用以确定存在漏电流时的离子电流的差动电流测量

摘要

一种离子腔室提供表示其当受外部条件例如清洁空气或烟雾影响时的特性的电流。在第一极性下将直流DC电压施加到所述离子腔室，且在所述第一极性下测量通过所述离子腔室的所得电流及寄生漏电流，接着在与所述第一极性相反的第二极性下将所述DC电压施加到所述离子腔室，且在所述第二极性下测量通过所述离子腔室的所得电流及寄生漏电流。因为在所述第二极性下实质上无电流流过所述离子腔室，所以可通过从所述第一极性下测量的所述电流减去所述第二极性下测量的所述电流而从总电流测量中移除所述共同模式寄生漏电流贡献，从而仅得到通过所述离子腔室的所述电流。

说明书

技术领域

本发明涉及一种离子腔室接口，且特定来说涉及一种具有电流输入接口的微控制器，所述微控制器在确定存在漏电流时的离子电流时去除共模电流泄漏。

背景技术

烟雾检测器一般使用含有放射性离子源的离子化腔室，所述离子化腔室耦合到高输入阻抗运算放大器。用于烟雾检测器中的典型离子化腔室提供极小电流(nA)，所述电流在存在烟雾粒子时减小。运算放大器用以将此电流转换为接着经测量以确定烟雾的存在的电压。高温在烟雾检测器中的运算放大器的输入上引起增大的漏电流。此情形影响了离子化腔室烟雾检测功能的总体性能。因此，漏电流的所述增大可引起多种问题，例如，不准确性等，所述多种问题在设计烟雾检测器时可需要另外的补偿电路且因此可增大装置的成本。

另外，离子腔室的阻抗极高，且任何漏电流(例如，印刷电路板漏电流)皆会掩盖离子腔室电流。烟雾检测离子腔室因此需要复杂的制造过程，其中感测集成电路运算放大器的接脚经弯曲且直接在空中(mid-air)熔接到离子腔室。如以上所提及，需要特殊的低泄漏电路以检测由离子腔室中的烟雾的存在所引起的通过离子腔室的小电流改变。

发明内容

因此，存在对于既不需要敏感且昂贵的组件也不需要复杂制造过程的用以在烟雾检测器的离子腔室中检测烟雾的方式的需要。

根据一实施例，一种用于确定离子腔室中的离子电流的方法可包括以下步骤：将离子腔室的第一电极及第二电极耦合到在第一极性下的电压；确定由在所述第一极性下的所述电压所引起的在所述离子腔室的所述第一电极及所述第二电极之间的第一电流；将所述离子腔室的所述第一电极及所述第二电极耦合到在第二极性下的所述电压；确定由在所述第二极性下的所述电压所引起的在所述离子腔室的所述第一电极及所述第二电极之间的第二电流；及确定所述第一电流与所述第二电流之间的差，其中所述差可为通过所述离子腔室的离子电流。

根据本方法的另一实施例，所述第二极性可与所述第一极性相反。根据本方法的另一实施例根据本方法的另一实施例，所述电压可为直流(DC)电压。根据本方法的另一实施例根据本方法的另一实施例，所述离子腔室可包括用于离子化其中的气体分子的辐射源。根据本方法的另一实施例根据本方法的另一实施例，所述离子腔室可用以检测烟雾粒子。

根据本方法的另一实施例，所述确定所述第一电流与所述第二电流之间的所述差的步骤可包括以下步骤：将第一电流测量及第二电流测量存储于存储器中；及从一电流测量减去另一电流测量。根据本方法的另一实施例，所述电压可为多个电压脉冲。

根据另一实施例，一种用于确定离子腔室中的离子电流的方法可包括以下步骤：将电容器设定到开始电压；将离子腔室的第一电极耦合到供应电压；将所述离子腔室的第二电极耦合到所述电容器；对所述电容器充电历时第一时间周期；将所述电容器上的第一充电电压转换为其第一数字表示；将所述第一数字表示存储于存储器中；将所述电容器设定到所述开始电压；将所述离子腔室的所述第二电极耦合到所述供应电压；将所述离子腔室的所述第一电极耦合到所述电容器；对所述电容器充电历时第二时间周期；将所述电容器上的第二充电电压转换为其第二数字表示；将所述第二数字表示存储于所述存储器中；及确定所述第一数字表示与所述第二数字表示之间的差，其中所述差可为所述离子腔室中的所述离子电流的数字表示。

根据本方法的另一实施例，所述开始电压可实质上为零(0)伏特。根据本方法的另一实施例，所述开始电压可实质上为所述供应电压。根据本方法的另一实施例，其可包括确定所述差是否可在警报条件范围中的步骤。根据本方法的另一实施例，其可包括当所述差可在所述警报条件范围中时致动警报的步骤。根据本方法的另一实施例，所述电压可为包括多个输出电压脉冲的脉冲产生器。根据本方法的另一实施例，其可包括将围绕所述离子腔室的防护环充电到所述电容器上的电压的步骤。

根据又一实施例，一种用于确定离子腔室中的离子电流的方法可包括以下步骤：将电容器设定到开始电压；将离子腔室的第一电极耦合到脉冲源；将所述离子腔室的第二电极耦合到所述电容器；通过来自所述脉冲源的多个脉冲对所述电容器充电历时第一时间周期；计数将所述电容器充电到第二电压所需要的所述多个脉冲的第一数目；将所述第一数目存储于存储器中；将所述电容器设定到供应电压；将所述离子腔室的所述第二电极耦合到所述脉冲源；将所述离子腔室的所述第一电极耦合到所述电容器；通过来自所述脉冲源的所述多个脉冲对所述电容器充电历时第二时间周期；计数将所述电容器充电到所述第二电压所需要的所述多个脉冲的第二数目；将所述第二数目存储于存储器中；及确定所述第一数目与所述第二数目之间的差，其中所述差可为所述离子腔室中的所述离子电流的数字表示。

根据本方法的另一实施例，所述开始电压可实质上为零(0)伏特。根据本方法的另一实施例，所述开始电压可实质上为所述供应电压。根据本方法的另一实施例，其可包括确定所述差是否可在警报条件范围中的步骤。根据本方法的另一实施例，其可包括当所述差可在所述警报条件范围中时致动警报的步骤。根据本方法的另一实施例，将围绕所述离子腔室的防护环充电到所述电容器上的电压的步骤。

根据另一实施例，一种用于确定离子腔室中的离子电流的方法可包括以下步骤：将电容器设定到第一电压；将离子腔室的第一电极耦合到多个电压转变，所述多个电压转变具有时间周期及从实质上零伏特到实质上一电压的电压振幅；将所述离子腔室的第二电极耦合到所述电容器；通过具有所述经定义的时间周期的所述多个电压转变对所述电容器充电及放电；及计数将所述电容器充电到第二电压所需要的所述多个电压转变的转变数目。

根据本方法的另一实施例，其可包括确定转变的所述数目是否表示警报条件范围的步骤。

根据本方法的另一实施例，其可包括以下步骤：测量所述电容器上的充电电压；及调整所述多个电压转变的当在实质上零伏特处及在实质上所述电压处的所述时间周期，其中：当所述电容器上的所述充电电压可小于所述电压的一半时，所述多个电压转变的当在所述零伏特振幅处的所述时间周期可大于所述多个电压转变的当在所述电压振幅处的所述时间周期；当所述电容器上的所述充电电压可为实质上所述电压的一半时，所述多个电压转变的所述零伏特振幅及所述电压振幅的所述时间周期可实质上相同；及当所述电容器上的所述充电电压可大于所述电压的一半时，所述多个电压转变的当在所述零伏特振幅处的所述时间周期可小于所述多个电压转变的当在所述电压振幅处的所述时间周期。

根据本方法的另一实施例，其可包括将围绕所述离子腔室的防护环充电到实质上所述电容器上的所述充电电压的步骤。

根据另一实施例，一种用于确定离子腔室中的离子电流的方法可包括以下步骤：将电容器设定到开始电压；将离子腔室及电容器串联耦合到在第一极性下的供应电压；对所述电容器充电历时第一时间周期；将所述离子腔室及所述电容器串联耦合到在第二极性下的所述供应电压；对所述电容器放电历时第二时间周期；及在检测时间周期之后测量所述电容器上的充电电压。

根据本方法的另一实施例，所述开始电压可实质上为零(0)伏特。根据本方法的另一实施例，所述开始电压可实质上为所述供应电压。根据本方法的另一实施例，其可包括确定所述经测量充电电压是否可在警报条件范围中的步骤。根据本方法的另一实施例，其可包括当所述经测量充电电压可在所述警报条件范围中时致动警报的步骤。根据本方法的另一实施例，所述供应电压可为具有包括多个电压脉冲的输出的脉冲产生器。根据本方法的另一实施例，其可包括将围绕所述离子腔室的防护环充电到实质上所述电容器上的所述充电电压的步骤。

根据另一实施例，一种用于检测烟雾的设备可包括：具有辐射源且包括第一电极及第二电极的离子化腔室，其中所述离子化腔室可对烟雾进入开放；及微控制器，所述微控制器包括：耦合到所述离子化腔室的所述第一电极的第一开关；耦合到所述离子化腔室的所述第二电极的第二开关；具有耦合到所述第一开关及所述第二开关的第一位置的输出的数字驱动器；耦合到所述第一开关及所述第二开关的第二位置的电容器；耦合于所述电容器与电力供应器共同电位之间的第三开关，所述第三开关适宜使所述电容器放电；耦合到所述数字驱动器的输入的计时器，其中所述计时器产生具有时间周期的脉冲；模/数转换器(ADC)；耦合于所述电容器与所述ADC之间的第四开关；及数字处理器与存储器，其中所述数字处理器可耦合到所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关及所述第四开关，且控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关及所述第四开关；且所述ADC及所述计时器可耦合到所述数字处理器；其中当所述第一开关可处于第一位置时，所述离子化腔室的所述第一电极可耦合到所述数字驱动器，当所述第一开关可处于第二位置时，所述离子化腔室的所述第一电极可耦合到所述电容器，当所述第二开关可处于所述第一位置时，所述离子化腔室的所述第二电极可耦合到所述数字驱动器，当所述第二开关可处于所述第二位置时，所述离子化腔室的所述第二电极可耦合到所述电容器；当所述第三开关可闭合时，所述电容器可实质上在零(0)伏特处；及当所述第四开关可闭合时，所述电容器可耦合到所述ADC。

根据另一实施例，所述离子化腔室可包括：由第三电极分离的两个腔室，其中所述两个腔室中的一者可对烟雾进入开放且另一者可对烟雾进入关闭；耦合到所述第三电极的第五开关；所述第一开关及所述第五开关具有三个位置，其中第三位置可为断开；所述数字驱动器可耦合到所述第五开关的第一位置；及所述电容器可耦合到所述第五开关的第二位置。

根据另一实施例，所述微控制器可包括警报驱动器。根据另一实施例，可听/视觉警报可耦合到所述警报驱动器。根据另一实施例，防护环可围绕所述离子腔室，其中所述防护环可充电到实质上与所述电容器上的充电电压相同的防护环电压。根据另一实施例，第二电容器可耦合到所述电容器。

根据另一实施例，一种用于检测烟雾的设备可包括：具有辐射源且包括第一电极及第二电极的离子化腔室，其中所述离子化腔室可对烟雾进入开放；及集成电路，所述集成电路包括：耦合到所述离子化腔室的所述第一电极的第一开关；耦合到所述离子化腔室的所述第二电极的第二开关；具有耦合到所述第一开关及所述第二开关的第一位置的输出的数字驱动器；具有耦合到所述第一开关及所述第二开关的第二位置的第一输入及耦合到电压参考的第二输入的电压比较器；耦合于所述电压比较器的所述第一输入及所述第二输入之间的电容器；具有耦合到所述电压比较器的输出的D输入及耦合到时钟产生器的时钟输入的触发器，其中每当可从所述时钟产生器接收到时钟信号时，所述D输入处的逻辑值便可被传送到所述触发器的Q输出；耦合于所述触发器的所述Q输出与所述电压比较器的所述第一输入之间用于对所述电容器充电及放电的反馈电阻器；耦合于所述电压比较器的所述第一输入与电力供应器共同电位之间的电流测量电阻器；其中当所述电压比较器的所述第一输入上的电压可大于来自所述电压参考的电压时，所述电压比较器的所述输出可在逻辑低处且所述电容器可被放电，且当所述电压比较器的所述第一输入上的所述电压可小于来自所述电压参考的所述电压时，所述电压比较器的所述输出可在逻辑高处且所述电容器可被充电；用于在特定时间周期期间当所述触发器的所述Q输出可在逻辑高处时计数来自所述时钟产生器的时钟脉冲的第一数目的第一计数器；及用于在特定时间周期期间计数来自所述时钟产生器的时钟脉冲的第二数目的第二计数器；其中当所述第一开关可处于第一位置时，所述离子化腔室的所述第一电极可耦合到所述数字驱动器，当所述第一开关可处于第二位置时，所述离子化腔室的所述第一电极可耦合到所述电压比较器的所述第一输入，当所述第二开关可处于所述第一位置时，所述离子化腔室的所述第二电极可耦合到所述数字驱动器，及当所述第二开关可处于所述第二位置时，所述离子化腔室的所述第二电极可耦合到所述电压比较器的所述第一输入。

根据另一实施例，所述集成电路可为具有数字处理器与存储器的微控制器。根据另一实施例，在通过所述第一计数器及所述第二计数器计数期间，所述微控制器的所述数字处理器与存储器可进入低功率睡眠模式中。根据另一实施例，所述集成电路可包括警报驱动器。根据另一实施例，可将可听/视觉警报耦合到所述警报驱动器。根据另一实施例，防护环可围绕所述离子腔室，其中所述防护环可被充电到实质上与所述电容器上的充电电压相同的防护环电压。根据另一实施例，第二电容器可耦合到所述电容器。

根据另一实施例，一种用于检测烟雾的设备可包括：具有辐射源且包括第一电极及第二电极的离子化腔室，其中所述离子化腔室可对烟雾进入开放；及微控制器，其可包括：耦合到所述离子化腔室的所述第一电极的第一开关；耦合到所述离子化腔室的所述第二电极的第二开关；具有耦合到所述第一开关及所述第二开关的第一位置的输出的数字驱动器；耦合到所述第一开关及所述第二开关的第二位置的电容器；耦合于所述电容器与电力供应器共同电位之间的第三开关，所述第三开关适宜使所述电容器放电；具有耦合到所述电容器的第一输入及耦合到电压参考的第二输入的电压比较器；耦合到所述数字驱动器的输入的脉冲产生器；耦合到所述脉冲产生器的脉冲计数器，其中所述脉冲计数器计数来自所述脉冲产生器的脉冲的数目；及数字处理器与存储器，其中所述数字处理器可耦合到所述第一开关、所述第二开关及所述第三开关、所述脉冲产生器及所述计数器脉冲，且控制所述第一开关、所述第二开关及所述第三开关、所述脉冲产生器及所述计数器脉冲；其中当所述第一开关可处于第一位置时，所述离子化腔室的所述第一电极可耦合到所述数字驱动器，当所述第一开关可处于第二位置时，所述离子化腔室的所述第一电极可耦合到所述电容器，当所述第二开关可处于所述第一位置时，所述离子化腔室的所述第二电极可耦合到所述数字驱动器，当所述第二开关可处于所述第二位置时，所述离子化腔室的所述第二电极可耦合到所述电容器；及当所述第三开关可闭合时，所述电容器可实质上在零(0)伏特处。

根据另一实施例，在通过所述脉冲计数器进行的脉冲计数期间，所述微控制器的所述数字处理器与存储器可进入低功率睡眠模式中。根据另一实施例，所述微控制器可进一步包括警报驱动器。根据另一实施例，可将可听/视觉警报耦合到所述警报驱动器。根据另一实施例，防护环可位于所述离子腔室周围，其中所述防护环可被充电到实质上与所述电容器上的充电电压相同的防护环电压。根据另一实施例，第二电容器可耦合到所述电容器。

根据另一实施例，一种用于检测烟雾的设备可包括：具有辐射源且包括第一电极及第二电极的离子化腔室，其中所述离子化腔室可对烟雾进入开放；耦合到所述离子化腔室的所述第一电极的脉冲产生器，其中脉冲产生器输出可包括从实质上零伏特到实质上一电压的电压转变；耦合到所述离子化腔室的所述第二电极的电容器；预充电电压参考；耦合于所述预充电电压参考与所述电容器之间的预充电开关，其中所述预充电开关最初将所述预充电电压参考耦合到所述电容器以用于将所述电容器充电到第一电压；耦合到所述电容器的电压确定电路；及耦合到所述脉冲产生器且计数来自所述脉冲产生器的脉冲的数目的脉冲计数器，其中所述脉冲计数器计数将所述电容器充电到第二电压所需要的来自所述脉冲产生器的脉冲的数目。

根据另一实施例，所述脉冲产生器可为具有可编程时间周期的脉冲宽度调制(PWM)产生器。根据另一实施例，所述第一电压可约为所述电压的一半。根据另一实施例，所述电压确定电路可包括电压比较器。根据另一实施例，所述电压确定电路可包括模/数转换器(ADC)。

根据另一实施例，所述脉冲产生器、所述电容器、所述预充电电压参考、所述预充电开关、所述电压确定电路及所述脉冲计数器可设在微控制器中。根据另一实施例，所述微控制器可进一步包括警报驱动器。根据另一实施例，可听/视觉警报可耦合到所述警报驱动器。根据另一实施例，防护环可围绕所述离子腔室，其中所述防护环可被充电到实质上与所述电容器上的充电电压相同的防护环电压。根据另一实施例，第二电容器可耦合到所述电容器。

附图说明

可通过参考结合随附图式进行的以下描述来获得对本发明的更完整理解。

图1说明具有辐射源的离子腔室的示意图，且所述示意图展示在不同极性电压连接到所述离子腔室时流过所述离子腔室的电流；

图2说明从恒定电流源充电的电容器的时间-电压曲线图；

图3说明根据本发明的教示的耦合到微控制器的输入及输出接口的电流源的示意性框图；

图4说明根据本发明的教示的图3中所展示的周边功能的操作的示意时序图；

图5说明根据本发明的一特定实例实施例的单腔室离子烟雾检测器的示意性框图；

图6说明根据本发明的另一特定实例实施例的根据本发明的一特定实例实施例的两腔室离子烟雾检测器的示意性框图；

图7说明根据本发明的又一特定实例实施例的使用差动三角积分模/数转换器(ADC)的单腔室离子烟雾检测器的示意性框图；

图8说明根据本发明的又一特定实例实施例的单腔室离子烟雾检测器的示意性框图；

图9说明根据本发明的又一特定实例实施例的单腔室离子烟雾检测器的示意性框图；

图10说明根据本发明的另一特定实例实施例的单腔室离子烟雾检测器的示意性框图；

图11说明根据本发明的又一特定实例实施例的单腔室离子烟雾检测器的示意性框图；

图12说明根据本发明的特定实例实施例及教示的可结合本文中所揭示且描述的实施例使用的单腔室离子烟雾检测器的前端部分的示意性框图；

图13说明根据本发明的又一特定实例实施例的使用外部充电电容器的单腔室离子烟雾检测器的示意性框图；

图14说明环绕紧密相邻于接地导电平面的电容性板的静电场线，及在电容性板与接地导电平面之间有防护环的情况下环绕电容性板的静电场线的示意性表示；及

图15、16、17及18说明根据本发明的教示及实施例的操作示意性过程流程图。

尽管本发明易具有各种修改及替代形式，但其特定实例实施例已在图式中展示且在本文中详细描述。然而，应理解，本文对特定实例实施例的描述并不意欲将本发明限于本文所揭示的特定形式，相反，本发明欲涵盖如由附加权利要求书界定的所有修改及等效物。

具体实施方式

根据本文中所论述的本发明的实施例将尤其允许在除了具有电流输出的传感器(例如，烟雾检测离子腔室)以外无外部组件的情况下通过微控制器直接测量小电流。离子腔室可被模型化为具有穿过其中的电流泄漏的电容器或视离子腔室中的气体的离子化而定的可变高电阻。气体的离子化是由烟雾检测离子腔室中的离子源引起。非需漏电流还存在于烟雾检测离子腔室所耦合到的印刷电路板(PCB)上。

用于烟雾检测的离子腔室包括离子腔室中的放射性源，所述放射性源使得腔室中的气体(例如，空气)分子中的一些气体分子离子化。此情形归因于高于正常电极化(离子化)气体分子数目的电极化(离子化)气体分子数目而导致气体的高于正常电容率的电容率。因此，当跨越离子腔室电极中的两者设置电压时(参见图1)，小电流将流过此经离子化气体。当烟雾进入离子腔室时，烟雾与经离子化气体分子起反应，借此改变了经离子化气体分子的电容率ε且减小了经离子化气体分子的数目。此导致通过离子腔室的较低漏电流。离子腔室电流泄漏将随着温度、相对湿度及电压变化而变化。但此些变化极缓慢地改变。然而，烟雾引起离子腔室漏电流的突然改变(减小了离子电流)。

通过跨越离子腔室施加第一极性下的电压电位且测量通过离子腔室的总电流及PCB漏电流，且接着跨越离子腔室施加第二(相反)极性下的电压电位且仅测量PCB漏电流。可使共模双极PCB漏电流与单极离子电流隔离，借此增大离子腔室中的烟雾检测的敏感性。另外，不再需要昂贵的物理泄漏补偿技术。

与模/数转换器(ADC)一起使用的取样电容器具有特定约束。然而，此些约束为已知的。外部解决方案需要额外放大步骤以对抗设备印刷电路板(PCB)的寄生影响及其它环境条件。通过将必要电路部分移到微控制器及ADC中，易于知晓、控制此些寄生影响，且电路解决方案更紧凑且对传感器输入更敏感。

此电流/电压接口可有利地与离子腔室烟雾检测器一起使用，且将明显减小介接到离子腔室烟雾传感器的成本。根据各种实施例，来自例如离子腔室的外部装置的电流连接到ADC的输入。ADC的内部取样电容器接受电流充电且在一时间周期中产生电压。在所述时间周期过去之后，可通过用ADC开始从模拟到数字的转换来测量S/H电容器上的电压。或者，当在S/H电容器上达到特定电压(电压目标)时，可确定将S/H电容器充电到所述特定电压所需要的时间。两种情况都可确定通过离子腔室烟雾传感器的离子电流，且离子电流的改变指示离子腔室中的烟雾。

此电流表示当将第一极性电压施加到离子腔室电极时通过离子腔室的气体离子化电流及印刷电路板漏电流。当将第二极性电压(与第一极性电压相反)施加到离子腔室电极时，充电电流将仅为印刷电路板漏电流。通过从使用第一极性电压确定的电流减去使用第二极性电压确定的电流，可确定气体离子化电流。

充电时间测量单元(CTMU)的部分可用于确定S/H电容器上的充电电压值。CTMU系更完整地描述于可在www.microchip.com上获得的微芯片应用记录(Microchipapplications notes)AN1250、AN1375等及第7,460,441B2号及第7,764,213B2号美国专利中；其中所有文献皆特此出于所有目的而以引用的方式并入本文中。通过在已知时间周期上从电流源对已知值的电容器充电、接着取样在所述经充电电容器上显现的电压而达成CTMU充电电压测量准确度。接着通过模/数转换器(ADC)将此经取样电压转换为数字值，且(视情况)可使用查找表或其它装置将经取样电压的数字值转换为用于与参考值比较的值。如果经取样电压值明显不同于参考值(如在警报条件下，例如，烟雾检测)，那么可起始警报。如果经取样电压值在所要值内，那么不存在警报条件。

本文中所描述的各种实施例提供了为使用具有电流输出的传感器的应用建立具成本效益的解决方案的能力。因此，移除了对于昂贵运算放大器及相关联电路的需要。根据各种实施例的接口可有利地结合烟雾检测器离子腔室进行使用以检测快速发生的发烟火灾。

现参看图式，其示意性地说明特定实例实施例的细节。图式中的相同元件将由相同数字表示，且类似元件将由具有不同小写字母字尾的相同数字来表示。

参看图1，其描绘具有辐射源的离子腔室的示意图，且所述示意图展示在不同极性电压连接到所述离子腔室的情况下流过所述离子腔室的电流。离子腔室102可特征化为在其间具有一些经离子化气体(例如，空气)分子的两个电极(例如，电极104及106)。气体分子由辐射源108离子化。当在第一极性下(电极106为正且电极104为负)于两个电极104及106之间施加电压电位112时，正偏压的离子化电子电流116将流过经离子化气体。当在第二极性下(电极104为正且电极106为负)于两个电极104及106之间施加电压电位112时，实质上将无负偏压的离子化电子电流116a流过经离子化气体，因为现在电极104将排斥经离子化气体电子。然而，漏电流114(例如，印刷电路板污染、油脂、灰尘，等)将无关于电压电位112的连接极性而流动。

因此，当跨越腔室102电极104及106在第一极性下连接电压电位112时，通过电流计110的总电流为经离子化电子电流116加上漏电流114。且当跨越腔室102电极104及106在第二极性下连接电压电位112时，通过电流计110的总电流实质上为无经离子化电子电流116a加上漏电流114，此导致实质上仅有漏电流114。因此，通过从总电流减去漏电流114，可确定实际的经离子化电子电流116。此允许对经离子化电子电流116的任何改变的更敏感测量而不会使此些改变被不当漏电流114掩盖。预期且在本发明的范围内，可由离子源108离子化的任何流体(例如，气体或液体)将如上文所描述起作用。

参看图2，其描绘正在从恒定电流源充电的电容器的时间-电压曲线图。当经由恒定电流源222对电容器220充电时，跨越电容器220的电压V根据方程式(1)随着时间线性增大：I＝C*dV/dT，其中C为电容器220的电容值，I为来自恒定电流源222的电流，且V为在时间T处在电容器220上的电压。当电流I、时间T及电压V中的任两个值已知时，可从两个已知值计算出另一未知值。举例来说，如果电容器220的电容及时间T＝T₂-T₁已知，且电容器220上的电压V经测量，那么可确定电流充电。此允许将充电电压(例如，电容器220上的电压)转换到经测量的制程变量(例如，经离子化电子电流116加上漏电流114，及实质上漏电流(电流116a+电流114))。简单的电压对制程变量值查找表还可经提供且存储于数字处理器326(图3)的存储器中。

参看图3，其描绘根据本发明的教示的耦合到微控制器的输入及输出接口的电流源的示意性框图。微控制器324包括具有相关联的取样与保持(S/H)电容器220的内部模/数转换器(ADC)328。另外，提供了取样与保持开关336及放电开关332。放电开关332使S/H电容器220放电到实质上为零(0)伏特。提供ADC开关334以在模/数转换循环期间将ADC328耦合到S/H电容器220。

计时器330可用以精确地控制取样与保持开关336。微控制器324中的数字处理器与存储器326可用以控制放电开关332及ADC开关334(或ADC328周边装置可控制开关334)且开始计时器330，或可从微控制器324中的数字处理器326单独地提供独立控制单元(未图示)以独立地控制对S/H电容器220充电及取样的操作。根据其它实施例，此控制单元(未图示)可为(例如，但不限于)在微控制器324内的可编程状态机或任何其它合适的顺序控制单元。

电流源222可为具有电流输出的传感器，例如，离子烟雾腔室102(参见图1)。输出驱动器327可用以驱动电流源222，且周期性地将操作电压112(图1)供应到电流源222以用于节省电力(例如，增大电池寿命)。离子烟雾腔室102还可特征化为随着烟雾引入其中而具有改变(增大)的极高电阻的可变电阻器。S/H电容器220上的所得充电电压是离子烟雾腔室102等效电阻及S/H电容器220电容的RC时间常量的结果。优选地，输出驱动器327可在将使S/H电容器220充电到将允许ADC328获得最佳电压分辨率的电压的时间周期中施加供应操作电压112。另外，可针对不同操作条件改变所述时间周期以使S/H电容器220上的充电电压最佳化，例如，在静态取样条件期间为供应电压的一半。借此最大化充电电压从静态电压取样条件向上或向下的可测量改变的范围分辨率。

参看图4，其描绘根据本发明的教示的图3中所展示的周边功能的操作的示意时序图。开关332闭合，从而移除S/H电容器220上的任何电荷到实质上零伏特。接着，计时器330使取样与保持开关336闭合历时已知固定时间周期，T＝T₂-T₁。接着，在时间T之后，取样与保持开关336断开。此使得取样与保持电容器220以通过由输出驱动器327驱动的电流源222确定的速率充电。在时间周期T已过去之后，ADC开关334闭合且ADC328将S/H电容器220上的充电电压转换为其数字表示。数字处理器326可因此读取此数字表示以用于进一步处理，例如，烟雾检测及其警报通知。可通过以计时器330的输出来驱动驱动器327而消除开关336，且驱动器327的输出可与双向电流二极管329串联以防止当处于逻辑低输出条件下时S/H电容器放电回到驱动器327。一旦到S/H电容器220的脉冲结束，驱动器327的输出便也可被置于高阻抗状态下。

参看图5，其描绘根据本发明的特定实例实施例的单腔室离子烟雾检测器的示意性框图。微控制器524包括具有相关联的取样与保持(S/H)电容器220的模/数转换器(ADC)328、计时器330、数字处理器与存储器326、放电开关332、ADC取样开关334、数字输出驱动器536，及耦合到外部通用输入/输出(GPIO)连接538的通用输入/输出(GPIO)开关540及542。放电开关332使S/H电容器220放电到实质上零(0)伏特。ADC取样开关334在模/数转换循环期间将ADC328耦合到S/H电容器220。微控制器524可进一步包括耦合到可听/视觉警告550(例如，喇叭、警笛，等)的警报驱动器548。烟雾检测离子腔室102耦合到GPIO连接538。可将外部电容器220a添加到输入-输出(I/O)连接544以用于增大离子腔室102充电的总电容。可将此外部电容器220a及I/O连接544添加到本文中所揭示的实施例中的任一者。

计时器330可用以控制到离子腔室102的电压脉冲。数字处理器326可用以控制放电开关332、ADC取样开关334且开始计时器330，或者ADC328的周边装置可控制ADC取样开关334且还开始计时器330，或者可从数字处理器326单独地提供独立控制单元(未图示)以独立地控制此些组件的操作。根据其它实施例，此控制单元(未图示)可为(例如但不限于)在微控制器524内的可编程状态机或任何其它合适顺序控制单元。输出驱动器536施加具有由计时器330确定的持续时间的脉冲宽度的电压(112)，且可具有在静态操作条件下可使电容器220充电到从输出驱动器536供应的电压的约一半的脉冲持续时间。周期性地产生脉冲将节省电力(例如，电池电力)。在周期性脉冲之间，微控制器524可进入低功率睡眠模式中。

GPIO开关540及542允许将电极104及106交替地连接到驱动器536的输出及电容器220。当GPIO开关540处于位置a时，电极104经由GPIO连接538a耦合到驱动器536的输出。当GPIO开关542处于位置b时，电极106经由GPIO连接538b耦合到电容器220。在此配置中，正偏压的离子化电子电流116将在电极104与106之间流动。当GPIO开关540处于位置b时，电极104经由GPIO连接538a耦合到电容器220。当GPIO开关542处于位置a时，电极106经由GPIO连接538b耦合到驱动器536的输出。在此配置中，负偏压的离子化电子电流116a将不在电极104与106之间流动，且连接538之间的唯一电流将归因于漏电流114。

在来自驱动器536的电压脉冲结束之后，ADC开关334闭合且ADC328将电容器220上的充电电压转换为其数字表示。此数字表示可存储于数字处理器326的存储器中以用于进一步处理。或者，在正偏压的离子化电子电流116流动时且接着在负偏压的离子化电子电流116a不流动时转换及存储来自电容器220的充电电压将允许通过从较大充电电压(由正偏压的离子化电子电流116及漏电流114产生)减去较小充电电压(仅由漏电流114产生)而仅确定通过烟雾检测器腔室102的离子化电子电流。

当存在表示烟雾存在条件的经测量充电电压的改变时，数字处理器326可启用警报驱动器548，所述警报驱动器548接通可听/视觉警告550以指示烟雾的存在。可在特定时间周期内测量此改变。充电电压改变的迅速率还可用以指示烟雾的存在，其中充电电压的缓慢改变可由例如温度、相对湿度、空气中及/或印刷电路板上的污染物等的环境条件的改变引起。

参看图6，其描绘根据本发明的另一特定实例实施例的根据本发明的一特定实例实施例的两腔室离子烟雾检测器的示意性框图。两腔室离子烟雾检测器以与图5中所展示且上文所描述的烟雾检测器实质上相同的方式工作，添加了清洁空气参考腔室102b、第三GPIO连接538c及相关联GPIO开关544。可如上文所描述交替地获得烟雾腔室102a及清洁空气腔室102b的充电电压样本，接着处理清洁空气腔室电压样本及烟雾腔室电压样本以移除任何共模漏电流，且接着进行比较。如果差足够大，那么确定检测到烟雾且可致动可听/视觉警告550。

参看图7，其描绘根据本发明的又一特定实例实施例的使用差动三角积分模/数转换器(ADC)的单腔室离子烟雾检测器的示意性框图。根据此实例实施例，烟雾检测器可包括烟雾检测传感器离子化腔室102、数字处理器与存储器326、警报驱动器548、可听/视觉警告550、时钟产生器726、第一计数器732、第二计数器728、电压比较器736、D触发器734、反馈电阻器738、内部电容器740、电压参考742及电流测量电阻器744。除离子化腔室102及可听/视觉警告550以外，前述元件皆可设在集成电路微控制器724中。当数字处理器326确定存在烟雾时，警报驱动器548可致动可听/视觉警告550(例如，喇叭、警笛，等)。

离子腔室102电极104及106分别耦合到GPIO连接538a及538b。GPIO连接538a及538b分别耦合到GPIO开关540及542。GPIO开关540及542允许电极104及106交替地连接到驱动器536的输出及电容器220。当GPIO开关540处于位置a时，电极104经由GPIO连接538a耦合到驱动器536的输出。当GPIO开关542处于位置b时，电极106经由GPIO连接538b耦合到电容器220。在此配置中，正偏压的离子化电子电流116将在电极104与106之间流动。当GPIO开关540处于位置b时，电极104经由GPIO连接538a耦合到电容器220。当GPIO开关542处于位置a时，电极106经由GPIO连接538b耦合到驱动器536的输出。在此配置中，负偏压的离子化电子电流116a将不在电极104与106之间流动，且连接538之间的唯一电流将归因于漏电流114。

比较器736具有高阻抗差动输入及提供逻辑低“0”及逻辑高“1”电平的低阻抗输出。比较器736的正输入可耦合到可提供约V_DD/2的参考电压的电压参考742。其它参考电压可由电压参考742提供且在本文中出于所有目的而被预期。电容器740耦合于比较器736的负输入与正输入之间。电流测量电阻器744将电压提供到比较器736的正输入，所述电压与来自离子腔室102的电流成比例。当GPIO开关540处于位置a且GPIO开关542处于位置b时，在比较器736的正输入处的电压将为由离子腔室102的离子化电流116及漏电流114确定的第一电压。且当GPIO开关540处于位置b且GPIO开关542处于位置a时，在比较器736的正输入处的电压将为仅由漏电流114确定的第二电压。

当比较器736的负输入处的电压大于(或等于)比较器336的正输入处的电压时，比较器736的输出将为逻辑“0”，例如，实质上为V_SS。当比较器336的负输入处的电压小于比较器736的正输入处的电压时，比较器736的输出将为逻辑“1”，例如，实质上为V_DD。

比较器736的输出耦合到触发器734的D输入，且每当在触发器734的时钟输入处接收到来自时钟726的时钟信号时，D输入处的逻辑电平便将传送到触发器734的Q输出(例如，实质上为V_DD或V_SS)。反馈电阻器738耦合于触发器734的Q输出与比较器736的负输入之间，比较器736的负输入还耦合到电容器740的顶部。当触发器734的Q输出处于逻辑“1”时，电容器740将充电到较高电压，且当触发器734的Q输出处于逻辑“0”时，电容器740将放电到较低电压。当比较器的负输入及正输入在实质上相同的电压下时，将达到静态平衡。对于未检测到烟雾、电阻器744的电阻经选定而产生V_DD/2且电压参考742处于实质上V_DD/2处的静态平衡来说，触发器734的逻辑1/0输出将处于实质上50％的作用时间循环。如果电压参考742输出小于V_DD/2，那么静态作用时间循环将小于50％，且如果电压参考742输出大于V_DD/2，那么静态作用时间循环将大于50％。比较器736、触发器734、反馈电阻器738及电容器740形成积分三角调制器。

第一计数器732及第二计数器728的时钟输入耦合到时钟产生器726且每当接收到时钟信号时便递增，只是第一计数器732将仅在启用时递增。第一计数器732的启用输入耦合到触发器734的Q输出，且其计数借此经控制而仅在Q输出处于一个或另一个逻辑电平(例如，处于逻辑“1”)时计数。第一计数器732及第二计数器728的最大计数值可与必要值一样大，例如，16个位。第一计数器732及第二计数器728还可串接，例如，多个第一计数器732及第二计数器728。计数值越大，则分辨率越大，但模/数转换所需要的时间也增大。通过应用适当时钟速度及反馈电阻器738、电流测量电阻器744及电容器740的适当值，可获得极高分辨率，从而将允许数字处理器容易地辨别在烟雾检测离子化腔室102中存在烟雾检测事件的情况。

数字处理器326分别读取第一计数器732及第二计数器728的第一计数值及第二计数值，接着复位其以便再次开始计数。根据经读取的第一计数值及第二计数值，数字处理器326可确定发生了烟雾事件的情况。数字处理器326还可对此些计数值进行抽选，进行平均，等。数字处理器326还可从总电流(离子腔室电流116加上漏电流114)减去漏电流114以从所要离子腔室电流116减去共模漏电流114。

另外，数字处理器326可执行平滑、时间平均、噪声抑制、过取样、抽选及/或数字信号处理以增强漏电流改变检测敏感性及/或减少噪声拾取。而且，对于更可靠烟雾检测的另一增强为要求漏电流的改变在小于或等于特定时间周期的时间中发生以便去除由于温度、相对湿度及/或供应电压(例如，电池，未图示)的变化引起的缓慢的测量电流改变。

预期且在本发明的范围内，数字处理器与存储器326可在第一计数器732及第二计数器728正在计数的同时进入低功率睡眠模式中，且仅唤醒以从第一计数器732及第二计数器728读取计数值且进行适当计算以确定是否在离子腔室102中存在烟雾。以上所描述的所有其它功能及电路皆保持在作用中模式下，但皆为极低功率。而且，第二计数器728可为微控制器中的低功率待用睡眠模式功能所固有的唤醒计时器。此睡眠模式可进一步增大烟雾检测器的电池寿命。数字处理器326可在积分三角调制器正转换跨越电阻器744的电压时将驱动器536驱动到逻辑高“1”，且在积分三角调制器处于待用模式下时将驱动器536驱动到逻辑低“0”以节省电力。可周期性地获得烟雾检测器离子腔室102的样本以进一步减小电力消耗。

参看图8，其描绘根据本发明的又一特定实例实施例的单腔室离子烟雾检测器的示意性框图。微控制器824包括脉冲产生器850、脉冲计数器852、电容器220、电压比较器860、电压参考856、数字处理器与存储器326、放电开关858，及耦合到外部GPIO连接538的通用输入/输出(GPIO)多路复用器(开关)840及842。放电开关858使电容器220放电到实质上零(0)伏特。微控制器824可进一步包括耦合到可听/视觉警告550(例如，喇叭、警笛，等)的警报驱动器548。烟雾检测离子腔室102耦合到GPIO连接538。电压参考856可为可编程的，例如，受数字处理器326控制的数/模转换器(DAC)。

视情况，具有耦合到多路复用器840而非V_DD的输出的数字驱动器536可将来自脉冲产生器850的短持续时间脉冲而非恒定正电压(例如，V_DD)供应到离子腔室102，以使得电容器220耗费较长时间来充电到V_DD。此可允许微控制器824定时的更多灵活性。

数字处理器326可用以控制放电开关858且复位脉冲计数器852，或者周边装置可控制开关858且复位脉冲计数器852，或者可从数字处理器326单独地提供独立控制单元(未图示)以独立地控制此些组件的操作。根据其它实施例，此控制单元(未图示)可为(例如)微控制器824内的可编程状态机或任何其它合适顺序控制单元。输出驱动器536可施加具有由脉冲产生器850确定的持续时间的脉冲宽度的电压脉冲(112)。

到离子腔室102的电压(脉冲)将对电容器220充电。当电容器220上的电荷大于来自电压参考856的参考电压(例如，V_DD/2)时，比较器860的输出将变为逻辑“0”且停用脉冲产生器850(逻辑“1”启用脉冲产生器850)。脉冲计数器852计数将电容器充电到特定电压(例如，V_DD/2)所必要的来自脉冲产生器850的脉冲的数目。离子腔室102充当可变电流源，其中当需要较低时间(较低数目的脉冲)来将电容器充电到V_DD/2时，则通过离子腔室102的电流较高(电流116+电流114)，且当需要较大时间(较大数目的脉冲)来将电容器充电到V_DD/2时，则通过离子腔室102的电流较低(仅为电流114)。相比在离子腔室102中不存在烟雾的情况，当存在烟雾时离子腔室102将具有通过其中的较低电流(较少的离子化气体分子)。

因此，通过比较将电容器220充电到特定电压(例如，V_DD/2)所需要的脉冲的数目，可确定在离子腔室102中是否存在烟雾。数字处理器326从脉冲计数器读取计数值，将所述计数值存储于其存储器中，且接着闭合开关858以使电容器220放电。如下文中更完全描述，当通过数字处理器326改变GPIO多路复用器(开关)840及842时，所述循环反复地重复。周期性地产生多个脉冲将节省电力(例如，电池电力)。在周期性的多个脉冲之间，微控制器824可进入低功率睡眠模式中。

GPIO多路复用器(开关)840及842允许将电极104及106交替地连接到V_DD(或者连接到驱动器536的输出)及电容器220。当GPIO多路复用器440处于位置0时，电极104经由GPIO连接538a耦合到V_DD，或者耦合到驱动器536的输出。当GPIO多路复用器842处于位置1时，电极106经由GPIO连接538b耦合到电容器220。在此配置中，正偏压的离子化电子电流116将在电极104与106之间流动。当GPIO多路复用器840处于位置1时，电极104经由GPIO连接538a耦合到电容器220。当GPIO多路复用器842处于位置0时，电极106经由GPIO连接538b耦合到V_DD，或者耦合到驱动器536的输出。在此配置中，负偏压的离子化电子电流116a将不在电极104与106之间流动，且在GPIO连接538之间的唯一电流流动将归因于漏电流114。数字处理器326可读取且复位脉冲计数器852，可开始及停止脉冲产生器850以用于节省电池电力，且控制多路复用器(开关)858、840及842。

相比于负偏压的离子化电子电流116a不流动且仅仅漏电流114对电容器20充电的情况，当正偏压的离子化电子电流116及漏电流114流动时，经计数的脉冲数目将较小。当通过离子腔室102的电流较低时，耗费较多脉冲将电容器220充电到V_DD/2。此情形允许通过从脉冲的较高数目(仅表示漏电流114)减去脉冲的较低数目(表示正偏压的离子化电子电流116及漏电流114)来确定通过烟雾检测器腔室102的离子化电子电流116。所得的脉冲计数差表示离子化的电子电流116。

当存在足以表示烟雾存在条件的所得脉冲计数差的改变时，数字处理器326可启用警报驱动器548，所述警报驱动器548可接通可听/视觉警告550以指示烟雾的存在。可在特定时间周期内测量此计数改变。计数的迅速改变还可用以指示烟雾的存在，其中计数的缓慢改变可能仅指示例如温度、相对湿度、空气中及/或印刷电路板上的污染物等的环境条件的改变。

参看图9，其描绘根据本发明的又一特定实例实施例的单腔室离子烟雾检测器的示意性框图。图9中所展示的实施例以与图8中所展示且上文所描述的实施例实质上相同的方式工作，其中模/数转换器328及取样开关334取代比较器860及电压参考856。而且，脉冲计数器852a预载有特定脉冲计数器且将针对从脉冲产生器850接收的每一脉冲递减计数到零。当脉冲计数器852a到达零计数时，其将停止脉冲产生器850。通过选择适当计数值以得到由ADC328获得的电容器220上的电压的最佳分辨率，可将电容器220上的电压的极敏感分辨率转换为计数器数字。可借此将针对离子腔室电流116及漏电流114确定的计数数目与仅针对反极性漏电流114确定的计数数目进行比较。

参看图10，其描绘根据本发明的另一特定实例实施例的单腔室离子烟雾检测器的示意性框图。微控制器1024包括脉冲宽度调制(PWM)产生器1050、脉冲计数器852、电容器220、电压比较器860、第一电压参考856、第二电压参考857、数字处理器与存储器326、预充电开关859，及数字输出驱动器536。预充电开关859将电容器220充电到来自第二电压参考857的标称正第二参考电压(例如，V_DD/2)。微控制器1024可进一步包括耦合到可听/视觉警告550(例如，喇叭、警笛，等)的警报驱动器548。烟雾检测离子腔室102耦合到GPIO连接538。第一电压参考856及第二电压参考857的输出电压值分别可为可编程的(例如，受数字处理器326控制的数/模转换器(DAC))，或可固定。来自第一电压参考856的第一参考电压输出大于来自第二电压参考857的第二参考电压输出。

PWM产生器1050可经由驱动器536将(例如，但不限于)实质上50％的作用时间循环脉冲或下文中更完整描述的作用时间循环的任何百分比组合的脉冲提供到离子腔室102。数字处理器326可用以控制预充电开关859且开始PWM产生器1050，或者周边装置可控制预充电开关859且还开始PWM产生器1050，或者可从数字处理器326单独地提供独立控制单元(未图示)以独立地控制此些组件的操作。根据其它实施例，此控制单元(未图示)可为(例如)在微控制器824内的可编程状态机或任何其它合适顺序控制单元。输出驱动器536以可选择(可编程)作用时间循环将高逻辑电平及低逻辑电平(例如，V_DD电压电位及V_SS电压电位)施加到离子腔室102的电极104。另一电极106耦合到电容器220，所述电容器220已经由预充电开关859预充电到在(例如，但不限于)V_DD/2的第二参考电压。

当到离子腔室102的电极104的电压脉冲处于逻辑高(V_DD)时，电极104将相对于耦合到电容器220的电极106处于正电位，所述电容器220处于在(例如，但不限于)V_DD/2的第二参考电压。离子化电流116与漏电流114的组合将借此将电容器220充电到较大正电压。当到离子腔室102的电极104的电压脉冲处于逻辑低(V_SS)时，电极104将相对于耦合到电容器220的电极106处于负电位，所述电容器220处于在(例如，但不限于)V_DD/2的第二参考电压。因此，仅漏电流114将使电容器220放电到较小正电压。因为来自驱动器536的电压脉冲可具有(例如，但不限于)约50％的作用时间循环，所以与脉冲的逻辑低部分使电容器220放电的程度相比，脉冲的逻辑高部分将继续将电容器220充电为具有更大正电压。最后，电容器220上的充电电压将到达接近于V_DD的正电位，因为通过离子腔室102的逻辑高电流(电流116+电流114)将大于在相反方向上(参见图1)流动的通过离子腔室102的逻辑低电流(仅为电流114)。在离子腔室102中不存在烟雾的情况下，离子化电流116将处于其最大值，且相比于在离子腔室102中存在烟雾的情况，电容器220将以较少计数充电到接近于V_DD的正电位，因为在离子腔室102中存在烟雾的情况下，离子化电流116将借此被减小(较少的离子化的气体分子)。通过确定在特定时间周期内将电容器220充电到接近于V_DD的正电位所需要的脉冲数目，或将电容器220充电到接近于V_DD的正电位所需要的时间(未图示计时器)，可以可靠地实现对离子腔室102中的烟雾的检测。通过从将电容器220充电到接近于V_DD的正电压电位的过程中移除作为影响因素的共模漏电流114，实现对烟雾的存在的更敏感检测。

数字处理器326从脉冲计数器852读取计数值，将所述计数值存储于其存储器中，且接着闭合开关859以对电容器220预充电。所述循环反复地重复。周期性地产生多个脉冲将节省电力(例如，电池电力)。在周期性多个脉冲之间，微控制器1024可进入低功率睡眠模式中。

参看图11，其描绘根据本发明的又一特定实例实施例的单腔室离子烟雾检测器的示意性框图。图11中所展示的实施例以与图10中所展示且上文所描述的实施例实质上相同的方式工作，其中模/数转换器328及取样开关334取代比较器860及电压参考856。而且，脉冲计数器852a预载有特定脉冲计数且将针对从PWM产生器1050接收的每一逻辑高脉冲递减计数到零。当脉冲计数器852a到达零计数时，其将停止PWM产生器1050。通过选择适当计数值以得到电容器220上的接近于V_DD的正电位的由ADC328获得的最佳分辨率及视情况选择来自DAC857的预充电电压，计数器数字的任何改变的极敏感分辨率将指示离子腔室中的烟雾。借此，通过从将电容器220充电到接近于V_DD的正电位的过程中移除作为影响因素的共模漏电流114，实现对烟雾的存在的极敏感检测。

预期且在本发明的范围内，来自PWM产生器1050的脉冲串的作用时间循环可与电容器220上的充电电压成比例地改变。举例来说，当电容器上的充电电压为V_DD的50％(V_DD/2)时，脉冲串的作用时间循环可最佳化为50％。当电容器220上的充电电压大于V_DD的50％(V_DD/2)时，脉冲串的正部分还可大于50％且零(Vss)部分可小于50％，因为电容器220上的充电电压与V_DD之间的电压差将小于电容器220上的充电电压与V_SS之间的电压差，因而在V_DD下的较长脉冲周期将成比例地以较小电压差对电容器充电。以此方式，可将预充电电压选择为任何电压值(为了更大的分辨率准确度)，且随着电容器220上的充电电压增大到V_DD而成比例地调整脉冲串流作用时间循环。电容器220上的充电电压的改变的时间速率(每取样时间周期的脉冲)可用于确定腔室中的烟雾检测。

可在GPIO连接538b处添加外部充电电容器220a以增大电容220的电容值。此将增大将电容器220充电到接近于V_DD的正电压所需要的时间，借此增大可用于确定烟雾是否已进入离子腔室102的脉冲计数的数目。

参看图12，其描绘根据本发明的特定实例实施例及教示的可结合本文中所揭示且描述的实施例使用的单腔室离子烟雾检测器的前端部分的示意性框图。参看图12(a)，离子腔室102与电容器220串联耦合，其中正电压(例如，V_DD)耦合到电极104且共同电压(例如，V_SS)耦合到电容器220的未耦合到离子腔室102的电极106的一侧。在此配置中，离子化电子电流116及漏电流114两者在电容器220的一侧上(由“+”表示)将电容器220充电到正电压，所述侧耦合到离子腔室102的电极106。

参看图12(b)，离子腔室102与电容器220串联耦合，其中共同电压(例如，V_SS)耦合到电极104，且正电压(例如，V_DD)耦合到电容器220的未耦合到离子腔室102的电极106的侧。在此配置中，仅漏电流114使电容器220放电到较小正电压。实际上，耦合到串联耦合的离子腔室102及电容器220的电压的极性在图12(a)及12(b)中所展示的配置之间相反。因此，当电容器220及离子腔室102如图12(a)中所展示进行配置时，相比于如图12(b)中所展示的配置(其中以较低漏电流114使电容器220放电)，以较高电流(离子电流116+漏电流114)对电容器220充电。电容器220上的所得充电实质上仅来自离子电流116，因为通过在特定时间周期上交替地对电容器220充电及放电已有效地消除了漏电流114。

所述正电压可为连续电压(例如，V_DD)，或可为具有固定或可变持续时间(例如，脉冲宽度)的脉冲。将具有短持续时间的脉冲用于正电压将在电容器必须放电(例如，通过开关332)之前需要较长时间来对电容器220充电。可进一步使用可变持续时间的脉冲(例如，脉冲宽度调制(PWM))以使电容器220的充电/放电速率线性化。当充电电压小于1/2V_DD时，可使用较长脉冲持续时间来使电容器220放电且可使用较短脉冲持续时间来对电容器充电以达成电压改变的特定时间速率。当充电电压为约1/2V_DD时，则实质上相等的脉冲持续时间将产生大约相同的充电及放电电压改变时间速率。当充电电压大于1/2V_DD时，则可使用较短脉冲持续时间来使电容器220放电且可使用较长脉冲持续时间来对电容器220充电。

图12(c)中所展示的电路为实施跨越串联耦合的离子腔室102及电容器220的前述电压极性反转的电路实施例。根据本发明的教示，此电路可与图5到图11中所展示的实施例中的任一者一起使用。另外，不需要对充电电压(其由以离子电流116及漏电流114的充电速率取得的第一充电电压样本及以仅仅漏电流114的充电速率取得的第二充电电压样本产生)进行存储器存储，因此显著节省数字逻辑额外耗用(overhead)。图12(c)中所展示的电路在来自数字输出驱动器536的每隔一个脉冲处执行共模漏电流114去除。

多路复用器1270及1272控制施加到串联耦合的离子腔室102及电容器220的电压极性。当触发器1278的Q输出处于逻辑“0”时，离子腔室102及电容器220耦合到第一电压极性，如图12(a)中所展示。当触发器1278的Q输出处于逻辑“1”时，离子腔室102及电容器220耦合到第二电压极性，如图12(b)中所展示。触发器1278的Q输出在来自驱动器536的脉冲的每一负向转变处改变。因此，图12(a)中所展示的配置接收以离子化电流116及漏电流114对电容器220充电的一脉冲，且图12(b)中所展示的配置接收以漏电流114使电容器220放电的一脉冲。

电容器220的此充电/放电针对多个脉冲持续，直到电容器220到达特定正电压为止，可通过模/数转换器(ADC)1228获得所述特定正电压的样本，且接着可在其后(例如)通过开关332对电容器220放电。可周期性地获得电压样本(例如，参见图5、6、9及11)，且可相应地调整脉冲的脉冲宽度(PWM)。恒定电压V_DD可取代经由二极管329的来自驱动器536的脉冲。二极管329可用以防止当脉冲处于逻辑低“0”(例如，共同电压)时电容器220的反向放电。预期且在本发明的范围内，可将防护环844及模拟驱动器842添加到图12(c)中所展示的电路实施例。

参看图13，其描绘根据本发明的又一特定实例实施例的使用外部充电电容器的单腔室离子烟雾检测器的示意性框图。图13中所展示的电路为很简单的主要为数字的微控制器1324，其耦合到与离子腔室102组合的外部电容器220b。通过数字输出驱动器536及1354建立起电极104及与电极106串联耦合的电容器220b上的电压极性，其中来自驱动器536的逻辑电平输出与来自驱动器1354的逻辑电平输出相反。因此，当存在从驱动器536到GPIO连接538a的逻辑高时，电极104在正电压(例如，V_DD)下，且电容器220b的耦合到GPIO连接538b的末端实质上为零(0)伏特(例如，V_SS)(参见图12(a))。反相器1356将数字输出驱动器1354驱动到与数字输出驱动器536的逻辑电平相反的逻辑电平。

脉冲产生器1050(例如，脉冲宽度调制(PWM)产生器)将具有经定义的脉冲宽度的脉冲提供到GPIO连接538a及538b。使用PWM产生器1050允许根据电容器220b上的充电电压的值来变化高及低脉冲宽度(作用时间循环)。如上文更完整地描述，来自PWM产生器1050的脉冲串的作用时间循环可与电容器220b上的充电电压的改变成比例地改变。

数字输出驱动器1352可用以使电容器220b放电，接着进入高阻抗输出状态(例如，三态)中，使得ADC328可在取样开关334闭合时取样电容器220b上的充电电压。ADC328及开关334可周期性地取样电容器220b上的正在改变的充电电压，且将此些电压样本转换为其数字表示。如本文中更完整地描述，数字处理器326读取此些数字表示，且可将所述数字表示用于确定烟雾是否已进入离子腔室102。数字处理器326还可控制PWM产生器以基于经取样的充电电压值来变化脉冲宽度作用时间循环。

参看图14，其描绘环绕紧密相邻于接地导电平面的电容性板的静电场线(图14(a))及在电容性板与接地导电平面之间具有防护环的情况下环绕电容性板的静电场线(图14(b))的示意性表示。在图14(a)中展示在不同电压电位下电极106与环绕导体之间的静电场的示意性表示。注意在电极106与环绕的金属及/或导体(例如，接地平面846)之间的强静电场线。此寄生电容限制了对在烟雾进入到腔室102中期间所发生的电极106的电容值的改变的检测分辨率。寄生电容类似地影响电极106与微控制器1024或1124之间的连接。其还限制了可在离子腔室烟雾检测器中使用的噪声屏蔽的量。

可将防护环844引入到离子腔室102的电极106周围。通过维持防护环844上的电压(其实质上与电极106上的电压相同)，可明显减小寄生电容。借此增大了对在烟雾进入离子腔室102中期间发生的离子腔室102的泄漏电容值的改变的检测分辨率。另外，防护环844可增强电极106及离子腔室102的噪声屏蔽。

图14(b)展示电极106、防护环844及接地平面846(如果存在)之间的静电场的示意性表示，其中电极106及防护环844处于实质上相同的电压电位。注意电极106与接地平面846之间的弱得多的静电场线(较长的线)。在电极106与防护环844之间实质上不存在寄生电容，因为电极106及防护环844处于实质上相同的电压电位。返回参看图10及11，模拟驱动器842可耦合到模拟汇流排846，所述模拟汇流排846还耦合到GPIO连接538b及电容器220。防护环844可耦合到GPIO连接840，GPIO连接840还可耦合到模拟驱动器842。模拟驱动器842可将防护环844驱动到电容器220上的充电电压，所述充电电压可为实质上与电极106上的电压相同的电压，借此减小了电极106与环绕的接地金属之间的静电场。

参看图15，其描绘根据本发明的教示及实施例的示意性操作过程流程图。在步骤1506中，将烟雾检测器离子腔室102的第一电极及第二电极耦合到在第一极性下的电压。在步骤1508中，确定由于对离子腔室102施加第一极性电压而产生的第一电流。在步骤1510中，将第一电流转换为其第一数字表示。在步骤1512中，将第一数字表示存储于存储器中以用于进一步处理。在步骤1518中，将烟雾检测器离子腔室102的第一电极及第二电极耦合到在第二极性下的电压。在步骤1520中，确定由于施加第二极性电压而产生的第二电流。在步骤1522中，将第二电流转换为其第二数字表示。在步骤1524中，将第二数字表示存储于存储器中以用于进一步处理。

在步骤1526中，将第一数字表示与第二数字表示之间的差的绝对值(即，正值)存储于存储器中。此差值表示通过离子腔室102的离子电流116，其中从其移除了共模漏电流114。在步骤1528中，根据差值确定烟雾检测警报条件是否存在。可通过比较差值与参考值、比较先前差值与当前差值及/或多个差值的改变速率来进行此确定。当警报条件存在时，在步骤1530中可产生警报。

参看图16，其描绘根据本发明的教示及实施例的示意性操作过程流程图。在步骤1602中，将电容器220设定到开始电压(例如，零(0)伏特(例如，V_SS))或耦合到供应电压(例如，V_DD)。在步骤1604中，将烟雾检测离子腔室102的第一电极104连接到供应电压112。在步骤1606中，将烟雾检测离子腔室102的第二电极106连接到电容器220。在步骤1608中，在第一时间周期期间通过通过离子腔室102的离子电流116及漏电流114对电容器220充电。在步骤1610中，将电容器220上的所得充电电压转换为其第一数字表示。在步骤1612中，将第一数字表示存储于存储器中以用于进一步处理。

在步骤1614中，将电容器220设定到开始电压。在步骤1616中，将烟雾检测离子腔室102的第二电极106连接到供应电压112。在步骤1618中，将烟雾检测离子腔室102的第一电极104连接到电容器220。在步骤1620中，在第二时间周期期间仅通过漏电流114对电容器220充电。在步骤1622中，将电容器220上的所得充电电压转换为其第二数字表示。在步骤1624中，将第二数字表示存储于存储器中以用于进一步处理。

在步骤1626中，将第一数字表示与第二数字表示之间的差的绝对值(即，正值)存储于存储器中。此差值表示通过离子腔室102的离子电流116，其中从其移除了共模漏电流114。在步骤1628中，根据差值确定烟雾检测警报条件是否存在。可通过比较差值与参考值、比较先前差值与当前差值及/或多个差值的改变速率来进行此确定。当警报条件存在时，在步骤1630中可产生警报。

参看图17，其描绘根据本发明的教示及实施例的示意性操作过程流程图。在步骤1702中，将电容器220设定到第一电压。在步骤1704中，将烟雾检测离子腔室102的第一电极104连接到来自脉冲产生器1050的具有经定义的时间周期的多个电压转变。在步骤1706中，将烟雾检测离子腔室102的第二电极106连接到电容器220。在步骤1708中，将从在第一时间周期期间为实质上零伏特到在第二时间周期期间为供应电压的多个电压转变施加到烟雾检测离子腔室102的第一电极104。其中当电压转变处于供应电压时以通过离子腔室102的离子电流116加漏电流114对电容器220充电，且当电压转变处于实质上零伏特时以漏电流114使电容器220放电。步骤1710确定将电容器充电到第二电压所需要的电压转变的数目。在步骤1728中，根据电压转变的数目确定烟雾检测警报条件是否存在。其中当警报条件存在时，在步骤1730中可产生警报。可将电压转变的数目及/或在电压转变的特定时间周期内电压转变的数目用于确定警报条件。

第一时间周期及第二时间周期可实质上相等或根据电容器220上的充电电压的值进行调整，其中，当充电电压小于供应电压的一半时第一时间周期可大于第二时间周期，且当充电电压大于供应电压的一半时第一时间周期可小于第二时间周期。此特征可用以在电容器220上的充电电压从小于供应电压的一半变为大于供应电压的一半时更加线性地对电容器220充电及放电。当电容器220上的充电电压为供应电压的约一半时，第一时间周期及第二时间周期可实质上相同。脉冲宽度调制(PWM)产生器1050可用以产生此些可变作用时间循环脉冲以对电容器220充电及放电。

参看图18，其描绘根据本发明的教示及实施例的示意性操作过程流程图。在步骤1802中，将电容器220设定到开始电压(例如，零(0)伏特(例如，V_SS))或耦合到供应电压(例如，V_DD)。在步骤1804中，将烟雾检测离子腔室102及电容器220串联耦合到在第一极性下的供应电压。在步骤1806中，通过通过离子腔室102的离子化电流及漏电流对电容器220充电历时第一时间周期。

在步骤1808中，将烟雾检测离子腔室102及电容器220串联耦合到在第二极性下的供应电压，其中第二极性可与第一极性相反。在步骤1810中，通过漏电流使电容器220放电历时第二时间周期。在步骤1812中，在检测时间周期之后测量电容器220上的充电电压。

在步骤1814中，根据经测量的充电电压确定烟雾检测警报条件是否存在。可通过比较经测量电压与参考值、比较先前经测量电压与当前经测量电压及/或多个经测量电压随时间改变的速率来进行此确定。当警报条件存在时，在步骤1816中可产生警报。

预期且在本发明的范围内，电容器220可首先完全充电到一电压而非放电到实质上零(0)伏特，接着将离子腔室耦合到电容器220以使得离子电子电流116及漏电流114将使电容器220放电且仅漏电流114将对电容器220充电。因为离子电子电流116与漏电流114的组合大于仅有单独的漏电流114，所以电容器将最终放电到约零(0)伏特。

尽管已通过参考本发明的实例实施例而描绘、描述且界定本发明的实施例，但所述参考不暗示着对本发明的限制，且不应推导出所述限制。如相关技术领域并获益于本发明的一般技术人员将想到，所揭示的标的物能够在形式上及功能上具有相当大的修改、变更及等效物。本发明的所描绘且描述的实施例仅为实例，且并非为详尽无遗的本发明范围。