Disposición de circuito y procedimiento para leer un sensor con un convertidor sigma-delta.

Disposición de circuito para leer un sensor que comprende un convertidor sigma-delta con al menos un filtro de bucle (3),

un cuantizador (4) y una rama de realimentación, en la que, en función de una magnitud de medida que actúa sobre el sensor (1), se varía una propiedad eléctrica mensurable del sensor (1) y este sensor (1) está conexionado entre la rama de realimentación y el filtro de bucle (3) de tal manera que las señales de realimentación del convertidor sigma-delta compensan en promedio temporal la acción de la magnitud de medida sobre el sensor (1),

en la que el convertidor sigma-delta es un convertidor sigma-delta continuo en tiempo, los amplificadores operaciones utilizados en el convertidor sigma-delta presentan un ancho de banda más pequeño que un ancho de banda que es necesario cuando se utilizan señales discretas en tiempo a la misma frecuencia de muestreo, y está previsto un circuito de evaluación (2) para generar una señal de sensor eléctrica para la propiedad eléctrica mensurable del sensor (1), y en la que el circuito de evaluación (2) modula una evolución temporal de la propiedad eléctrica mensurable hacia frecuencias más altas y se elige el filtro de bucle (3) para generar un paso de banda a estas frecuencias más altas.

Disposición de circuito y procedimiento para leer un sensor con un convertidor sigma-delta.

Campo técnico de aplicación

La presente invención concierne a una disposición de circuito para leer un sensor que comprende un convertidor sigma-delta con al menos un filtro de bucle, un cuantizador y al menos una rama de realimentación, en la que, en función de una magnitud de medida que actúa sobre el sensor, se varía una propiedad eléctrica mensurable del sensor y este sensor está conexionado entre la rama de realimentación y el filtro de bucle de tal manera que las señales de realimentación del convertidor sigma-delta compensan en promedio temporal la acción de la magnitud de medida sobre el sensor. La invención concierne también a un procedimiento correspondiente para leer un sensor utilizando un convertidor sigma-delta.

La utilización de sensores juega hoy en día un gran papel en todos los sectores de la técnica. Un sector muy importante de la sensórica concierne a la medición de aceleraciones que actúan sobre un cuerpo. Un ejemplo conocido de esto son los sensores de aceleración de los airbags. Éstos miden la aceleración durante una colisión y suministran así el fundamento de decisión para el encendido de los airbags. Otro ejemplo es el sistema de navegación inercial (INS) que determina la posición y rotación de un objeto sobre la base de datos de aceleración y con ayuda de un GPS (GPS: Global Positioning System - sistema de posicionamiento global). En la vigilancia del transporte y en la llamada monitorización corporal son imprescindibles también los sensores de aceleración.

Los sensores de aceleración utilizan la acción de la aceleración sobre una masa de ensayo para la determinación de la aceleración. En este caso, la clase de los sensores de muelle-masa, en los que se determina la desviación de una masa de ensayo elásticamente suspendida, ocupa la mayor parte. La masa de ensayo representa aquí al menos una placa o electrodo de una disposición de condensador que se puede mover con relación a una o varias placas o electrodos estacionarios de la disposición de condensador. Una desviación de la masa de ensayo es captada aquí a través de una variación de la capacidad de esta disposición de condensador. Tales sensores de aceleración se realizan frecuentemente en el modo de construcción micromecánico, pudiendo materializarse los distintos electrodos de la disposición de condensador, por ejemplo, por medio de estructuras que encajan una en otra a manera de peines. Como clase conocida adicional de sensores de aceleración se pueden citar los sistemas que están sometidos a resonancia y que suministran como medida de aceleración una variación de la frecuencia de resonancia.

En los sistemas sensores comercialmente obtenibles, que aprovechan en general el principio de la desviación, se efectúa el procesamiento de datos en serie. El sensor convierte la magnitud a medir, casi siempre a través de una magnitud intermedia, en una señal eléctrica. La señal eléctrica es digitalizada después en un paso adicional. Sin embargo, se superponen así las faltas de idealidad de los sistemas individuales y las prestaciones totales del sistema son dominadas por el peor sistema individual.

Aparte de este procesamiento en serie, es conocido también por el sector de la investigación el recurso de integrar el sensor en el bucle de regulación de un convertidor sigma-delta. Se pueden mejorar así fuertemente las propiedades totales del sistema por ejemplo el ancho de banda de las señales. Un ejemplo de una disposición de circuito de esta clase lo muestran M. Lemkin et al. "A Three-Axis Micromachined Accelerometer with a CMOS Position-Sense Interface and Digital Offset-Trim Electronics", IEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 34, No. 4, Abril de 1999, páginas 456-468. En la disposición de circuito de tipo genérico allí mostrada se utiliza un modulador sigma- delta discreto en tiempo. Los moduladores discretos en tiempo se pueden combinar de manera especialmente sencilla con sensores capacitivos, ya que trabajan con la llamada técnica de interruptor-condensador (técnica SC). En este caso, el sensor puede sustituir a una de las capacidades fijas existente de un modulador de esta clase. Mediante la realimentación activa en la disposición de circuito se consigue una linealización del sensor. La desviación de la masa de ensayo del sensor por la magnitud de medida es compensada en promedio por esta realimentación, de modo que el sensor, en el caso ideal, experimenta como señal de entrada una señal diferencia que va a desapareciendo. Por tanto, la señal de salida del convertidor sigma-delta representa en forma digitalizada una medida de la fuerza que es necesaria para impedir la desviación de la masa de ensayo por la aceleración actuante sobre ella.

SPINEANU A ET AL: "An electromechanical sigma-delta modulator for acceleration measuring systems", CIRCUITS AND SYSTEMS, 1997. ISCAS 97, PROCEEDINGS OF 1997 IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON HONG KONG, 9-12 DE JUNIO DE 1997, NUEVA YORK, NY, USA, IEEE, US, Vol. 4, 9 de junio de 1997 (9-6-1997), páginas 2765-2768, XP123632 ISBN: -783-3583-X, revelan una disposición de circuito para leer un sensor que comprende un convertidor sigma-delta con al menos un filtro de bucle, un cuantizador y una rama de realimentación, en la que, en función de una magnitud de medida que actúa sobre el sensor, se varía una propiedad eléctrica mensurable del sensor y este sensor está conexionado entre la rama de realimentación y el filtro de bucle de tal manera que las señales de realimentación del convertidor sigma-delta compensan en promedio temporal la acción de la magnitud de medida sobre el sensor y el convertidor sigma-delta es un convertidor sigma-delta continuo

en tiempo.

El consumo de potencia representa un criterio importante al utilizar sistemas sensores. Asi, es de gran importancia una disponibilidad lo más duradera posible sin aportación externa de energía precisamente en el sector móvil, por ejemplo en el uso en el sector de la monitorización temporal.

El problema de la presente invención consiste en indicar una disposición de circuito y un procedimiento para leer un sensor, especialmente un sensor capacitivo, que hagan posible un consumo de potencia reducido en comparación con soluciones conocidas.

Exposición de la invención

El problema se resuelve con la disposición de circuito y el procedimiento según las reivindicaciones 1 y 11. Ejecuciones ventajosas de la disposición de circuito y del procedimiento son objeto de las reivindicaciones subordinadas o pueden deducirse de la descripción siguiente y de los ejemplos de realización.

La presente disposición de circuito tiene de manera conocida un convertidor sigma-delta con al menos un filtro de bucle, un cuantizador y una rama de realimentación, en donde se varía una magnitud eléctrica mensurable del sensor en función de una magnitud de medida que actúa sobre el sensor. El sensor está conexionado entre la rama de realimentación y el filtro de bucle de tal manera las señales de realimentación del convertidor sigma-delta compensan en promedio temporal la acción de la magnitud de medida sobre el sensor. La presente disposición de circuito se caracteriza por que no se utiliza ningún convertidor sigma-delta discreto en tiempo, sino que se emplea un convertidor de este tipo continuo en tiempo. Debido a la utilización de un convertidor sigma-delta continuo en tiempo en la disposición de circuito es ciertamente necesaria una interfaz de evaluación adecuada entre el sensor y el filtro de bucle que convierta la propiedad eléctrica del sensor influenciada por la magnitud de medida en una señal de sensor eléctrica. Sin embargo, el consumo de potencia de los componentes eléctricos adicionales necesarios para esto es más que compensado por el reducido consumo de potencia del convertidor sigma-delta continuo en tiempo en comparación con una disposición de circuito dotada de un convertidor sigma-delta discreto en tiempo. Gracias al empleo de señales continuas en tiempo el amplificador operacional utilizado en el convertidor sigma-delta puede presentar un ancho de banda más pequeño en hasta un factor 1 que en el caso del empleo de señales discretas en tiempo, de lo que resulta un consumo de corriente más pequeño en hasta un factor 1. Esto conduce a un consumo de energía drásticamente reducido que constituye una considerable ventaja precisamente en el mercado fuertemente creciente de la sensórlca móvil. Otra ventaja de la presente disposición de circuito y del procedimiento correspondiente consiste en que los convertidores sigma-delta continuos en tiempo poseen un filtro antiespurios implícito que filtra frecuencias por encima de la mitad de la frecuencia... [Seguir leyendo]

1. Disposición de circuito para leer un sensor que comprende un convertidor sigma-delta con al menos un filtro de bucle (3), un cuantizador (4) y una rama de realimentación, en la que, en función de una magnitud de medida que actúa sobre el sensor (1), se varía una propiedad eléctrica mensurable del sensor (1) y este sensor (1) está conexionado entre la rama de realimentación y el filtro de bucle (3) de tal manera que las señales de realimentación del convertidor sigma-delta compensan en promedio temporal la acción de la magnitud de medida sobre el sensor (1),

en la que el convertidor sigma-delta es un convertidor sigma-delta continuo en tiempo, los amplificadores operaciones utilizados en el convertidor sigma-delta presentan un ancho de banda más pequeño que un ancho de banda que es necesario cuando se utilizan señales discretas en tiempo a la misma frecuencia de muestreo, y está previsto un circuito de evaluación (2) para generar una señal de sensor eléctrica para la propiedad eléctrica mensurable del sensor (1), y en la que el circuito de evaluación (2) modula una evolución temporal de la propiedad eléctrica mensurable hacia frecuencias más altas y se elige el filtro de bucle (3) para generar un paso de banda a estas frecuencias más altas.

2. Disposición de circuito según la reivindicación 1, caracterizada por que se ha elegido el filtro de bucle (3) de modo que se consiga una regulación Pl a través de la rama de realimentación.

3. Disposición de circuito según la reivindicación 1, caracterizada por que se ha elegido el filtro de bucle (3) de modo que se consiga una regulación PID a través de la rama de realimentación.

4. Disposición de circuito según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que en la rama de realimentación está previsto un dispositivo mezclador que mezcla y rebaja nuevamente las señales de realimentación hasta frecuencias de la evolución temporal de la propiedad eléctrica mensurable.

5. Disposición de circuito según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que el cuantizador (4) está configurado para realizar una subexploración de la señal de sensor modulada.

6. Disposición de circuito según la reivindicación 4 ó 5, caracterizada por que el circuito de evaluación (2) comprende una o varias fuentes (8) de tensión alterna a través de las cuales se modula la evolución temporal de la propiedad eléctrica mensurable del sensor (1) hacia las frecuencias más altas.

7. Disposición de circuito según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque el sensor (1) es un sensor capacitivo.

8. Disposición de circuito según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que el sensor (1) es un sensor de aceleración con una masa de ensayo móvilmente suspendida, en el que una variación de posición de la masa de ensayo originada por una aceleración varía la propiedad eléctrica mensurable del sensor (1).

9. Disposición de circuito según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada por que en la rama de realimentación está dispuesto un convertidor digital-analógico de 1 bit para una realimentación de 1 bit.

1. Disposición de circuito según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada por que en la rama de realimentación está dispuesto un convertidor digital-analógico multibit (5) para una realimentación multibit.

11. Procedimiento para leer un sensor, en el que se conexiona el sensor (1) entre una rama de realimentación y al menos un filtro de bucle (3) de un convertidor sigma-delta de tal manera que las señales de realimentación del convertidor sigma-delta compensen en promedio temporal la acción de una magnitud de medida que actúa sobre el sensor (1), en el que se utiliza un convertidor sigma-delta de paso de banda continuo en tiempo y en el convertidor sigma-delta se utilizan unos amplificadores operacionales que presentan un ancho de banda más pequeño que un ancho de banda que es necesario cuando se utilizan señales discretas en tiempo a la misma frecuencia de muestreo, y en el que se modula, antes de una exploración, una señal de sensor obtenida por el sensor (1) hacia frecuencias más altas que están situadas en el dominio del paso de banda del convertidor sigma-delta.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por que se realiza una regulación Pl a través de la rama de realimentación.

13. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por que se realiza una regulación PID a través de la rama de realimentación.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado por que se mezclan y rebajan nuevamente las señales de realimentación en la rama de realimentación hasta frecuencias de la señal de sensor

eléctrica.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado por que se digitaliza seguidamente la señal sensor modulada mediante una subexploración.

16. Procedimiento según la reivindicación 14 ó 15, caracterizado por que la modulación hacia frecuencias más altas 5 se efectúa a través de una tensión alterna aplicada al sensor (1), con la cual se lee dicho sensor (1).

17. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16, caracterizado por que la realimentación se efectúa a través de una señal de carga o tensión de 1 bit o multibit.

18. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16, caracterizado por que la realimentación se efectúa a través de una señal modulada en ancho de impulsos.

19. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 18 para la lectura de un sensor capacitivo.

2. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 19 para la lectura de un sensor de aceleración con una masa de ensayo móvilmente suspendida, en el que una variación de posición de la masa de ensayo originada por una aceleración varia una propiedad eléctrica mensurable del sensor (1).