ES2322811T3 - Dispositivo detector para detectar un parametro fisico. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo detector para detectar un parámetro físico tal como radiación, temperatura o similar, que comprende: - un elemento detector analógico (10) sensible al parámetro físico a ser detectado, y que entrega una señal analógica, y - un convertidor analógico a digital (ADC) (22) que tiene una etapa de entrada MOS para recibir la señal de salida analógica del elemento detector, al objeto de convertir la señal de salida analógica en una señal de salida digital, - donde el elemento detector analógico (10) es un elemento (12) detector de infrarrojos pasivo, y - donde el ADC (22) tiene una etapa de entrada MOS diferencial, a la que están conectados directamente los terminales de salida del elemento (12) detector de infrarrojos pasivo.
Description
Dispositivo detector para detectar un parámetro
físico.
La presente invención se refiere a un
dispositivo detector para detectar un parámetro físico tal como
radiación, temperatura u otros similares, y en concreto a un
detector infrarrojo pasivo (PIR, passive infra-red)
digital.
Los detectores infrarrojos pasivos (PIR) se
utilizan típica pero no exclusivamente para detectar la presencia
de personas en una zona concreta. Los detectores PIR hayan
aplicación inmediata en los campos de detectores de luz, detectores
de intrusos y detectores de ocupación (utilizados por ejemplo para
conmutar y/o regular sistemas de iluminación y/o acondicionamiento
de aire en hoteles, oficinas y otros similares, al objeto de
ahorrar energía).
El inventor está al corriente de los detectores
PIR convencionales, que típicamente incluyen un elemento PIR
analógico convencional, conectado por medio de un nodo capacitivo
que tiene una alta impedancia, a un convertidor de impedancia para
convertir la alta impedancia en un impedancia relativamente baja a
la salida del detector, sin amplificación. Por consiguiente hay una
señal analógica disponible a la salida del detector PIR
convencional.
De acuerdo con la invención, se proporciona un
dispositivo detector para detectar un parámetro físico tal como
radiación, temperatura o similar, que comprende un elemento detector
analógico sensible al parámetro físico a ser detectado y entrega
una señal analógica, y un convertidor analógico a digital (ADC) que
tiene una etapa de entrada MOS para recibir la señal de salida
analógica del elemento detector, al objeto de convertir la señal
analógica de salida en una señal digital de salida.
Típicamente el ADC tiene una entrada diferencial
a la que están conectados los terminales de salida del elemento
detector analógico.
Preferentemente, la salida del ADC está
conectada a una lógica de retroalimentación digital, a su vez
conectada a un convertidor digital analógico (DAC) cuya señal de
salida se suma a la señal de salida del elemento detector
analógico.
Más preferentemente, el ADC es un convertidor
sigma-delta que comprende un integrador y un
comparador conectados mutuamente en serie. El convertidor
sigma-delta es típicamente un convertidor de primer
orden. Sin embargo, también puede utilizarse convertidores
sigma-delta de órdenes superiores.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, el
dispositivo detector comprende además un filtro de diezmado que
recibe la señal de salida del ADC.
En otra realización preferida, el dispositivo
detector comprende además un detector de compensación de
temperatura, para detectar la temperatura ambiental.
De acuerdo con un aspecto adicional de la
invención, el dispositivo detector comprende además una lente para
seleccionar la dirección desde la que puede recibirse radiación por
parte del elemento detector analógico, para ser detectada.
En concreto el elemento analógico es un elemento
pasivo, y en concreto es un elemento detector de infrarrojos. Tal
elemento detector de infrarrojos comprende un condensador cuya
capacidad varía en función de la radiación infrarroja incidente
sobre el condensador.
Finalmente y de acuerdo con otro aspecto de la
invención, el dispositivo detector comprende además una salida de
una sola línea que proporciona la señal de salida digital, para su
transmisión a una unidad de proceso de señal tal como por ejemplo
un microcontrolador o similar.
El ADC del dispositivo detector acorde con la
invención puede incluir un amplificador de entrada.
El ADC puede incluir un medio de entrada
configurado para interconectar con el elemento detector.
El dispositivo detector puede incluir un filtro
de diezmado conectado a una salida del ADC, para filtrar de la
salida del ADC componentes de alta frecuencia no deseados, y
proporcionar una salida de alta resolución.
El dispositivo detector puede incluir además un
interfaz en serie para convertir una salida en paralelo del filtro
de diezmado, en una salida en serie. Esto permite que la salida del
detector digital esté disponible en una sola clavija.
El dispositivo detector incluye típicamente
medios de control para controlar el funcionamiento del ADC, el
filtro de diezmado y el interfaz en serie.
El ADC, el filtro de diezmado, el interfaz en
serie y/o los medios de control se proporcionan típicamente como un
circuito integrado (IC, integrated circuit).
El dispositivo detector está típicamente alojado
dentro de un alojamiento, de modo que puede utilizarse para
conexión directa a un procesador externo en un sistema que incorpora
el detector digital.
El dispositivo detector acorde con la invención
permite que el detector PIR capacitivo sea conectado directamente a
un medio de procesamiento de señal equipado con
chip-IC. La señal analógica procedente del elemento
detector (en concreto procedente del elemento detector PIR) se
convierte a una señal digital con el uso del ADC, que en concreto
está fabricado como un convertidor sigma-delta
integrado. La señal de salida del ADC se convierte típicamente a
una señal multi-bit con una velocidad de transmisión
de datos de típicamente en torno a 1 kHz. En tal caso,
preferentemente la característica de filtrado de la lógica de filtro
digital corresponde a un filtro de paso bajo (típicamente a un
filtro de paso bajo Butterworth de segundo orden, con una frecuencia
de corte de unos pocos Hz y típicamente de unos 7 Hz).
La señal es capaz de ser transmitida mediante
una salida de una sola línea, al interfaz en serie del medio de
procesamiento de señal conectado externamente, que por ejemplo es un
microcontrolador.
Por medio del control de retroalimentación
específico del dispositivo detector acorde con la invención, es
posible suprimir las grandes desviaciones inherentes a los elementos
detectores pasivos analógicos, tales como elementos detectores PIR.
Estas desviaciones y cargas del elemento detector, y en el elemento
detector, suponen la mayor parte de la señal de salida. Por
consiguiente la relación de señal frente a ruido es desfavorable.
Mediante la invención es posible extraer además partes muy pequeñas
de la señal de salida, que incluyen la información detectada del
parámetro físico.
El frontal ADC tiene una entrada diferencial
diseñada para interconectar con el elemento detector. Esta entrada
representa un nudo sumador a partir de la retroalimentación interna
(señal analógica) del convertidor ADC y la señal procedente del
elemento detector. En el caso de un elemento PIR, el detector se
comporta como un elemento piezoeléctrico y tiene una capacidad
aproximada de entre 20 pF y 60 pF. La retroalimentación interna es
también capacitiva. El nudo sumador está conectado a un integrador
que preferentemente es una parte del convertidor ADC como en el
caso del convertidor sigma-delta. Por lo tanto, la
entrada del integrador debe mantenerse en un promedio de cero
mediante el circuito de retroalimentación. La salida del integrador
está seguida por un comparador y un circuito lógico digital, que
genera una señal de retroalimentación digital
multi-bit. Esta señal digital se vuelve a pasar a
analógica y se utiliza para compensar (neutralizar) la señal
analógica de salida del detector. Mediante la lógica de
retroalimentación digital es posible conseguir una estabilidad
global de la configuración del convertidor
sigma-delta.
Parte de los aspectos detallados de la invención
indicados arriba y otros, se describirán en la siguiente
descripción y se ilustran parcialmente con referencia a los dibujos.
Tal como se utilizan aquí, los mismos números a lo largo de los
diversos dibujos representan características iguales o equivalentes
de la presente invención. En estos.
La figura 1 muestra esquemáticamente un diagrama
de bloques de un detector de infrarrojos pasivo (PIR)
analógico,
analógico,
la figura 2 muestra esquemáticamente un diagrama
de bloques de un detector digital, de acuerdo con la invención,
la figura 3 muestra esquemáticamente un diagrama
de bloques más detallado del convertidor analógico a digital (ADC)
mostrado en la figura 2, y
la figura 4 muestra esquemáticamente un elemento
PIR conectado a un circuito integrado (IC) que incluye el resto de
las características del detector digital.
En la figura 1, el número de referencia 10
indica en general un detector de infrarrojos pasivo (PIR) analógico
convencional. El detector convencional 10 incluye un elemento PIR 12
analógico convencional, conectado por medio de un nodo capacitivo
14 que tiene una alta impedancia, a un convertidor de impedancia 16
para convertir la alta impedancia en una impedancia relativamente
baja a la salida del detector convencional 10, sin amplificación.
Por consiguiente, hay disponible una señal analógica a la salida del
detector convencional 10.
En las figuras 2 y 4 el número de referencia 20
indica en general un detector digital acorde con la invención. El
detector digital 20 incluye un elemento 12 de infrarrojos pasivo
(PIR) analógico convencional, y un convertidor analógico a digital
(ADC) 22 conectado a la salida del elemento PIR analógico 12, al
objeto de proporcionar una salida digital. El ADC 22 incluye además
típicamente un amplificador de entrada.
Como se muestra en la figura 3, en concreto el
ADC 22 incluye un medio de entrada configurado para interconectar
con el elemento PIR 12. Por consiguiente el ADC 22 incluye un
integrador 24 que se alimenta en serie a un comparador 26, que a su
vez se alimenta en serie a un medio de retroalimentación digital 28.
La salida del medio de retroalimentación digital 28 se
retroalimenta, por medio de un convertidor analógico a digital (DAC)
30 y la circuitería de interconexión apropiada (no mostrada), a un
nodo sumador 32 junto con la salida del elemento PIR 12. En este
ejemplo el elemento PIR 12 se comporta como un elemento
piezoeléctrico, y típicamente tiene una capacitancia de
aproximadamente entre 20 pF y 60 pF. La salida del DAC 30 es también
capacitiva. La salida del nodo sumador 32 se suministra al
integrador 24 para completar el circuito.
En uso, el ADC 22 funciona intentando mantener
la entrada del integrador 24 en un promedio de cero, mediante el
medio de retroalimentación digital 28 a través del DAC 30, al objeto
de compensar (neutralizar) la salida del elemento PIR 12. El medio
de retroalimentación digital utiliza un algoritmo especial para
conseguir la estabilidad global de esta configuración.
La salida digital del medio de retroalimentación
digital 28 (que de hecho, es la salida digital del ADC 22) se
suministra a un filtro de diezmado 34 para filtrar componentes de
alta frecuencia no deseados y proporcionar una salida de alta
resolución. En este ejemplo el filtro de diezmado 34 genera una
señal de 16 bits con una frecuencia de muestreo de aproximadamente
1 kHz. El ancho de banda de esta señal está limitado a frecuencias
por debajo de
20 Hz.
20 Hz.
El valor de amplitud de la salida del filtro de
diezmado 34 se suministra después a un interfaz en serie 36 para su
conversión a una salida en serie. Esto permite que la salida del
detector digital 20 esté disponible en una sola clavija. El
interfaz en serie 36 también funciona como un cerrojo de datos.
El detector digital 20 incluye típicamente
medios de control 38 para controlar el funcionamiento del ADC 22,
el filtro de diezmado 34 y el interfaz en serie 36. Hay un oscilador
40 conectado al medio de control 38 para proporcionar un reloj. El
ADC 22, el filtro de diezmado 34, el interfaz en serie 36 y el
oscilador 40 se proporcionan típicamente como un circuito integrado
(IC) 42, tal como se muestra en concreto en la figura 4, y todo el
detector digital 20 está alojado dentro de un alojamiento (no
mostrado), de modo que puede utilizarse para la conexión directa a
un procesador externo (no mostrado) en un sistema que incorpora el
detector digital 20 de forma sencilla y de fácil manejo.
En este ejemplo el interfaz en serie 36 está en
la forma de un interfaz en serie de un bit, que supone una carga
muy pequeña sobre el procesador externo y por consiguiente permite
que se controle múltiples detectores digitales 20 mediante un solo
procesador externo de baja velocidad, en un sistema. El procesador
externo determina la frecuencia a la que se lee los datos, y debido
a la baja frecuencia de corte y al orden del filtro de diezmado, el
procesador externo puede leer los datos a frecuencias tan bajas como
de 100 Hz. Un bit de datos es muestreado después de una secuencia
de alta impedancia 0-1 generada por el procesador
externo.
Debe apreciarse que la invención no está
limitada a los detalles precisos de construcción que se ha descrito
arriba y mostrado en los dibujos, puesto que son posibles otras
variaciones que incorporan lo esencial de la invención y caen
dentro del alcance de la invención.
El inventor cree que esta invención tiene la
ventaja de que un procesador de señal digital externa de un sistema
que incorpora uno o más detectores digitales acordes con la
invención, puede conectarse directamente a tal detector digital
evitando la necesidad de desarrollar ningún procesamiento de señal
analógica y ninguna conversión analógica a digital.
Además, el detector digital no necesita una
tensión de alimentación VDD muy pura, y está protegido de forma
inherente frente a perturbaciones de radiofrecuencia (RF). El coste
adicional de proporcionar un detector digital comparado con el de
un detector analógico convencional, es relativamente pequeño. Por
consiguiente, las aplicaciones multi-detector son
muy económicas.
Aunque la presente invención se ha descrito e
ilustrado con referencia a las realizaciones ilustrativas
específicas de la misma, no se pretende que la invención está
limitada a tales realizaciones ilustrativas. Aquellas personas de
cualificación en el arte reconocerán que puede realizarse
variaciones y modificaciones sin apartarse del auténtico alcance de
la invención, tal como se define mediante las siguientes
reivindicaciones. Por lo tanto se entienden como incluidas dentro
de la presente invención también tales variaciones y modificaciones
que caen dentro del alcance de las reivindicaciones anexas y sus
equivalentes.
Claims (7)
1. Dispositivo detector para detectar un
parámetro físico tal como radiación, temperatura o similar, que
comprende:
- -
- un elemento detector analógico (10) sensible al parámetro físico a ser detectado, y que entrega una señal analógica, y
- -
- un convertidor analógico a digital (ADC) (22) que tiene una etapa de entrada MOS para recibir la señal de salida analógica del elemento detector, al objeto de convertir la señal de salida analógica en una señal de salida digital,
- -
- donde el elemento detector analógico (10) es un elemento (12) detector de infrarrojos pasivo, y
- -
- donde el ADC (22) tiene una etapa de entrada MOS diferencial, a la que están conectados directamente los terminales de salida del elemento (12) detector de infrarrojos pasivo.
2. Dispositivo detector acorde con la
reivindicación 1, en el que la salida del ADC (22) está conectada a
una lógica de retroalimentación digital, a su vez conectada a un
convertidor analógico a digital (DAC) (30) cuya señal de salida se
suma a la señal de salida del elemento detector analógico.
3. Dispositivo detector acorde con la
reivindicación 1 o 2, en el que el ADC (22) es un convertidor
sigma-delta que comprende un integrador (24) y un
comparador (26) conectados en serie mutuamente.
4. Dispositivo detector acorde con cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 3, que comprende además un filtro de
diezmado (34) que recibe la señal de salida del ADC (22).
5. Dispositivo detector acorde con cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además un detector de
temperatura de compensación para detectar la temperatura
ambiente.
6. Dispositivo detector acorde con cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 5, que comprende además una lente para
seleccionar la dirección desde la que puede recibirse radiación por
medio del elemento detector analógico (10), para ser detectada.
7. Dispositivo detector acorde con cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 6, que comprende además una salida de una
sola línea que proporciona la señal de salida digital para
transmisión a una unidad de procesamiento digital, como por ejemplo
un microcontrolador o similar.
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