitsdetektoren;
und Stromquellensensoren – Fotodioden
und Fototransistoren. Gegenwärtig
wird ein Analog-Digital(A/D)-Wandler oder eine Art von Signalaufbereitungsschaltung
(d. h. Verstärker)
benötigt,
damit ein Mikrocontroller über
eine Schnittstelle mit einem Sensor verbindbar ist. Daher bestand
eine Notwendigkeit, ein direktes Sensorschnittstellenmodul bereitzustellen,
das Mikrocontroller mit Sensoren direkt verbindbar macht, welche
Widerstands-, Kapazitäts-
und/oder Stromquellencharakteristika aufweisen, ohne dass herkömmliche
A/D- Wandler oder
die traditionelle, damit verbundene Signalaufbereitungsschaltung
benötigt
werden. Das direkte Sensorschnittstellenmodul wird auf Grund der
Mehrbereichsfähigkeiten
des direkten Sensorschnittstellenmoduls in der Lage sein, eine höhere Messauflösung als
eine herkömmliche
Implementierung unter Verwendung eines A/D-Wandlers bereitzustellen.
Das direkte Sensorschnittstellenmodul kann mit einem beliebigen
von drei Eingabemodi konfiguriert werden: Widerstand, Kapazität oder Stromquelle.
Das direkte Sensorschnittstellenmodul ist ferner in der Lage, mehrere
Sensoren unterschiedlicher Typen zu messen. Das direkte Sensorschnittstellenmodul
ermöglicht
es darüber
hinaus dem Benutzer, die Referenztypen und -werte auszuwählen, um
während
der Laufzeit eine Systemkalibrierung durchzuführen, wodurch es nicht mehr
notwendig ist, jedes Element zu kalibrieren, und wodurch die Parameter
des direkten Sensorschnittstellenmoduls relativ unempfindlich gegenüber Halbleiterprozess-Schwankungen
werden.
-
KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Er findung ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein direktes Sensorschnittstellenmodul zu schaffen, das
einen Mikrocontroller direkt mit Sensoren verbindbar macht, die
Widerstands-, Kapazitäts-
und/oder Stromquellencharakteristika aufweisen, ohne einen herkömmlichen
A/D-Wandler und/oder die traditionelle, damit verbundene Signalaufbereitungsschaltung
zu benötigen.
-
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein direktes Sensorschnittstellenmodul zu schaffen, das auf Grund
der Mehrbereichsfähigkeiten des
direkten Sensorschnittstellenmoduls imstande ist, eine höhere Messauflösung bereitzustellen
als eine herkömmliche
Implementierung unter Verwendung eines A/D-Wandlers.
-
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein direktes Sensorschnittstellenmodul bereitzustellen, das auf
einen von drei Eingabemodi konfiguriert werden kann: Widerstand,
Kapazität und/oder
Stromquelle.
-
Es ist eine nochmals weitere Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein direktes Sensorschnittstellenmodul
zu schaffen, das imstande ist, mehrere Sensoren unterschiedlicher
Typen zu messen.
-
Es ist eine abermals weitere Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein direktes Sensorschnittstellenmodul
zu schaffen, das es dem Benutzer ermöglicht, die Referenztypen und
-werte auszuwählen,
um während
der Laufzeit eine Systemkalibrierung durchzuführen, wodurch es nicht mehr
notwendig ist, jedes Element zu kalibrieren, und wodurch das direkte
Sensorschnittstellenmodul gegenüber Halbleiterprozess-Schwankungen
relativ unempfindlich wird.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein direktes Sensorschnittstellen(DSI)-Modul,
das einen Mikrocontroller direkt mit Sensoren verbindbar macht,
die zumindest Widerstands-, Kapazitäts- und Stromquellencharakteristika aufweisen,
offenbart. Das DSI-Modul ist direkt mit einem Sensorelement gekoppelt,
das einen zu einem Ausgangswert des Sensorelements proportionalen
Sensorstrom erzeugt. Ein Stromspiegelkreis ist mit dem Sensorelement
gekoppelt, um einen zum Sensorstrom des Sensorelements proportionalen
Ladestrom auszugeben. Ein kapazitives Element ist mit dem Stromspiegelkreis
gekoppelt. Das kapazitive Element erzeugt eine Spannung, wenn das
kapazitive Element durch den Ladestrom, der vom Stromspiegelkreis
ausgegeben wird, geladen wird. Ein Schalter ist mit dem kapazitiven
Element gekoppelt, um zuzulassen, dass der vom Stromspiegelkreis ausgegebene
Ladestrom das kapazitive Element lädt. Der Schalter wird auch
für das
Entladen des kapazitiven Elements gegen Masse verwendet. Das DSI-Modul
verwendet auch einen Komparator. Der Komparator weist einen ersten
Eingang auf, der mit einer Schwellenspannungsquelle gekoppelt ist,
und einen zweiten Eingang, der mit dem kapazitiven Element gekoppelt
ist. Der Komparator wird verwendet, um ein Signal abzugeben, wenn
die durch das kapazitive Element erzeugte Spannung einen Pegel erreicht,
welcher der Schwellenspannungsquelle entspricht. Ein Impulsgenerator
mit einem Eingang, der mit einem invertierten Ausgang des Komparators
gekoppelt ist, wird verwendet, um eine konstante Impulsbreite zu
erzeugen, die den Schalter zum Schließen veranlasst, um das kapazitive
Element vollständig
gegen Masse zu entladen, wenn die von dem kapazitiven Element erzeugte
Spannung der Schwellenspannungsquelle entspricht. Das Ausgangssignal des
Impulsgenerators weist eine Periode zwischen konstanten Impulsbreiten
auf, die gleich der Zeit ist, die das kapazitive Element geladen
wird. Diese Zeitperiode ist proportional zum Ausgangswert des Sensormittels.
Das DSI-Modul kann
ferner einen Spannungsgenerator umfassen. Der Spannungsgenerator ist
mit dem Sensorelement und dem Stromspiegelkreis gekoppelt. Der Spannungsgenerator
wird verwendet, um eine konstante Erregerspannung am Sensorelement
einzustellen, damit das Sensorelement den Sensorstrom erzeugt, der
proportional zum Ausgangswert des Sensorelements ist.
-
Die zuvor genannten und andere Aufgaben, Merkmale
und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, detaillierteren
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
hervorgehen, wie sie in den beigelegten Zeichnungen dargestellt
sind.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
-
Es zeigen:
-
1 ein
vereinfachtes Funktionsblockdiagramm des direkten Sensorschnittstellenmoduls
der vorliegenden Erfindung, das in einem Widerstandseingabemodus
arbeitet;
-
2 ein
Zeitdiagramm des direkten Sensorschnittstellenmoduls, wenn das direkte
Sensorschnittstellenmodul in einem Widerstandseingabemodus arbeitet;
-
3 ein
vereinfachtes Funktionsblockdiagramm des direkten Sensorschnittstellenmoduls
der vorliegenden Erfindung, das in einem Kapazitätseingabemodus arbeitet;
-
4 ein
vereinfachtes Funktionsblockdiagramm des direkten Sensorschnittstellenmoduls
der vorliegenden Erfindung, das in einem Stromquelleneingabemodus
arbeitet;
-
5 ein
vereinfachtes Funktionsblockdiagramm einer anderen Ausführungsform
des direkten Sensorschnittstellenmoduls, das verwendet wird, um die
Genauigkeit und Beständigkeit
des direkten Sensorschnittstellenmoduls zu verbessern;
-
6 ein
Zeitdiagramm des direkten Sensorschnittstellenmoduls für die in 5 dargestellte Ausführungsform;
-
7A eine
Anwendung des direkten Sensorschnittstellenmoduls, das nur Widerstandseingaben
aufweist;
-
7B eine
Anwendung des direkten Sensorschnittstellenmoduls, das Widerstands-
und Kapazitätseingaben
aufweist;
-
7C eine
Anwendung des direkten Sensorschnittstellenmoduls, das Widerstands-
und Stromquelleneingaben aufweist.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein direktes Sensorschnittstellen(DSI)-Modul 10 gezeigt,
das in einem Widerstandseingabemodus arbeitet. Bei dieser Ausführungsform
stellt das DSI-Modul 10 eine konstante Erregerspannung
am Widerstandssensor 12 ein. Der Sensorstrom IS wird
abgetastet und verwendet, um einen Kondensator 14 zu laden.
Unter Verwendung eines Spannungskomparators 16 und einer
Schwellenspannungsreferenz nVREF kann die Zeit,
die die Spannung des Kondensators 14 benötigt, um
von Null auf die Schwellspannungsreferenz nVREF anzusteigen,
gemessen werden. Diese Ladezeit ist proportional zum Widerstand
des Widerstandssensors 12. Wenn die Ladezeit verwendet wird,
um einen Zeitgeber zu aktivieren, ist der Zeitgeberwert am Ende
jeder Umwandlung proportional zum Widerstandswert des Widerstandssensors 12.
-
Wenn das DSI-Modul 10 in
einem Widerstandseingabemodus arbeitet, wird die Erregerspannung
durch eine Spannungsquelle 18 erzeugt. Die Spannungsquelle 18 umfasst
einen Verstärker 20 und
einen Transistor 22. Die Spannungsquelle 18 weist
zwei Eingangsanschlüsse
auf. Der erste Eingangsanschluss ist mit einer Spannungsquelle VR
EF gekoppelt. Der
zweite Eingangsanschluss ist mit dem Widerstandssensor 12 gekoppelt.
Der Ausgang des Verstärkers 20 ist
mit dem Gate des Transistors 22 gekoppelt. Die Quelle des
Transistors 22 ist mit dem Widerstandssensor 12 gekoppelt,
während
der Drain des Transistors 22 mit einem Stromspiegelkreis 24 gekoppelt
ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist der Transistor 22 ein Feldeffekttransistor
(FET).
-
Der Verstärker 20 und der Transistor 22 bilden
die Spannungsquelle 18, welche die Erregerspannung VREF am Widerstandssensor 12 einstellt. Dies
führt dazu,
dass ein Sensorstrom IS durch den Widerstandssensor 12 fließt, der
gleich der Erregerspannung VREF geteilt
durch den Widerstand RS des Widerstandssensors 12 ist
(IS = VREF/RS). Der Transistor 22 wird als ein
Spannungsfolger verwendet. Der Transistor ermöglicht es dem Benutzer auch,
den Sensorstrom IS zu messen.
-
Ein Stromspiegelkreis 24 ist
mit dem Drainanschluss des Transistors 22 gekoppelt. Der
Stromspiegelkreis 24 kann die Form einer beliebigen Anzahl
an unterschiedlichen Ausführungsformen
annehmen, wobei der Ausgangsstrom des Kreises proportional zum Eingangsstrom
ist. Der Stromspiegelkreis kann zum Beispiel eine Kaskodeschaltung
sein. Bei der in 1 dargestellten
Ausführungsform
umfasst der Stromspiegelkreis 24 zwei Haupttransistoren 26 und 28.
Der Transistor 26 ist ein diodenverbundener Transistor
mit einem Drain-, einem Gate- und einem Source-Anschluss. Der Source-Anschluss des Transistors 24 ist
mit einer Vorspannungsquelle VDD gekoppelt.
Der Gate-Anschluss des Transistors 26 ist mit dem Drain-Anschluss
von Transistor 26 gekoppelt. Der Drain-Anschluss von Transistor 26 ist ferner
mit dem Drain-Anschluss von Transistor 22 gekoppelt. Der
Transistor 28 weist auch einen Drain-, einen Gate- und
einen Source-Anschluss auf. Wie Transistor 26 ist der Source-Anschluss
von Transistor 28 mit der Vorspannungsquelle VDD verbunden. Der
Gate-Anschluss von Transistor 28 ist mit dem Gate-Anschluss
von Transistor 26 gekoppelt. Der Drain-Anschluss von Transistor 28 ist
mit dem Kondensator 14 gekoppelt. Bei der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Transistoren 26 und 28 FETs
identischer Art. Die Transistoren 26 und 28 bilden
einen Stromspiegel mit einem Stromreduktionsfaktor von k bis l,
so dass der Ausgangsstrom des Transistors 28 k-mal kleiner
als der Sensorstrom IS ist (d. h. Ausgangsstrom
= IS/k). Der Wert von k beruht auf der Größe der Transistoren 26 und 28.
-
Der Ausgangsstrom von Transistor 28 wird verwendet,
um den Kondensator 14 zu laden. Die Spannung VC des
Kondensators 14 steigt von null (0) Volt in einer Steigung,
die umgekehrt proportional zum Widerstand RS des
Widerstandssensors 12 ist. Der Kondensator 14 ist
mit einem Eingang eines Komparators 16 gekoppelt. Ein zweiter
Eingang des Komparators 16 ist mit einer Schwellenspannung
nVREF gekoppelt, die verwendet wird, um
das Ende der Umwandlung zu bestimmen. Der Wert der Schwellenspannung
nVREF beruht auf der jeweiligen Anwendung.
Zum Beispiel kann bei einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung der Benutzer wünschen, dass die Schwellenspannung
nVREF gleich einer Bandlückenreferenzspannung von 1,2
Volt ist. Wenn das DSI-Modul in einem Widerstandseingabemodus arbeitet,
kann der Wert von VREF und nVREF einfach von
einem einfachen Spannungsteiler als eine Funktion von VDD abgeleitet
werden, da die VREF-Terme sich gegenseitig
aufheben, wenn die Gleichung für Widerstand
RS des Widerstandssensors 12 abgeleitet
wird.
-
Wenn die Spannung Vc des
Kondensators 14 die Schwellenspannung nVREF erreicht,
wird der Ausgang des Komparators 16 sinken. Dieses Ausgangssignal
wird an einen invertierten Eingang eines Impulsgenerators 30 gesendet.
Der Impulsgenerator 30 erzeugt einen Impuls mit einer konstanten
Impulsbreite von tP. Der Impuls schaltet
einen Schalter 32 ein, der den Kondensator 14 vollkommen
gegen Masse entlädt.
Sobald der Kondensator 14 vollständig entladen ist, wird der
Impuls unterbrochen und der Schalter 32 abgeschaltet. Daraufhin
beginnt die Spannung des Kondensators 14, von null (0)
Volt zu steigen, und der gesamte Umwandlungszyklus wird wiederholt.
-
Wie aus den Zeitdiagrammen von 2 ersichtlich ist, sind
die Ausgänge
sowohl des Komparators als auch des Inverters 34 während der
Zeit, in welcher der Kondensator 14 ansteigt, hoch. Wenn die
Spannung Vc des Kondensators 14 die Schwellenspannung nVREF erreicht, sinken der Ausgang des Komparators 16 und
der Ausgang des Inverters 34. Die Zeit, zu welcher der
Ausgang des Inverters 34 hoch ist (d. h. die Zeit, zu welcher
der Ausgang des Impulsgenerators 30 niedrig ist), ist proportional
zum Wert des Widerstands Rs des Widerstandssensors 12 und
des Kondensators 14.
-
Der Widerstand Rs des Widerstandssensors 12 kann
auf folgende weise approximiert werden. Da die Spannung quer über den
Widerstandssensor 12 bei VREF gehalten
wird, kann der Sensorstrom Is ausgedrückt werden
als: IS = VREF/RS (1), wobei Rs
der Widerstand des Widerstandssensors 12 ist. Die Spannung
quer über
den Kondensator 14 kann ausgedrückt werden als: VC =
Is*t/(k*C) + V0 (2) VC =
VREF*t/(RS*k*C)
+ V0 (3) wobei
k das Verstärkungsverhältnis der
Transistoren 24 und 26 des Stromspiegelkreises 24 ist,
C die Kapazität
des Kondensators 14 ist und V0 der
gleichwertige Anfangswert aufgrund der Komparator-Abweichung und
der Restladung im Kondensator 14 ist, die durch dielektrische
Absorption ausgelöst
wird.
-
Zu einer Zeit T1: Vc (T1) = n* VREF (4) Vc (T1) = VREF*T1/(RS*k*C) + V0 (5)
RS =
VREF*T1/[(n*VREF – V0)*k*C] (6)
-
Unter beinahe idealen Bedingungen,
wobei VREF >> V0 und n*VREF >> V0 (wobei n ein
Spannungsteilerverhältnis
zwischen dem Verstärker 20 und
dem Komparator 16 ist) ist, kann der Widerstand RS des Widerstandssensors 12 approximiert
werden als: RS = T1/(n*k*C) (7)
-
Unter Bezugnahme auf 3, wobei gleiche Bezugszeichen und Symbole
gleiche Elemente bezeichnen, die auf dieselbe Weise arbeiten, ist
eine zweite Ausführungsform
des DSI-Moduls 10 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform
ist das DSI-Modul 10 in einem kapazitiven Eingabemodus.
Der Betrieb des DSI-Moduls 10 im kapazitiven Eingabemodus
ist dem Betrieb des DSI-Moduls 10 im Widerstandsmodus sehr ähnlich.
Im Kapazitätsmodus
wird der Widerstandssensor 12 durch einen Referenzwiderstand 36 ersetzt.
Der Referenzwiderstand 36 wird verwendet, um den Stromspiegel 24 so
einzustellen, dass er einen Konstantstrom IS'/k ausgibt. Wenn
die Spannungsquelle 18 die Erregerspannung VREF' quer über den
Referenzwiderstand 36 einstellt, beginnt ein Konstantstrom
IS' durch
den Referenzwiderstand 36 zu fließen, der gleich der Erregerspannung
VREF' geteilt
durch den Referenzwiderstand 36 (IS' = VREF'/VREF)
ist, wobei RREF der Wert des Referenzwiderstands 36 ist.
-
Bei dieser Ausführungsform ist ein kapazitiver
Sensor 38 parallel mit dem Kondensator 14 geschaltet.
Der Konstantstrom IS'/k, der durch den Stromspiegel 24 ausgegeben
wird, wird dann verwendet, um sowohl den Kondensator 14 als
auch den kapazitiven Sensor 38 zu laden, so dass die Spannung
Vc' quer über den
Kondensator 14 und den kapazitiven Sensor 38 von
null (0) Volt zu steigen beginnt. Während Vc' steigt, sind die
Ausgänge
des Komparators 16 und des Inverters 34 hoch.
-
Wenn Vc' nVREF' erreicht, ändert sich
der Komparatorausgang von hoch zu niedrig, genauso wie der Ausgang
aus dem Inverter 34. Zu diesem Zeitpunkt erzeugt der Impulsgenerator 30 einen
Ausgangsimpuls tP', der den Schalter 32 aktiviert,
um sowohl den Kondensator 14 als auch den kapazitiven Sensor 38 vollständig zu
entladen. Am Ende des Impulses tP' wird Vc' wieder zu steigen
beginnen, und der Ausgang des Inverters 34 kehrt zu einem
hohen Status zurück.
Dadurch wird der Umwandlungsprozess erneut gestartet. Die Zeit,
zu welcher der Ausgang des Inverters 34 hoch ist (d. h.
die Zeit, zu welcher der Ausgang des Impulsgenerators 30 niedrig ist)
ist zum Summenwert des Kondensators 14 und der Kapazität des kapazitiven
Sensors 38 proportional.
-
Wie beim Widerstandseingabemodus,
können
die Werte von VREF' und nVREF' im Kapazitätseingabemodus
auch von einem einfachen Spannungsteiler als eine Funktion von VDD abgeleitet werden. Der Kapazitätswert des
kapazitiven Sensors 38 kann auch unter Verwendung einer ähnlichen
Ableitung wie im Widerstandseingabemodus abgeleitet werden. Der
Kapazitätswert
CSENSOR des kapazitiven Sensors 38 kann ausgedrückt werden
als: CSENSOR =
T1/(n*k*RREF') – C (8) wobei k
das Verstärkungsverhältnis der
Transistoren 24 und 26 des Stromspiegelkreises 24 ist,
C die Kapazität
des Kondensators 14 ist, RREF der
Wert des Referenzwiderstands 36 ist und n ein Spannungsteilerverhältnis zwischen
dem Verstärker 20 und
dem Komparator 16 ist.
-
Unter Bezugnahme auf 4, wobei gleiche Bezugszeichen und Symbole
gleiche Elemente darstellen, welche auf dieselbe Weise arbeiten,
wird eine dritte Ausführungsform
des DSI-Moduls 10 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform
ist das DSI-Modul 10 in einem Stromquelleneingabemodus.
Der Betrieb des DSI-Moduls 10 im Stromquelleneingabemodus
ist dem Betrieb des DSI-Moduls
10 im Widerstands- und Kapazitätseingabemodus
sehr ähnlich.
Im Stromquellenmodus ist ein Stromquellensensor 40 direkt mit
dem Drain des Transistors 26 des Stromspiegelkreises 24 gekoppelt.
Der Stromquellensensor 40 erzeugt einen Strom IS'' , der an den Stromspiegelkreis 24 gesendet
wird. Der Stromspiegelkreis 24 erzeugt einen Ausgang Is''/k, der verwendet
wird, um den Kondensator 14 zu laden. Die Spannung Vc" über den Kondensator beginnt
von null (0) Volt zu steigen. Während
Vc" steigt, sind
die Ausgänge
des Komparators 16 und des Inverters 34 hoch.
Wenn Vc'' VREF'' erreicht, ändert sich der Komparatorausgang
von hoch zu niedrig, genauso wie der Ausgang aus dem Inverter 34.
Zu diesem Zeitpunkt erzeugt der Impulsgenerator 30 einen
Ausgangsimpuls tp'' ,
der den Schalter 32 aktiviert, um den Kondensator 14 vollständig zu
entladen. Am Ende des Impulses tp'' wird Vc'' wieder zu steigen beginnen, und der
Ausgang des Inverters 34 kehrt zu einem hohen Status zurück. Dadurch
wird der Umwandlungsprozess erneut gestartet. Die Zeit, zu welcher
der Ausgang des Inverters 34 hoch ist (d. h. die Zeit,
zu welcher der Ausgang des Impulsgenerators 30 niedrig
ist), ist zum Wert des Kondensators 14 und des Stromquellensensors 40 proportional.
-
Die Spannung des Kondensators 14 im Stromquelleneingabemodus
kann ausgedrückt
werden als: Vc(t) = Is'' *t/(k*c) +
V0 (9) wobei
k das Verstärkungsverhältnis der
Transistoren 24 und 26 des Stromspiegelkreises 24 ist,
C die Kapazität
des Kondensators 14 ist und V0 der
gleichwertige Anfangswert aufgrund von Spannungskomparator-Abweichung
und der Restladung im Kondensator 14 ist, die durch dielektrische
Absorption verursacht wird.
-
Zu einer Zeit T1:
Vc(T1)
= VREF'' (10) Vc(T1)
= Is''*T1/(k*C) + Vp (11) Is'' = [(VREF'' – V0)*k*C]/T1 (12)
-
Unter beinahe idealen Bedingungen,
wo VREF'' >> V0, kann der Sensorstrom approximiert werden
als: Is'' = VREFk*C/T1 (13)
-
Um die Genauigkeit und die Beständigkeit des
DSI-Moduls 10 zu erhöhen,
kann ein zweiter Komparator verwendet werden, um die Ladezeit des Kondensators 14 in
jeder der oben besprochenen Ausführungsformen
zu messen. Wie in 5 ersichtlich,
weist ein zweiter Komparator 36 einen ersten Eingang auf,
der mit einer Referenzspannungsquelle mVREF''' gekoppelt
ist, wobei m ein Spannungsteilerverhältnis zwischen dem Verstärker (d.
h. Verstärker 20 in 1, 3 oder Verstärker 16 in 4) und dem Komparator 36 ist.
Der Wert von m ist eine Zahl kleiner als n. Der zweite Eingang des
Komparators 36 ist mit dem Kondensator 14 gekoppelt.
Während
der Kondensator 14 geladen wird, stellt der Komparator 36,
sobald die Spannung Vc''' die Anfangsspannung von
mVREF''' erreicht, den Flipflop 38 ein,
und der Ausgang des Flipflops 38 steigt. Während der
Kondensator 14 geladen wird, wird die Spannung Vc''' weiterhin steigen. Wenn Vc''' nVREF''' erreicht, setzt der Ausgang des Komparators 16 den
Flipflop 38 zurück,
und der Ausgang des Flipflop 38 sinkt. Der Komparator 16 gibt
dem Impulsgenerator 30 auch ein Signal, damit dieser einen
Ausgangsimpuls tp''' erzeugt, der den Schalter 32 aktiviert,
um den Kondensator 14 vollkommen zu entladen. Am Ende des
Impulses tp''' wird Vc''' vollkommen
entladen sein und wieder zu steigen beginnen. Dadurch wird der Umwandlungsprozess erneut
gestartet. Die Zeit, zu welcher der Ausgang des Flipflops 38 hoch
ist, ist zum Wert des Sensors bei allen drei Ausführungsformen
proportional.
-
Unter Bezugnahme auf die 7A–7C, wobei gleiche Bezugszeichen und Symbole
gleiche Elemente bezeichnen, werden mehrere mögliche DSI-Modul-10-Verwendungen
mit unterschiedlichen Sensortypen gezeigt. Unter spezieller Bezugnahme auf 7A wird das DSI-Modul 10 verwendet,
um eine direkte Schnittstelle zu einem CO-Sensor und einem Thermistor
(d. h. Widerstandsensoren) herzustellen. Die 10K- und die 100K-
Referenzwiderstände werden
verwendet, um das Modul zu kalibrieren, um den Widerstandsbereich
der Sensoren abzudecken. Es sollte beachtet werden, dass die Werte
der Widerstände
von der Anwendung und den tatsächlichen Sensorcharakteristika
abhängen.
-
Unter Bezugnahme auf 7B wird
das DSI-Modul 10 verwendet, um eine direkte Schnittstelle
mit einem Sensor für
die relative Feuchtigkeit (RH) und einem Thermistor (d. h. einem
Widerstands- bzw. einem Kapazitätssensor)
herzustellen. Das DSI-Modul 10 benötigt den 10K-Referenzwiderstand,
um den Bereich zu kalibrieren, der verwendet wird, um den Thermistorwiderstand
zu messen. Um den RH-Sensor zu messen, verwendet das DSI-Modul 10 den
50pF-Kondensator als Referenz. Wenn das DSI-Modul 10 einen kapazitiven
Sensor oder eine Referenz misst, wird der 10K-Referenzwiderstand auch
verwendet, um den Konstantstrom zu erzeugen, der erforderlich ist,
um das DSI-Modul 10 zu betreiben. Es sollte beachtet werden,
dass die Werte des Widerstands und des Kondensators von der Anwendung
und den tatsächlichen
Sensorcharakteristika abhängen.
-
Unter Bezugnahme auf 7C wird
das DSI-Modul 10 verwendet, um eine direkte Schnittstelle
mit einer Fotodiode und einem Thermistor (d. h. einem Stromquellensensor
bzw. Widerstandssensor) herzustellen. Wiederum werden der 10K- und
der 100K-Referenzwiderstand ver wendet, um die Bandbreiten des DSI-Moduls
zu kalibrieren, welche die Ausgangsbandbreiten der Sensoren abdecken.
Es sollte beachtet werden, dass die Werte der Widerstände von
der Anwendung und den tatsächlichen Sensorcharakteristika
abhängen.
-
Das direkte Sensorschnittstellenmodul 10 macht
einen Mikrocontroller direkt mit Sensoren verbindbar, die Widerstands-,
Kapazitäts-
und/oder Stromquellencharakteristika aufweisen, ohne herkömmliche
A/D-Wandler oder die traditionelle, damit verbundene Signalaufbereitungsschaltung
zu benötigen.
Das direkte Sensorschnittstellenmodul 10 ist augrund der
Mehrbereichsfähigkeiten
der direkten Sensorschnittstelle in der Lage, eine höhere Messauflösung bereitzustellen
als eine herkömmliche
Implementierung unter Verwendung eines A/D-Wandlers. Das direkte
Sensorschnittstellenmodul kann mit einem von drei Eingabemodi konfiguriert
werden: Widerstand, Kapazität
oder Stromquelle. Durch Verwendung einer geeigneten Multiplexer-Schaltung
ist das direkte Sensorschnittstellenmodul in der Lage, mehrere Sensoren
unterschiedlichen Typs zu messen. Die Verwendung einer geeigneten
Multiplexer-Schaltung ermöglicht
es dem Benutzer auch, die Referenztypen und -werte zu wählen, um
während der
Laufzeit eine Systemkalibrierung durchzuführen, wodurch es nicht mehr
notwendig ist, jedes Element zu kalibrieren, und wodurch die Parameter
des direkten Sensorschnittstellenmoduls gegenüber Prozessschwankungen relativ
unempfindlich werden.
-
Obwohl die Erfindung insbesondere
unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
dargestellt und beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass
die zuvor erwähnten Änderungen
sowie andere Änderungen
in Bezug auf die Form und Details erfolgen können, ohne dadurch vom Schutzumfang
der Erfindung, der in den Ansprüchen
definiert wird, abzuwiechen.