CN1853349A

CN1853349A - 具有同步∑－△转换器的多相测量系统

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Publication number: CN1853349A
Application number: CNA2004800269116A
Authority: CN
Inventors: 罗格·L·弗里克
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2024-09-15
Also published as: US6873277B1; WO2005034359A1; JP2007506369A; RU2006112248A; EP1665543A1; EP1665543A4; CN100530976C; EP1665543B1; US20050062628A1; JP4664297B2; RU2379831C2

Abstract

一种测量系统包括多个模拟传感器元件和多个用于产生数字输出的∑－△调制器。每一个∑－△调制器接收来自一个或多个传感器元件的电荷包、以及来自共享元件(可以是传感器或参考元件)的电荷包。这些∑－△调制器在独立的相中同步地操作，从而使共享元件仅在与∑－△调制器相关的相期间传递或不传递该∑－△调制器所需符号的电荷包。

Description

具有同步∑-△转换器的多相测量系统

技术领域

本发明涉及一种测量系统。特别地，本发明涉及一种测量电路，具有多个传感器元件和用于将传感器元件的模拟测量值转换为数字输出的多个∑-△调制器。

背景技术

现场变送器(transmitter)是一种用来监视工业过程的操作的设备。现场变送器包括变换器，用于响应利用传感元件测量到的过程变量，并且将该变量转换为作为测量到的变量的函数的标准化传输信号。术语“过程变量”是指事物的物理或化学状态、或者能量转换。过程变量的示例包括压力、温度、流量、传导率和pH。

在Roger L.Frick和David A.Broden的标题为“PRESSURE SENSORFOR A PRESSURE TRANSMITTER”的美国专利No 6,295,875中描述了一种这样的变送器。该变送器采用了一种电容性传感器，其具有可偏离传感膜、以及三个或多个电容器电极，这些电极与该膜一起形成分离的电容性传感元件。这些电容器元件中的两个是主传感电容器，对主传感电容器进行差分排列，从而主传感电容器的电容与过程变量成比例地进行反向充电。第三和第四电容器元件是补偿电容器，用于提供表示与主电容器相关联的偏移误差或滞后量的信号。当将压力施加到所述膜的一侧或两侧时，该膜发生偏离。可以通过测量与该偏离相关的电容比的变化，来检测该膜的偏离。利用模数转换器来将该电容比转换为数字形式。

在Roger L.Frick、Bennett L.Louwagie和Adrian C.Toy的题为“CAPACITIVE PRESSURE SENSOR FOR A PRESSURE TRANSMITTER WHEREELECTRIC FIELD EMANATES SUBSTANTIALLY FROM BACK SIDES OF PLATES”的美国专利No.5,637,802中、以及Roger L.Frick、Bennett L.Louwagie和Arian C.Toy的题为“ELONGATED PRESSURE SENSOR FOR APRESSURE TRANSMITTER”的美国专利No.6,089,097中描述了另一类型的变送器。在这两个专利中所述的变送器使用了两种绝对压力传感器来测量差分压力以及两个绝对压力，对差分压力测量具有高分辨率。

一种特别有利形式的模数转换器使用了∑-△调制器。在Roger L.Frick和John P.Schulte的题为“CHARGED BALANCED FEEDBACKMEASUREMENT CIRCUIT”的美国专利No.5,083,091中描述了∑-△调制器在变送器中的使用。在Michael Gaboury的题为“DELTA SIGMACIRCUIT WITH PULSE WIDTH MODULATED OFFSET”的美国专利No.6,140,952、Rongtai Wang的题为“EXCITATION CIRCUIT FOR COMPENSATEDCAPACITOR INDUSTRIAL PROCESS CONTROL TRANSMITTERS”的美国专利6,509,746、以及Rongtai Wang的题为“SIGMA-DELTA ANALOG TO DIGITALCONVERTER FOR CAPACITIVE PRESSURE SENSOR AND PROCESSTRANSMITTER”的美国专利No.6,516,672中示出了在变送器中使用∑-△调制器的其他示例。以上所提到的所有专利均授予了本申请的受让人Rosemount公司。

在具有充当电容到数字转换器的∑-△调制器的变送器中，激励电路向电容性传感器元件提供电荷包。对传感器元件进行充电的数量基于该电容性元件的电容值。将这些电荷传递到∑-△调制器的积分器/放大器来产生作为电容比的函数的一比特二进制输出。

变送器能够以模拟或数字格式与中央控制室进行通信。利用模拟通信的变送器经常连接在双线环路中，其中通过在诸如4和20毫安之间对环路电流进行调制，将正在传感的主过程变量传送到控制室。能够同时进行模拟和数字通信的变送器可以在相同的双线环路上以数字形式来传送辅助变量。

随着现场变送器的数字网络的发展，从单个变送器提供多于一个的主变量测量值变得可能。例如，提供绝对压力以及差分压力的数字输出的压力变送器将是有利的。

发明内容

本发明是一种具有多个测量元件和多个∑-△调制器的多相测量电路。该测量元件包括两个或多个传感元件和公共或共享元件(可以是参考元件或传感元件)。每一个调制器提供表示一个或多个传感元件和共享元件的比值的输出。传感元件和共享元件通过开关网络与∑-△调制器相连，并且由公共激励电路来驱动。开关逻辑控制该开关网络，从而使共享元件仅在分配给该调制器的相期间能够与特定的∑-△调制器相连。结果，∑-△调制器对共享元件进行时间共享。

附图说明

图1是具有两个电容性传感元件、共享电容器和两个同步∑-△调制器的测量电路的电路图；

图2是针对具有四个电容性传感元件、共享电容器和三个同步∑-△调制器的电容型压力传感器的测量电路的示意图。

具体实施方式

图1是测量电路10的电路图，该测量电路使用了多个传感元件和共享元件来产生多个数字比值测量值。测量电路10包括电容传感元件C1、电容传感元件C2和共享电容器CR、第一∑-△调制器12A、第二∑-△调制器12B、数字信号处理器14、开关控制逻辑16和由开关18、20、22、24、26、28、30、32和34形成的开关电路。开关18和20为输入开关，开关22、26、30和32是包传递开关，而开关24/28和34是接地开关。

∑-△调制器12A产生输出yA，该输出yA为表示电容C1和CR的比值的一比特数字信号。在优选实施例中，∑-△调制器12A和12B是二阶∑-△调制器。开关控制逻辑16提供开关控制信号A1、A2、yA和 yA，它们控制开关18、20、22、24、26和28以控制电荷包向∑-△调制器12A的传递。将正负电荷包通过开关传递到∑-△调制器12A的输入端，以保持正和负电荷包之间的长期平衡。

∑-△调制器12B产生输出yB，该输出yB为表示电容C2和CR的比值的一比特数字信号。开关控制逻辑16产生第二相开关控制信号B1和B2、yB和 yB，它们控制开关18、20、28、30、32和34以便将电荷包提供到∑-△调制器12B的输入端。

数字信号处理器14从∑-△调制器12A和12B接收输出yA和yB，并且将这些信号转换为表示传感电容器C1和C2正在测量的参数的数字输出。例如，如果C1和C2是压力传感电容器元件，数字信号处理器14的输出可以表示由C1传感的第一绝对压力、由C2传感的第二绝对压力、以及表示两个绝对压力之间的差值的差分压力。可以从由yA和yB所表示的两个数字比值测量值中获得所有三个数字输出。

测量电路10利用了三个电压电平VP、VMID和VN。VP是正电压，VN是负电压，而VMID是处于VP和VN中间的电压(典型地，为“地”)。使用共享参考电容器CR和分离的∑-△调制器12A和12B允许由测量电路10来提供多个数字测量。为了实现这一点，开关控制逻辑16控制这些开关来定义多相操作，其中A相用于将电荷包传递到∑-△调制器12A，而B相用于将电荷包传递到∑-△调制器12B。按照该方式，消除了可能由于∑-△调制器12A和12B同时需要来自参考电容器CR的电荷包而导致的冲突。

对于每一个∑-△调制器12A、12B，定义了更新率或测量周期，优选地为常数。由于该电路本质上是数字的，所以该电路是具有与取样频率相关的动态响应的取样数据系统。如果取样频率(数字更新频率)并非恒定的，则系统的响应时间或频率响应将不是恒定的。这将在过程控制环路中引起不可预测的性能。如果在不同的时间和/或以不同的频率对传感器内的传感元件进行取样，则混叠(aliasing)将成为一个问题。当测量参数正在发生变化时，平均输出将不对应于平均输入。

为了实现恒定的更新率，在测量周期期间传递到∑-△调制器12A或12B的电荷包的总数保持恒定，尽管在该周期期间的正、负脉冲的数量将根据传感元件C1或C2的电容而发生变化。这表示去往∑-△调制器的电荷包传递速率也是恒定的。开关控制逻辑16必须以该恒定包传递速率来确定是传递表示一个电容(或电容集合)的正电荷，还是传递表示另一电容(或电容集合)的负电荷。

共享电容器CR一次仅能够通过开关26、28和30传递一个电荷包。在两个竞争的∑-△调制器之间精确地分割单个电荷包是不切实际的。如果∑-△调制器12A和12B同步且完全同相地操作，则存在两个调制器12A和12B同时要求传递来自共享电容器CR的电荷包的时候。还存在调制器12A和12B将同时要求相同符号的连续脉冲的时候。

利用本发明，∑-△调制器12A和12B和用来向调制器12A和12B提供电荷脉冲的开关电路在交替的A相和B相的同步多相周期中进行操作。在A相期间，将电荷包从传感器C1或共享电容器CR传递到∑-△调制器12A。在B相期间，将电荷包从传感器C2或共享电容器CR传递到∑-△调制器12B。共享电容器CR通过开关26与∑-△调制器12A的输入端相连，并且通过开关30与∑-△调制器12B的输入端相连。开关28使得CR与VMID(或“地”)相连，以便在两个相期间的电荷包传递之间对CR进行放电。这允许CR在交替的相上传递或不传递调制器12A和12B所需符号的电荷包。

在图1所示的特定实施例中，∑-△调制器12A接收来自C1的负电荷、以及来自CR的正电荷。∑-△调制器12B接收来自C2的负电荷、以及来自CR的正电荷。在第一∑-△调制器12A激活的A相期间，开关逻辑信号A1、A2、yA和 yA控制电荷包向∑-△调制器12A的传递。当∑-△调制器12A的输出为低电平(即， yA为高电平)时，开关18将在相信号A1期间导通(即，开启)，而在A2期间将不导通(即，关断)。当开关18导通时，将正电压VP施加到C1和CR(还有C2)的输入侧。C1的输出侧通过开关24与VMID相连，因为当 yA和A1为高电平时，开关24开启。所有剩余开关22、26、28、30、32和34均关断。

当 yA为高电平且A2变为高电平时，开关18关断而开关20开启，以便将电压VN连接到C1、CR和C2的输入侧。VN位于C1的输入端，并且将表示电容器C1的电容值的负电荷传送到开关22和24的输入端。开关24现在关断，而开关22开启。结果，开关22将电容器C1的负电荷表示传递到∑-△调制器12A的输入端，在∑-△调制器12A的输入端，对该负电荷表示进行积分，从而负的输入在正在与VMID进行比较的信号中产生正的改变。当积分信号超过VMID时，∑-△调制器12A的输出将改变状态，从而yA为高电平，而 yA为低电平。该电荷积分可能需要来自C1的单个电荷包，或者有时可能需要多个电荷包，以便将yA从低电平改变为高电平。

在完成A相之后，然后B相激活。如果∑-△调制器12B的输出为低电平(即， yB为高电平)，则按照将来自C1的负电荷包传递到∑-△调制器12A相同的方式，将来自C2的负电荷包传递到∑-△调制器12B。换句话说，在B1期间，开关18和开关34将开启，而所有剩余开关将关断。在B2期间，开关20和开关32将开启，而所有剩余开关将关断。结果，作为电容C2的函数的负电荷包将通过开关32被提供给∑-△调制器12B的输入端。

该方式将继续，其中在A相期间从C1传递负电荷包而在B相期间从C2传递负电荷包，直到两个∑-△调制器12A和12B之一的输出改变状态为止。为了该示例的目的，假定∑-△调制器12A改变状态，从而yA为高电平。在下一次出现A相期间，开关20和28将在A1期间开启，而所有其他开关关断。在A2期间，开关18和开关26将开启，而所有剩余开关将关断。结果，将来自CR的正电荷包传递到∑-△调制器12A的输入端。

A相和B相将是交替的，并且在一些时刻，∑-△调制器12B的输出将改变状态，从而yB为高电平。由于yB为高电平，则开关20和28将在B1期间开启，从而使CR的输入端与VN相连而输出端与VMID相连。当yB为高电平时，所有其他开关在B1期间关断。

在B2期间，由于yB为高电平，开关18开启，将VP与共享电容器CR的输入端相连，并且开关30开启，将CR的输出端与∑-△调制器12B的输入端相连。

对∑-△调制器12A和12B的操作进行同步，从而使两者均具有相同的测量或更新周期。这允许数字信号处理器14针对两个测量以相同的更新速率来产生数字比值，并且测量在需要共享电容器CR时并不彼此冲突。

在前面的描述中，作为示例，选择了正在由各种电容器传递的电荷包的特定极性，但是其他配置同样是适用的。例如，∑-△调制器12B可以在每一个B相期间接收来自C2的正脉冲和来自CR的负脉冲。这简单地通过改变控制开关18、20、28、30、32和34所需的开关控制信号的逻辑状态来实现。

在更为复杂的电荷平衡策略中，理想地，可以根据∑-△调制器12A和12B的积分器/逻辑和开关逻辑16的需求，来改变由共享电容器CR所传递的电荷包的符号。这还可以通过在经由开关18和20提供给共享电容器CR的输入端的驱动电压的上升或下降沿激活接地开关28来实现。这对电容器CR预充电到所需的值，以便将适当符号在下一周期传递给积分器。当∑-△调制器工作于如下模式时该类型的操作通常是必须的：其从在积分之前所减去的电容器集合充电，并且所得到的符号是未知的。

图2示出了测量系统40，该系统为三相测量系统。测量系统40包括电容性压力传感器42(具有传感元件C1、C2、C3和C4)、共享参考电容器CR、∑-△调制器44A、44B和44C、开关控制逻辑46、数字信号处理器48、以及由输入开关50和52、包传递开关54、56、58、60、62、64和66、以及接地开关68、70、72、74和76形成的开关电路。

优选地，电容性传感器42是在Frick等人的美国专利6,295,875中所述类型的差分压力传感器。该传感器42具有四个电容性传感元件C1、C2、C3和C4。需要这些电容性传感元件中的至少三个，以便提供以下能力：对零对线压力误差进行校正、测量线路压力、以及针对滞后型误差校正差分压力输出。

在图2所示的实施例中，测量三个电容比。∑-△调制器44A接收来自电容性传感元件C1和C4、以及来自共享电容器CR的电荷包输入，并且产生表示(C1-C4)/CR的输出。

∑-△调制器44B接收来自传感元件C2和共享电容器CR的电荷包输入。该调制器44B提供表示比值C2/CR的输出。

∑-△调制器44C接收来自传感元件C3和共享电容器CR的电荷包输入。该调制器44C产生表示C3/CR的输出。

开关控制逻辑46向开关50-76提供开关控制信号，创建三个相A、B和C。被激活的特定开关取决于哪一个相是激活的、以及与特定相相关的调制器的输出状态。结果，三个∑-△调制器44A、44B和44C对公共参考电容器CR的使用进行时间共享。这允许每一个∑-△调制器44A-44C产生作为CR的函数的比值。这又允许数字信号处理器48产生与各个∑-△调制器的输出相关的数字输出。以相同的速率对所有输出进行更新，但是按照同步的顺序三相方式来产生这些输出。通过本发明的多相操作消除了由于使用共享电容器CR将会引起的冲突。

图1和2示出了本发明的多相测量系统的两个示例。相同的原理可以应用于具有以集合的形式(诸如由图2中的电容器C1和C4形成的集合)或单独地连接在一起的不同数量的传感元件的其他系统。所使用的∑-△调制器的数量可以根据所需的不同比值的数量而增加，只要由开关控制逻辑产生的相数与共享公共参考元件(例如，共享电容器CR)的∑-△调制器的数量相匹配。公共或共享元件可以是具有固定值或已知值的参考元件(例如图1和2中的电容器CR)，或者其可以具有可变或未知值的传感元件。

尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将会意识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims

1、一种测量电路，包括：

多个测量元件；以及

多个∑-Δ调制器，它们在同步多相周期中操作，在该周期中，每一个∑-Δ调制器均具有相关的测量相，每一个∑-Δ调制器产生数字输出，该数字输出是在该∑-Δ调制器的相关测量相期间从测量元件的不同子集中接收到的电荷包的函数，其中每一个不同的子集包括由这些子集共享的一个测量元件。

2、根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于还包括：

具有多个开关的开关电路，用于向多个∑-Δ调制器传递作为测量元件的函数的电荷包；以及

开关逻辑控制，用于作为测量相和与该测量相相关联的∑-Δ调制器的数字输出的函数来控制开关电路。

3、根据权利要求2所述的测量电路，其特征在于所述开关电路包括：

输入开关，用于将测量元件选择性地连接到正和负电压上；

电荷包传递开关，用于选择性地将测量元件连接到∑-Δ调制器上；以及

接地开关，用于选择性地将测量元件连接到地电位上。

4、根据权利要求1所述的测量电路，其特征在于所述测量元件包括电容性传感器元件。

5、根据权利要求4所述的测量电路，其特征在于所述共享的测量元件是参考电容器。

6、一种测量电路，包括：

第一测量元件；

第二测量元件；

第三测量元件；

第一电荷包积分转换器，用于产生作为接收到的电荷包的比值的函数的第一输出；

第二电荷包积分转换器，用于产生作为接收到的电荷包的比值的函数的第二输出；

驱动信号源，用于向第一、第二和第三测量元件提供驱动信号；

开关电路，用于将电荷包从第一测量元件和第三测量元件选择性地提供给第一电荷包积分转换器，以及将电荷包从第二测量元件和第三测量元件选择性地提供给第二电荷包积分转换器；以及

开关控制逻辑，用于控制开关电路，从而使第一电荷包积分转换器在第一相期间接收电荷包，而使第二电荷包积分转换器在第二相期间接收电荷包。

7、根据权利要求6所述的测量电路，其特征在于所述开关控制逻辑在第一相期间作为第一输出的函数、而在第二相期间作为第二输出的函数来控制所述开关电路。

8、根据权利要求6所述的测量电路，其特征在于所述开关电路包括：

电荷包传递开关，用于控制电荷包向转换器的传递；以及

接地开关，用于将第一、第二和第三测量元件选择性地与地电位相连。

9、根据权利要求6所述的测量电路，其特征在于所述第一和第二测量元件是电容性传感器元件。

10、根据权利要求6所述的测量电路，其特征在于所述第一和第二测量元件是绝对压力传感器。

11、根据权利要求6所述的测量电路，其特征在于所述第三测量元件是电容器。

12、根据权利要求6所述的测量电路，其特征在于还包括：

数字信号处理器，用于产生作为第一和第二输出的函数的多个数字输出。

13、根据权利要求6所述的测量电路，其特征在于所述第一和第二电荷包积分转换器包括∑-Δ调制器。

14、根据权利要求13所述的测量电路，其特征在于所述∑-Δ调制器是二阶∑-Δ调制器。

15、根据权利要求6所述的测量电路，其特征在于所述第三测量元件具有固定值。

16、根据权利要求6所述的测量电路，其特征在于所述第三测量元件具有可变值。

17、一种测量电路，包括：

多个传感器元件；

共享元件；以及

多个∑-Δ调制器，它们在同步多相周期中操作，在该周期中，每一个∑-Δ调制器均具有相关的测量相，每一个∑-Δ调制器产生数字输出，该数字输出是在其相关测量相期间从至少一个传感器元件和共享元件中接收到的电荷包的函数。

18、根据权利要求17所述的测量电路，其特征在于还包括：

具有多个开关的开关电路，用于向多个∑-Δ调制器传递作为传感器元件和共享元件的函数的电荷包；以及

19、根据权利要求18所述的测量电路，其特征在于所述开关电路包括：

输入开关，用于将传感器元件和参考元件选择性地连接到正和负电压上；

电荷包传递开关，用于将传感器元件和共享元件选择性地连接到∑-Δ调制器上；以及

接地开关，用于选择性地将传感器元件和参考元件连接到地电位上。

20、根据权利要求17所述的测量电路，其特征在于所述传感器元件包括电容性传感器元件。

21、根据权利要求20所述的测量电路，其特征在于所述共享元件是参考电容器。

22、根据权利要求17所述的测量电路，其特征在于所述共享元件是具有可变值的传感器。

23、根据权利要求17所述的测量电路，其特征在于所述共享元件是具有固定值的参考元件。

24、一种测量电路，包括：

第一传感器元件；

第二传感器元件；

共享元件；

驱动信号源，用于向第一、第二传感器元件和共享元件提供驱动信号；

开关电路，用于将电荷包从第一传感器元件和共享元件选择性地提供给第一电荷包积分转换器，以及将电荷包从第二传感器元件和共享元件选择性地提供给第二电荷包积分转换器；以及

25、根据权利要求24所述的测量电路，其特征在于所述开关控制逻辑在第一相期间作为第一输出的函数、而在第二相期间作为第二输出的函数来控制所述开关电路。

26、根据权利要求24所述的测量电路，其特征在于所述开关电路包括：

电荷包传递开关，用于控制电荷包向转换器的传递；以及

接地开关，用于将第一和第二传感器元件和共享元件选择性地与地电位相连。

27、根据权利要求24所述的测量电路，其特征在于所述第一和第二传感器元件是电容性传感器元件。

28、根据权利要求24所述的测量电路，其特征在于所述第一和第二传感器元件是绝对压力传感器。

29、根据权利要求24所述的测量电路，其特征在于所述共享元件是电容器。

30、根据权利要求24所述的测量电路，其特征在于还包括：

31、根据权利要求24所述的测量电路，其特征在于所述第一和第二电荷包积分转换器包括∑-Δ调制器。

32、根据权利要求31所述的测量电路，其特征在于所述∑-Δ调制器是二阶∑-Δ调制器。

33、根据权利要求24所述的测量电路，其特征在于所述共享元件具有固定值。

34、根据权利要求24所述的测量电路，其特征在于所述共享元件具有可变值。