WO2008059097A1 - Circuito electrónico para obtener una impedancia capacitiva variable - Google Patents

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WO2008059097A1
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circuit
electronic circuit
resistive sensor
impedance
variable
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PCT/ES2007/070187
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Inventor
Diego RAMÍREZ MUÑOZ
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Universitat De València, Estudi General
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/08—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H11/00—Networks using active elements
    • H03H11/02—Multiple-port networks
    • H03H11/40—Impedance converters

Definitions

  • the present invention relates to an electronic circuit for obtaining a variable capacitive impedance, from a resistive sensor. More specifically, it refers to an electronic circuit based on a generalized impedance converter circuit (GIC), which can be configured so that its input impedance corresponds to that of a capacity, said capacity being variable depending on the value of electrical resistance of a resistive sensor, and said resistive sensor being one of the impedances of the converter circuit, so that the capacity synthesized with the converter circuit (GIC) varies depending on the value of electrical resistance of said resistive sensor.
  • GIC generalized impedance converter circuit
  • the invention is suitable for use in the field of measurement and instrumentation, especially in those cases where a variable capacity dependent on the parameter measured by a resistive sensor is necessary.
  • Such cases can be, for example, industrial control systems, medical instrumentation or automotive, and in particular systems of low consumption and low supply voltage, capable of being fed to batteries.
  • GIC Generalized Impedance Converter
  • a spinning circuit aims to reverse ("rotate") at the input port of a two-door network (quadrupole), the character of an impedance connected to the output port, while a GIC circuit allows the impedance to be configured in a port (They are single-port networks), from five impedances.
  • Fig.1 shows one of said gyrator circuits of Antoniou, where, if an impedance Z4 is connected between the output port 2-2 ', considering the operational amplifiers as ideal, the entry impedance Zt np converter circuit , seen by the 1-1 'input port is:
  • Fig. 2 the resulting converter circuit (GIC) is shown in its original form (the impedance Z4 is added to the Antoniou spinner).
  • This structure has been widely used to synthesize inductances using only resistors, capacitors and operational amplifiers, mainly in the design of active filters with audio applications, as described, for example, in [T Deliyannis, Y. Sun, JK Fidler, Continuous-time active filter design, CRC Press, Boca Raton, FL, 1999, Chap. 3], in / S. Franco, Design with operational amplifiers and analog integrated circuits, McGraw-Hill, 3rd ed., New
  • the behavior of the input impedance Z , np depends on what kind of impedance (resistive or capacitive) Ie is assigned to each of the impedances
  • a DC voltage value V re fa the input of the GIC circuit is connected, while the five impedances are five resistors R1 to R5, one of which (R4 ) is a resistive sensor. From this new configuration it is achieved that the current passing through the resistance R4 is constant, since, once the values of the voltage V re f and the resistance R5 are set, the current (assuming ideal the operational amplifiers) that circulates for the resistance R4 is the same as that which circulates through the resistance R5 and is given by the following expression:
  • the circuit represented in Fig. 4 was considered when considering the possibility of polarizing a resistive sensor that was not floating at a constant current (as is the sensor arranged in R4, in the previous configuration).
  • the voltage reference V re fa Ia is replaced by a current reference l re f, changing the location of the resistive sensor of the resistance R4 to the resistance R5, so that the resistive sensor that be used, it has directly one of its terminals grounded.
  • the current flowing through the sensor placed in resistance R5 is:
  • the invention consists in configuring a low pass RC filter with a GIC circuit (configured as capacity), to obtain a programmable or voltage controllable cut-off frequency filter.
  • the GIC circuit comprises a FET transistor with variable resistance controlled by voltage, so that a proportional relationship between the Ia is achieved
  • an electronic circuit 30 to obtain a capacitive input impedance variable as a function of a sensor.
  • This objective is achieved in accordance with claim 1 by providing an electronic circuit to obtain a variable capacitive impedance, from a resistive sensor, comprising a plurality of impedances and at least one operational amplifier, and means for connecting a resistive sensor to the circuit. electronic, so that, once the resistive sensor is connected to the electronic circuit, a resulting electronic circuit is obtained, consisting of the electronic circuit and the resistive sensor connected to it, whose input impedance corresponds to that of a variable capacity depending on the resistive sensor
  • the electronic circuit is configurable depending on the value and type of impedances.
  • the resulting electronic circuit is obtained, which can be a generalized impedance converter circuit, which, with a suitable configuration, allows to obtain at its input a variable capacity depending on the resistive sensor. It does not seem that a configuration with three capacitors for a GIC circuit can be recommended, since problems are generated with the bias currents of the operational amplifiers, causing a malfunction of the generalized impedance converter.
  • At least one impedance of the plurality of impedances must be capacitive, since it is necessary to put at least one capacity to the circuit to give a total capacitive character to the input impedance thereof.
  • at least one impedance of the plurality of impedances must be resistive, so that if only one of the impedances is capacitive, the Other impedances must be resistive.
  • variable input capacity of the resulting circuit is inversely proportional to the resistive sensor.
  • the electronic circuit comprises two operational amplifiers and four impedances.
  • a generalized impedance converter circuit is obtained, as described above.
  • a device to obtain an electric signal of variable oscillation frequency, from a resistive sensor which comprises an oscillator circuit and the electronic circuit to obtain a variable capacitive impedance, from a resistive sensor, described above, said oscillator circuit and said electronic circuit being connected such that, once the resistive sensor is connected to the electronic circuit, the oscillation capacity of the oscillator circuit is given by the variable capacitive input impedance of the resulting electronic circuit , obtaining at the output of the oscillator circuit an electrical signal whose oscillation frequency is variable depending on the resistive sensor.
  • the result obtained is due to the analogical processing of the information by means of an oscillator that incorporates a GIC, which, in turn, incorporates a resistive sensor.
  • the frequency of oscillation of the electrical signal is directly proportional to the resistive sensor.
  • This feature is particularly suitable in "direct interfaces with digital intelligence". All those systems that perform a digital measurement processing can be based on a microprocessor, a processor digital signal, a programmable automaton, or a personal computer. The easiest way to incorporate the information that is being measured to all of them, in this case, coming from resistive sensors, is the conversion of the information to a variable frequency signal. This is due to the fact that the digital processors described have a port referenced as a counter (timer), to which it is possible to directly couple the variable frequency signal and measure (count) its value.
  • the resulting electronic circuit is connected to ground by one of its input ports.
  • the use of the electronic circuit as the oscillation capacity of an oscillator circuit is suitable for those oscillator circuits in which the oscillation capacity is set to ground (for example, oscillators of the type LM331 or LM566C).
  • oscillators for example, XR-2206
  • the electronic circuit in which the capacity associated with the oscillation is floating, the electronic circuit (more specifically, when it is a generalized impedance converter circuit, that is, when the resistive sensor is connected to the electronic circuit) has erratic operation.
  • the oscillator circuit can be a square signal generating circuit
  • the oscillator circuit can comprise an integrated circuit of type 555, which is one of the most used timer circuits in the field of electronics. One of its most extended operations is as a square signal generator circuit (astable).
  • Fig. 1 shows a diagram in the form of an electronic circuit of a rotating circuit proposed by Antoniou, according to the state of the art
  • Fig. 2 shows a diagram in the form of an electrical circuit of the general structure of a generalized impedance converter circuit, according to the state of the art
  • Fig. 3 shows a diagram in the form of an electrical circuit of a generalized impedance converter circuit fed to reference voltage V re f, according to the state of the art
  • Fig. 4 shows a diagram in the form of an electrical circuit of a generalized impedance converter circuit fed to reference current l re f, according to the state of the art
  • Fig. 5 shows an electronic circuit diagram of a generalized impedance converter circuit configured as a variable capacity dependent on a resistive sensor, in accordance with the invention
  • Fig. Shows a diagram in the form of an electrical circuit of a 555 timer circuit, configured as a square signal generator;
  • Fig. ⁇ b shows a diagram of the waveforms associated with the timer circuit of Fig. Figa; Y
  • Fig. 7 shows a diagram in the form of an electronic circuit of a direct frequency resistive sensor converter device, comprising the timer circuit of Fig. ⁇ and the generalized impedance converter circuit of Fig. 5. Description of preferred embodiments
  • the electronic circuit to obtain a variable capacitive input impedance, depending on a resistive sensor comprises four impedances, one of which is a capacitor and the rest resistors , and two operational amplifiers, said described elements being connected such that, when a resistive sensor is connected to the electronic circuit, a generalized impedance converter circuit (GIC) is obtained with a capacitive input variable impedance depending on the resistive sensor From the GIC circuit obtained, it is possible, as will be described later, to perform a direct conversion of resistive sensor to frequency, that is, it is possible to obtain a signal whose frequency is directly proportional to the value of the electrical resistance of the resistive sensor.
  • GIC generalized impedance converter circuit
  • the GIC circuit can be seen as a capacitive variable sensor dependent on the parameter measured by the resistive sensor.
  • the parameter measured by the resistive sensor can be physical, chemical, etc., so that the resistive sensor can be presented in the form of, for example, a temperature, luminosity or gas concentration sensor.
  • the electronic circuit 50 comprises a first resistor R2, a second resistor R4, a third resistor R5, a capacitor C3 (therefore, impedances Z1, Z2, Z4 and Z5 are resistive, while impedance Z3 is capacitive), a first operational amplifier 51, a second Operational amplifier 52 and a connector 53 for connecting a resistive sensor Rs to the electronic circuit.
  • the resistive sensor Rs when connected to the electronic circuit 50, corresponds to a fourth resistor R1 of a generalized impedance converter circuit in its original structure.
  • the GIC circuit input is connected to the non-inverting input of the second operational amplifier 52 and to the upper terminal of the fourth resistor R1 (more specifically, the resistive sensor Rs).
  • the remaining terminal of said fourth resistor R1 is in turn connected to the output terminal of the first operational amplifier 51 and the upper terminal of the first resistor R2.
  • the lower terminal of the first resistor R2 is connected to the inverting inputs of the first operational amplifier 51 and the second operational amplifier 52, and to the upper terminal of the capacitor C3.
  • the lower terminal of said capacitor C3 is connected to the upper terminal of the second resistor R4 and the output terminal of the second operational amplifier 52.
  • the lower terminal of the second resistor R4 is connected to the upper terminal of the third resistor. R5 and the non-inverting input of the first operational amplifier 51.
  • the lower terminal of the third resistor R5 is connected to the reference terminal of the circuit.
  • the resistive sensor Rs could correspond to the third impedance Z5 of a GIC circuit in its original structure, also obtaining with this configuration a direct resistive-frequency sensor relationship, as will be described later, although Not for any resistive sensor.
  • Experimentally it has been proven that the arrangement of the resistive sensor Rs both in the fourth impedance Z1 and in the third impedance Z5 of the GIC circuit assumes the correct operation of the circuit. More specifically, it has been experienced by placing, in the fourth impedance Z1, a PtIOO platinum heat resistance, a gas sensor and a light radiation dependent resistance (LDR), while, in the third impedance Z5, a heat resistance has been placed PtIOOO, in all cases the second impedance Z3 being a capacity.
  • LDR light radiation dependent resistance
  • the GIC circuit has three capacities. among its impedances, since the polarization currents of the operational amplifiers can cause erratic operation of the same.
  • the input impedance of the electronic circuit 50 is a variable capacity, which has a
  • the capacity is inversely proportional to the value of the electrical resistance of the resistive sensor Rs.
  • a variable capacity is obtained from a generalized impedance converter circuit [GIC), the GIC circuit appearing as a capacitive variable sensor dependent on the parameter that measures the
  • the resistive sensor Rs has a functional dependence with the physical or chemical parameter to be measured (for example, temperature, pressure, luminosity, or gas concentration), which can be linear or not, depending on the type of sensor. So in general
  • the device comprises an oscillator circuit (such as a circuit
  • said oscillator circuit 60 and said electronic circuit 50 (the GIC circuit is connected directly to pins 2 and 6 of the oscillator circuit 555), so that once connected the resistive sensor Rs to the electronic circuit 50, the oscillation capacity of the oscillator circuit 60 is given by the impedance of
  • the device allows a direct conversion of resistive sensor to frequency, so that an electrical signal is obtained whose oscillation frequency is directly proportional to the value of the electrical resistance of the resistive type sensor.
  • a possible oscillator circuit is the 555 60 integrated circuit (one of the most popular oscillator circuits within the field of electronics), one of its most widespread operations being the reference to a square signal generator circuit (astable).
  • Fig. 6 (a) the electronic configuration of the integrated circuit 555 can be seen under said operating mode, in which two timing resistors R A and R B and an oscillation capacity C1 are sufficient to generate a square signal 61 , whose oscillation frequency is given by the following expression:
  • the frequency "f of the square signal 61 provided by the oscillator circuit 60 is inversely proportional to the oscillation capacity C1 and to the timing resistances R A and R B -
  • the oscillation capacity C1 that the oscillator circuit 60 requires to generate a square signal 61 is replaced by the generalized impedance converter circuit of Fig. 5, the oscillation capacity C1 of the oscillator circuit 60 is given by the input impedance Variable capacitive Zt np of said converter circuit.
  • the equation corresponding to the input capacity of the converter circuit is replaced, in the equation corresponding to the oscillation frequency of the square electrical signal: c _ R2.
  • R4 C3 1, 44 f i np ⁇ Rs. R5 (R A + 2.R B ) .C1
  • Figure 7 shows the final configuration of the device obtained from oscillator circuit 60 and the GIC circuit that acts as the oscillation capacity of said oscillator circuit.
  • the GIC circuit is a direct frequency resistive sensor converter.
  • the GIC circuit is connected to ground by one of its ports, so that only oscillator circuits whose oscillation capacity is connected to ground can be used (for example , oscillator circuits of type LM331 or LM566C).
  • the GIC circuit may not work correctly.
  • the frequency of the electrical signal generated by the device is introduced in a processor circuit, it is possible to perform a direct conversion of resistive sensor Rs to digital coding of the frequency and, therefore, of the magnitude that is want to measure
  • the resistive sensor can be, for example, a temperature, luminosity or gas concentration sensor.
  • sensors of these types very satisfactory results between frequency and resistance of the sensor have been obtained.
  • PtWO resistive temperature detectors
  • LDR light radiation
  • resistive humidity sensors With resistive humidity sensors, such good results have not been obtained because their range of variation is very large (from 10-20 ⁇ with 90% humidity, up to 10-20 M ⁇ with 10% relative humidity) and forces to the GIC circuit to malfunction.
  • an integrated circuit 555 has been described as a square wave (astable) generating circuit, but it is possible to use any generating circuit of any waveform.

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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

Se caracteriza por el hecho de que comprende una pluralidad de impedancias (R2,C3,R4,R5) y al menos un amplificador operacional (51,52), y medios (53) para conectar un sensor resistivo (Rs) al circuito electrónico (50), de modo que, una vez conectado el sensor resistivo al circuito electrónico, se obtiene un circuito electrónico resultante, constituido por el circuito electrónico y el sensor resistivo conectado al mismo, cuya impedancia de entrada (Zinp) corresponde a la de una capacidad variable en función del sensor resistivo (Rs). Se consigue una impedancia de entrada capacitiva variable en función de un sensor.

Description

Circuito electrónico para obtener una impedancia capacitiva variable
La presente invención se refiere a un circuito electrónico para obtener una impedancia capacitiva variable, a partir de un sensor resistivo. Más concretamente, se refiere a un circuito electrónico basado en un circuito convertidor generalizado de impedancias (GIC - Generalized Impedance Converter), que es posible configurarlo para que su impedancia de entrada corresponda a Ia de una capacidad, siendo dicha capacidad variable en función del valor de resistencia eléctrica de un sensor resistivo, y siendo dicho sensor resistivo una de las impedancias del circuito convertidor, de manera que Ia capacidad sintetizada con el circuito convertidor (GIC) varía en función del valor de resistencia eléctrica de dicho sensor resistivo.
La invención es adecuada para ser utilizada en el campo de medida e instrumentación, principalmente en aquellos casos en los que sea necesaria una capacidad variable dependiente del parámetro que mida un sensor resistivo. Dichos casos pueden ser, por ejemplo, sistemas de control industriales, instrumentación médica o automoción, y en particular sistemas de bajo consumo y baja tensión de alimentación, susceptibles de ser alimentados a baterías.
Antecedentes de Ia invención
Un Convertidor Generalizado de Impedancias (GIC) es un circuito electrónico derivado de uno de los circuitos giradores propuestos por Antoniou en 1969, tal como se describe, por ejemplo, en [A. Antoniou, "Realization of gyrators using operational amplifiers and their use in RC-active network synthesis", Proc. IEE, vol 116, pp : 1838-1850].
Un circuito girador tiene como objetivo invertir ("girar") en el puerto de entrada de una red de dos puertas (cuadripolo), el carácter de una impedancia conectada al puerto de salida, mientras que un circuito GIC permite configurar Ia impedancia en un puerto (son redes monopuerta), a partir de cinco impedancias. La Fig.1 muestra uno de dichos circuitos giradores de Antoniou, en el que, si una impedancia Z4 se conecta entre el puerto de salida 2-2', considerando los amplificadores operacionales como ideales, Ia impedancia de entrada Z¡np del circuito convertidor, vista por el puerto de entrada 1-1' es:
_ A Α Α inp Z Z
En Ia Fig.2 se muestra el circuito convertidor (GIC) resultante en su forma original (se añade Ia impedancia Z4 al girador de Antoniou). Dicha estructura ha sido ampliamente utilizada para sintetizar inductancias utilizando únicamente resistencias, condensadores y amplificadores operacionales, principalmente en el diseño de filtros activos con aplicaciones en audio, tal como se describe, por ejemplo, en [T Deliyannis, Y. Sun, J. K. Fidler, Continuous-time active filter design, CRC Press, Boca Ratón, FL, 1999, Chap. 3], en /S. Franco, Design with operational amplifiers and analog integrated circuits, McGraw-Hill, 3rd ed., New
York, 2001, Chap. 4], o en [R. Schaumann, M. E. van Valkenburg, Design of analog filters, Oxford University Press, New York, 2001, Chap. 14]. Básicamente, el comportamiento de Ia impedancia de entrada Z¡np depende de qué tipo de impedancia (resistiva o capacitiva) se Ie asigne a cada una de las impedancias
Z1 a Z5, aplicándose una tensión alterna V¡n que genera una corriente l¡n.
Lo descrito anteriormente no es más que el estudio y Ia aplicación "clásica" de un circuito GIC. Más recientemente, se ha propuesto una aplicación del circuito GIC en el campo de Ia instrumentación, en el cual el circuito se utiliza, en su enfoque clásico, como impedancia capacitiva, tal como se describe, por ejemplo, en [D. M. G. Preethichandra, K. Shida, "A simple interíace circuit to measure very small capacitance changes in capacitive sensors", Proc. of the 17th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, Baltimore 2000, vol 1, pp. 406-409]. Es importante destacar que tanto en su aplicación clásica en el diseño de filtros como en el campo de Ia instrumentación, las tensiones y corrientes existentes en el circuito GIC son variables en el tiempo. Aún más recientemente, se ha propuesto un nuevo funcionamiento del circuito GIC, que consiste en polarizarlo, no con señales variables en el tiempo (AC), sino, por el contrario, con señales de continua (DC). El objetivo principal de dicho cambio es el de utilizar un circuito GIC en el campo de Ia instrumentación y medida, pero no como impedancia capacitiva, sino como circuito polarizador de sensores, siendo una de las cinco impedancias del circuito GIC, un sensor resistivo.
Desde el punto de vista de esta nueva aplicación, es posible destacar dos configuraciones distintas. Una primera configuración en Ia que el circuito GIC se alimenta a tensión de referencia Vref, y una segunda configuración en Ia que el circuito GIC se alimenta a corriente de referencia Uf.
Como se muestra en Ia Fig.3, con referencia a Ia primera configuración, se conecta una tensión continua de valor Vref a Ia entrada del circuito GIC, mientras que las cinco impedancias son cinco resistencias R1 a R5, una de las cuales (R4) es un sensor resistivo. A partir de dicha nueva configuración se consigue que Ia corriente que pasa por Ia resistencia R4 sea constante, ya que, una vez fijados los valores de Ia tensión Vref y de Ia resistencia R5, Ia corriente (suponiendo ideales los amplificadores operacionales) que circula por Ia resistencia R4 es Ia misma que Ia que circula por Ia resistencia R5 y viene dada por Ia expresión siguiente:
/ = 1 = ^ R4 ° R5
De este modo, se obtiene una forma sencilla de polarizar sensores a corriente constante, puesto que es suficiente con que Ia resistencia R4 sea el sensor que se desea polarizar. Dicha técnica ha dado lugar a diferentes publicaciones, tales como [D. Ramírez-Muñoz, S. Casans-Berga, C. Reig, "Current loop generated from a generalized impedance converter: a new sensor signal conditioning circuit", Review of Scientific Instruments, 76, 1 (2005), 066103], [D. Ramírez- Muñoz, S. Casans-Berga, C. Reig, P. J. P. Freitas, "Generalized impedance converter as a new sensor signal conditioning circuit", Proc. of the 22nd IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, May 17-19, 2005, Ottawa, 587-591], [D. Ramírez, S. Casans, C. Reig, A. E. Navarro, J. Sánchez., "Build a precise de floating-current source". EDN, August 2005, pp. 83- 84], o [M. Villalobos Pedrero, D. Ramírez Muñoz, S. Casans Berga, J. Sánchez Moreno, C. Reig Escrivá, A. E. Navarro Antón. "Red de sensores inteligentes configurable basada en microprocesador con enlace RF accesible vía internet", Mundo Electrónico, n° 371].
En cuanto a Ia segunda configuración, el circuito representado en Ia Fig.4 se consideró al plantearse Ia posibilidad de polarizar a corriente constante un sensor resistivo que no fuera flotante (como es el sensor dispuesto en R4, en Ia configuración anterior). Básicamente, en dicha segunda configuración, se sustituye Ia referencia de tensión Vref a Ia entrada, por una referencia de corriente lref, cambiando Ia ubicación del sensor resistivo de Ia resistencia R4 a Ia resistencia R5, de manera que el sensor resistivo que se utilice, tiene directamente uno de sus terminales puesto a masa. Así, Ia corriente que circula por el sensor puesto en Ia resistencia R5 es:
Figure imgf000005_0001
1 R5~ . K D4~ ' ref ~ n - ' ref
Dicha expresión establece que, dando valores a las resistencias R1 , R2, R3, y R4, es posible controlar Ia corriente que circula por Ia resistencia R5, independientemente de su valor. Por tanto, con Ia configuración descrita es posible conseguir tanto un circuito para polarizar un sensor puesto a masa a corriente constante, como un convertidor corriente-corriente. Dicho nuevo convertidor derivado del circuito GIC ha dado lugar a diferentes publicaciones, tales como [A. Blat González, D. Ramírez Muñoz, J. Sánchez Moreno, S. Casans
Berga, A. E. Navarro Antón, F. Maturell Ñapóles. "Sistema de medida de temperatura y presión con sensores alimentados a corriente constante mediante convertidor generalizado de impedancias". Mundo Electrónico, n° 372], [D. Ramírez Muñoz, J. Sánchez, S. Casans, C. Reig, A. E. Navarro, "Series Sensor Current Loop from a Generalized Impedance Converter Circuit with Reference 5 Current Input", Proc. of the 23rd IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, pp. 2265-2270, Sorrento (Italy, 24-27 April 2006], [D. Ramírez Muñoz, J. Sánchez, S. Casans, C. Reig, A. E. Navarro "Current-to- current converter from a DC polarized generalized impedance converter circuit with input reference current". Review of Scientific Instruments, 77, 056101 (May,
10 2006)], o [D. Ramírez Muñoz, J. Sánchez Moreno, S. Casans Berga, E. Castro Montero, C. Reig, , A. E. Navarro Antón, "Temperature compensation of Wheatstone bridge magnetoresistive sensors based on generalized impedance converter with input reference current". Review of Scientific Instruments. 77, 105102 (October, 2006), vol 17, no. 10].
15
Por otro lado, Ia solicitud de patente internacional WO 9602975 A1 , con título "Filtro loop con tiempo de respuesta variable", y solicitada por Matsushita Communication Industrial Corporation of America, describe otra manera de utilizar un circuito convertidor generalizado de impedancias (GIC) para configurar
20 una capacidad. Más concretamente, Ia invención consiste en configurar un filtro RC pasa baja con un circuito GIC (configurado como capacidad), para obtener un filtro de frecuencia de corte programable o controlable por tensión. Para ello, el circuito GIC comprende un transistor FET con resistencia variable controlada por tensión, de manera que se consigue una relación proporcional entre Ia
25 frecuencia de corte y el valor de Ia resistencia del transistor FET.
Descripción de Ia invención
Por Io tanto, es un objetivo de Ia presente invención proporcionar un circuito 30 electrónico para obtener una impedancia de entrada capacitiva variable en función de un sensor. Este objetivo se consigue de acuerdo con Ia reivindicación 1 proporcionando un circuito electrónico para obtener una impedancia capacitiva variable, a partir de un sensor resistivo, que comprende una pluralidad de impedancias y al menos un amplificador operacional, y medios para conectar un sensor resistivo al circuito electrónico, de modo que, una vez conectado el sensor resistivo al circuito electrónico, se obtiene un circuito electrónico resultante, constituido por el circuito electrónico y el sensor resistivo conectado al mismo, cuya impedancia de entrada corresponde a Ia de una capacidad variable en función del sensor resistivo.
De este modo, se consigue un circuito que varía su capacidad de entrada en función del parámetro medido por el sensor resistivo (el circuito se "ve" a través de uno de sus puertos de entrada como una capacidad), por Io que el valor del sensor resistivo no está controlado por ninguna tensión propia del circuito sino por el parámetro que se desea medir. Dicho parámetro puede ser físico, químico, etc., pero es adecuado que haga variar una resistencia.
Por otro lado, el circuito electrónico es configurable en función del valor y tipo de impedancias. Cuando el sensor resistivo se conecta al circuito electrónico, se obtiene el circuito electrónico resultante, que puede ser un circuito convertidor generalizado de impedancias, el cual, con una configuración adecuada, permite obtener en su entrada una capacidad variable en función del sensor resistivo. No parece que una configuración con tres condensadores para un circuito GIC pueda ser recomendable, puesto que se generan problemas con las corrientes de polarización de los amplificadores operacionales, provocándose un funcionamiento incorrecto del convertidor generalizado de impedancias.
En cualquier caso, al menos una impedancia de Ia pluralidad de impedancias debe ser capacitiva, puesto que es necesario poner al menos una capacidad al circuito para darle un carácter capacitivo total a Ia impedancia de entrada del mismo. Además, al menos una impedancia de Ia pluralidad de impedancias debe ser resistiva, de manera que si sólo una de las impedancias es capacitiva, el resto de impedancias deben ser resistivas.
De acuerdo con una realización preferida de Ia invención, Ia capacidad de entrada variable del circuito resultante es inversamente proporcional al sensor resistivo.
De acuerdo con una realización preferida de Ia invención, el circuito electrónico comprende dos amplificadores operacionales y cuatro impedancias. De este modo, cuando el sensor resistivo se conecta al circuito electrónico, se obtiene un circuito convertidor generalizado de impedancias, tal como se ha descrito anteriormente.
A partir del circuito electrónico descrito, es posible conseguir un dispositivo para obtener una señal eléctrica de frecuencia de oscilación variable, a partir de un sensor resistivo, el cual comprende un circuito oscilador y el circuito electrónico para obtener una impedancia capacitiva variable, a partir de un sensor resistivo, descrito anteriormente, estando conectados dicho circuito oscilador y dicho circuito electrónico de manera que, una vez conectado el sensor resistivo al circuito electrónico, Ia capacidad de oscilación del circuito oscilador viene dada por Ia impedancia de entrada capacitiva variable del circuito electrónico resultante, obteniéndose en Ia salida del circuito oscilador una señal eléctrica cuya frecuencia de oscilación es variable en función del sensor resistivo.
De este modo, el resultado obtenido es debido al procesamiento analógico de Ia información mediante un oscilador que lleva incorporado un GIC, el cual, a su vez, incorpora un sensor resistivo.
De acuerdo con una realización preferida del dispositivo, Ia frecuencia de oscilación de Ia señal eléctrica es directamente proporcional al sensor resistivo. Esta característica es particularmente adecuada en "interfaces directas con Ia inteligencia digital". Todos aquellos sistemas que realizan un procesamiento digital de medidas pueden estar basados en un microprocesador, un procesador digital de Ia señal, un autómata programable, o un computador personal. La forma más sencilla de incorporar Ia información que se está midiendo a todos ellos, en este caso, procedente de sensores resistivos, es Ia conversión de Ia información a una señal de frecuencia variable. Ello se debe a que los procesadores digitales descritos disponen de un puerto referenciado como contador (timer), al que es posible acoplar directamente Ia señal de frecuencia variable y medir (contar) su valor.
Por tanto, con dicho dispositivo se consigue una conversión directa del valor de resistencia eléctrica del sensor resistivo a frecuencia, mediante Ia utilización de un circuito convertidor generalizado de impedancias (GIC) como capacidad de oscilación de un circuito oscilador. De este modo, a partir del dispositivo descrito, es posible obtener una señal cuya frecuencia es directamente proporcional al valor de resistencia eléctrica del sensor resistivo.
De acuerdo con otra realización de Ia invención, el circuito electrónico resultante está conectado a masa por uno de sus puertos de entrada. De este modo, Ia utilización del circuito electrónico como capacidad de oscilación de un circuito oscilador es adecuada para aquellos circuitos osciladores en los que Ia capacidad de oscilación está puesta a masa (por ejemplo, osciladores del tipo LM331 o LM566C). En osciladores (por ejemplo, XR-2206) en los que Ia capacidad asociada a Ia oscilación está flotando, el circuito electrónico (más concretamente, cuando se trata de un circuito convertidor generalizado de impedancias, es decir, cuando el sensor resistivo está conectado al circuito electrónico) tiene un funcionamiento errático.
Por otro lado, el circuito oscilador puede ser un circuito generador de señal cuadrada, pudiendo comprender el circuito oscilador un circuito integrado del tipo 555, que es uno de los circuitos temporizadores más utilizado en el campo de Ia electrónica. Uno de sus funcionamientos más extendidos es como circuito generador de señal cuadrada (astable). Breve descripción de los dibujos
Para mayor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos en los cuales, esquemáticamente y sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización.
En los dibujos:
Fig.1 muestra un diagrama en forma de circuito electrónico de un circuito girador propuesto por Antoniou, de acuerdo con el estado de Ia técnica; Fig.2 muestra un diagrama en forma de circuito eléctrico de Ia estructura general de un circuito convertidor generalizado de impedancias, de acuerdo con el estado de Ia técnica;
Fig.3 muestra un diagrama en forma de circuito eléctrico de un circuito convertidor generalizado de impedancias alimentado a tensión de referencia Vref, de acuerdo con el estado de Ia técnica;
Fig.4 muestra un diagrama en forma de circuito eléctrico de un circuito convertidor generalizado de impedancias alimentado a corriente de referencia lref, de acuerdo con el estado de Ia técnica;
Fig.5 muestra un diagrama en forma de circuito electrónico de un circuito convertidor generalizado de impedancias configurado como una capacidad variable dependiente de un sensor resistivo, de acuerdo con Ia invención;
Fig.θa muestra un diagrama en forma de circuito eléctrico de un circuito temporizador 555, configurado como generador de señal cuadrada;
Fig.θb muestra un diagrama de las formas de onda asociadas al circuito temporizador de Ia Fig.θa; y
Fig.7 muestra un diagrama en forma de circuito electrónico de un dispositivo convertidor directo de sensor resistivo a frecuencia, que comprende el circuito temporizador de Ia Fig.θa y el circuito convertidor generalizado de impedancias de Ia Fig.5. Descripción de realizaciones preferidas
A continuación se realizará Ia descripción de una realización preferida de Ia invención en Ia que el circuito electrónico para obtener una impedancia de entrada capacitiva variable, en función de un sensor resistivo, comprende cuatro impedancias, una de las cuales es un condensador y el resto resistencias, y dos amplificadores operacionales, estando conectados dichos elementos descritos de manera que, cuando se conecta un sensor resistivo al circuito electrónico, se obtiene un circuito convertidor generalizado de impedancias (GIC - Generalized Impedance Converter) con una impedancia de entrada capacitiva variable en función del sensor resistivo. A partir del circuito GIC obtenido, es posible, como se describirá más adelante, realizar una conversión directa de sensor resistivo a frecuencia, es decir, es posible obtener una señal cuya frecuencia es directamente proporcional al valor de Ia resistencia eléctrica del sensor resistivo.
Por tanto, dando valores adecuados a las cinco impedancias descritas (incluido el sensor resistivo cuando está conectado al circuito electrónico), es posible configurar el circuito convertidor generalizado de impedancias (GIC) para que su impedancia de entrada corresponda a Ia de una capacidad. Además, si una de dichas cinco impedancias es un sensor de resistencia variable, tal como se ha descrito anteriormente, Ia capacidad sintetizada con el circuito GIC también Io es. En resumen, dependiendo de Ia configuración de las cinco impedancias que forman parte del circuito convertidor (cuando el sensor resistivo está conectado al circuito electrónico), el circuito GIC puede verse como un sensor capacitivo variable dependiente del parámetro que mida el sensor resistivo.
El parámetro medido por el sensor resistivo puede ser físico, químico, etc., de manera que el sensor resistivo puede presentarse en Ia forma de, por ejemplo, un sensor de temperatura, de luminosidad o de concentración de gas.
Como se puede ver en Ia Fig.5, para configurar el circuito GIC como capacidad variable, el circuito electrónico 50 de acuerdo con Ia invención comprende una primera resistencia R2, una segunda resistencia R4, una tercera resistencia R5, un condensador C3 (por consiguiente, las impedancias Z1 , Z2, Z4 y Z5 son resistivas, mientras que Ia impedancia Z3 es capacitiva), un primer amplificador operacional 51 , un segundo amplificador operacional 52 y un conector 53 para conectar un sensor resistivo Rs al circuito electrónico. Es importante destacar que el sensor resistivo Rs, cuando se conecta al circuito electrónico 50, corresponde a una cuarta resistencia R1 de un circuito convertidor generalizado de impedancias en su estructura original.
En una descripción del diseño del circuito, Ia entrada del circuito GIC se encuentra conectada a Ia entrada no inversora del segundo amplificador operacional 52 y al terminal superior de Ia cuarta resistencia R1 (más concretamente, el sensor resistivo Rs). El terminal restante de dicha cuarta resistencia R1 está a su vez conectado al terminal de salida del primer amplificador operacional 51 y al terminal superior de Ia primera resistencia R2. El terminal inferior de Ia primera resistencia R2 está conectado a las entradas inversoras del primer amplificador operacional 51 y del segundo amplificador operacional 52, y al terminal superior del condensador C3. El terminal inferior de dicho condensador C3 está conectado al terminal superior de Ia segunda resistencia R4 y al terminal de salida del segundo amplificador operacional 52. Por otro lado, el terminal inferior de Ia segunda resistencia R4 se encuentra conectado al terminal superior de Ia tercera resistencia R5 y a Ia entrada no inversora del primer amplificador operacional 51. Finalmente, el terminal inferior de Ia tercera resistencia R5 se encuentra conectado al terminal de referencia del circuito.
De acuerdo con otra realización de Ia invención, el sensor resistivo Rs podría corresponder a Ia tercera impedancia Z5 de un circuito GIC en su estructura original, obteniéndose también con dicha configuración una relación directa sensor resistivo-frecuencia, tal como se describirá más adelante, aunque no para cualquier sensor resistivo. Experimentalmente, se ha comprobado que Ia disposición del sensor resistivo Rs tanto en Ia cuarta impedancia Z1 como en Ia tercera impedancia Z5 del circuito GIC supone el correcto funcionamiento del circuito. Más concretamente, se ha experimentado colocando, en Ia cuarta impedancia Z1 , una termoresistencia de platino PtIOO, un sensor de gas y una resistencia dependiente de Ia radiación luminosa (LDR), mientras que, en Ia tercera impedancia Z5, se ha colocado una termoresistencia PtIOOO, siendo en todos los casos Ia segunda impedancia Z3 una capacidad. Básicamente, disponer todos los sensores en Ia tercera impedancia Z5 supuso un problema cuando los valores del sensor son demasiado bajos (como en el caso de Ia termoresistencia PtIOO), puesto que se corre el riesgo de saturar el segundo amplificador operacional 52 del circuito GIC. Sin embargo, con valores resistivos mayores (por ejemplo los de Ia termoresistencia PtIOOO) no se produjeron problemas al colocar el sensor resistivo en Ia tercera impedancia Z5.
Por tanto, sea cual sea Ia configuración de las impedancias del circuito GIC, es imprescindible que, para que el circuito GIC trabaje correctamente, se asegure Ia no saturación del segundo amplificador operacional 52. Además, no parece adecuado que el circuito GIC tenga tres capacidades entre sus impedancias, puesto que las corrientes de polarización de los amplificadores operacionales pueden provocan un funcionamiento errático del mismo.
Si se realiza un análisis del circuito convertidor mostrado en Ia Fig.5, se obtiene que Ia impedancia de entrada de dicho circuito, vista desde uno de los puertos de entrada, puede representarse según Ia siguiente ecuación:
Rs. . R5 j . w . C3
'"P R2. R4 j . w . Cinp
en Ia cual c _ R2. R4. C3 inp~ Rs . R5
Como puede deducirse fácilmente de Ia ecuación anterior, Ia impedancia de entrada del circuito electrónico 50 es una capacidad variable, que tiene una
5 dependencia inversa respecto del sensor resistivo Rs, es decir, Ia capacidad es inversamente proporcional al valor de Ia resistencia eléctrica del sensor resistivo Rs. De este modo, se obtiene una capacidad variable a partir de un circuito convertidor generalizado de impedancias [GIC), apareciendo el circuito GIC como un sensor capacitivo variable dependiente del parámetro que mide el
10 sensor resistivo.
Por otro lado, el sensor resistivo Rs tiene una dependencia funcional con el parámetro físico o químico a medir (por ejemplo, temperatura, presión, luminosidad, o concentración de gas), que puede ser lineal o no, dependiente del 15 tipo de sensor. Así, en general
Figure imgf000014_0001
A continuación se realizará Ia descripción de un dispositivo para obtener una 20 señal eléctrica con una frecuencia de oscilación variable en función de un sensor resistivo, que incorpora el circuito electrónico de acuerdo con Ia invención. Dicho dispositivo se muestra en Ia Fig.7.
Básicamente, el dispositivo comprende un circuito oscilador (tal como un circuito
25 555) y el circuito electrónico 50 de acuerdo con Ia invención, estando conectados dicho circuito oscilador 60 y dicho circuito electrónico 50 (el circuito GIC se conecta directamente a las patillas 2 y 6 del circuito oscilador 555), de manera que, una vez conectado el sensor resistivo Rs al circuito electrónico 50, Ia capacidad de oscilación del circuito oscilador 60 viene dada por Ia impedancia de
30 entrada capacitiva variable del circuito convertidor generalizado de impedancias, obteniéndose en Ia salida del circuito oscilador una señal eléctrica cuya frecuencia de oscilación varía en función del valor de resistencia eléctrica del sensor resistivo Rs. Más concretamente, el dispositivo permite realizar una conversión directa de sensor resistivo a frecuencia, de manera que se obtiene una señal eléctrica cuya frecuencia de oscilación es directamente proporcional al valor de Ia resistencia eléctrica del sensor de tipo resistivo.
Un posible circuito oscilador es el circuito integrado 555 60 (uno de los circuitos osciladores más populares dentro del campo de Ia electrónica), siendo uno de sus funcionamientos más extendido el referente a un circuito generador de señal cuadrada (astable). En Ia Fig.6(a) puede verse Ia configuración electrónica del circuito integrado 555 bajo dicho modo de funcionamiento, en Ia que son suficientes dos resistencias de temporización RA y RB y una capacidad de oscilación C1 , para generar una señal cuadrada 61 , cuya frecuencia de oscilación viene dada por Ia siguiente expresión:
f _ 1 ,44 (RA + 2.RB).C1
Si se realiza un análisis de Ia expresión anterior, se deduce que Ia frecuencia "f de Ia señal cuadrada 61 que suministra el circuito oscilador 60 (ver Fig.6(b), en Ia que se representan las formas de onda 61 , 62 asociadas al circuito oscilador cuando funciona como un circuito generador de señal cuadrada) es inversamente proporcional a Ia capacidad de oscilación C1 y a las resistencias de temporización RA y RB-
Si se sustituye Ia capacidad de oscilación C1 que necesita el circuito oscilador 60 para generar una señal cuadrada 61 , por el circuito convertidor generalizado de impedancias de Ia Fig.5, Ia capacidad de oscilación C1 del circuito oscilador 60 viene dada por Ia impedancia de entrada capacitiva variable Z¡np de dicho circuito convertidor. Con ello, si se sustituye Ia ecuación correspondiente a Ia capacidad de entrada del circuito convertidor, en Ia ecuación correspondiente a Ia frecuencia de oscilación de Ia señal eléctrica cuadrada: c _ R2. R4. C3 1 ,44 f = inp~ Rs . R5 (RA + 2.RB).C1
se obtiene una frecuencia de oscilación dada por:
1 ,44 Rs.R5 f =
{RA + 2.RB) R2.R4.C3
Por consiguiente, analizando Ia ecuación anterior, se consigue una conversión directa de sensor resistivo a frecuencia, obteniéndose, como resultado, una señal cuadrada cuya frecuencia es directamente proporcional al sensor resistivo Rs utilizado. La dependencia (lineal o no lineal) que conserve el sensor resistivo con Ia variable a medir, Ia hereda Ia frecuencia de oscilación:
f = K.Ro.f(x)
siendo K
κ ≡ 1 ,44 R5
{RA + 2.RB) R2.R4.C3
En Ia Fig.7 se muestra Ia configuración final del dispositivo obtenido a partir del circuito oscilador 60 y del circuito GIC que actúa como capacidad de oscilación de dicho circuito oscilador. Básicamente, se trata de un convertidor directo de sensor resistivo a frecuencia. En dicha configuración (también puede verse en las figuras 2 a 5) es importante destacar que el circuito GIC está conectado a masa por uno de sus puertos, por Io que sólo pueden utilizarse circuitos osciladores cuya capacidad de oscilación esté conectada a masa (por ejemplo, circuitos osciladores del tipo LM331 o LM566C). En el caso de osciladores en los que Ia capacidad está flotando (por ejemplo, osciladores del tipo XR-2206), el circuito GIC puede no funcionar correctamente. Como posible aplicación de Io descrito, si Ia frecuencia de Ia señal eléctrica generada por el dispositivo se introduce en un circuito procesador, es posible realizar una conversión directa sensor resistivo Rs a codificación digital de Ia frecuencia y, por consiguiente, de Ia magnitud que se desea medir.
Como se ha citado anteriormente, el sensor resistivo puede ser, por ejemplo, un sensor de temperatura, de luminosidad o de concentración de gas. Con sensores de estos tipos se han obtenido resultados muy satisfactorios entre frecuencia y resistencia del sensor. Así, se han realizado pruebas con detectores de temperatura resistivos (PtWO) y con una caja de décadas resistiva; se ha simulado el comportamiento de resistencias sensibles a Ia radiación luminosa (LDR) y sensores de gas resistivos. Con sensores de humedad resistivos no se han obtenido tan buenos resultados debido a que su rango de variación es muy grande (de 10-20 Ω con un 90% de humedad, hasta 10-20 MΩ con un 10% de humedad relativa) y obliga al circuito GIC a funcionar incorrectamente.
A pesar de que se han descrito y representado realizaciones concretas de Ia presente invención, es evidente que el experto en Ia materia podrá introducir variantes y modificaciones, o sustituir los detalles por otros técnicamente equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas.
En alguna otra configuración, debería ser posible utilizar otro circuito girador diferente del circuito GIC para conseguir Ia conversión lineal resistencia- frecuencia.
Por otro lado, en Ia presente realización se ha descrito un circuito integrado 555 como circuito generador de una onda cuadrada (astable), pero es posible utilizar cualquier circuito generador de cualquier forma de onda.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Circuito electrónico (50) para obtener una impedancia capacitiva variable (Z¡nP), a partir de un sensor resistivo (Rs), caracterizado por el hecho de que comprende una pluralidad de impedancias (Z2,Z3,Z4,Z5) y al menos un amplificador operacional (51 ,52), y medios (53) para conectar un sensor resistivo (Rs) al circuito electrónico (50), de modo que, una vez conectado el sensor resistivo al circuito electrónico, se obtiene un circuito electrónico resultante, constituido por el circuito electrónico y el sensor resistivo conectado al mismo, cuya impedancia de entrada (Z¡np) corresponde a Ia de una capacidad variable en función del sensor resistivo (Rs).
2. Circuito electrónico según Ia reivindicación 1 , caracterizado por el hecho de que el circuito electrónico resultante es un circuito convertidor generalizado de impedancias.
3. Circuito electrónico según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que Ia impedancia de entrada capacitiva variable (Z¡nP) del circuito resultante es inversamente proporcional al sensor resistivo (Rs).
4. Circuito electrónico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que al menos una impedancia (Z3) de Ia pluralidad de impedancias es capacitiva.
5. Circuito electrónico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que al menos una impedancia (Z2,Z4,Z5) de Ia pluralidad de impedancias es resistiva.
6. Circuito electrónico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el circuito electrónico resultante está conectado a masa por uno de sus puertos de entrada.
7. Circuito electrónico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que comprende dos amplificadores operacionales (51 ,52) y cuatro impedancias (Z2,Z3,Z4,Z5).
5 8. Dispositivo para obtener una señal eléctrica de frecuencia de oscilación variable a partir de un sensor resistivo (Rs), caracterizado por el hecho de que comprende un circuito oscilador (60) y un circuito electrónico (50) para obtener una impedancia capacitiva variable, a partir de un sensor resistivo, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, estando conectados dicho circuito
IO oscilador (60) y dicho circuito electrónico (50) de manera que, una vez conectado el sensor resistivo al circuito electrónico, Ia capacidad de oscilación (C1 ) del circuito oscilador (60) viene dada por Ia impedancia de entrada capacitiva variable (Z¡np) del circuito electrónico resultante, obteniéndose en Ia salida del circuito oscilador (60) una señal eléctrica cuya frecuencia de oscilación es
15 variable en función del sensor resistivo (Rs).
9. Dispositivo según Ia reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que Ia frecuencia de oscilación de Ia señal eléctrica es directamente proporcional al sensor resistivo (Rs).
20
10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 8 ó 9, caracterizado por el hecho de que el circuito oscilador (60) es un circuito generador de señal cuadrada.
25 11. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado por el hecho de que el circuito oscilador comprende un circuito integrado del tipo 555 (60).
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