[发明专利]无折回的电容数字接口电路

说明书

相关申请的交叉引用 

引用共同转让的同日提交的题为“Capacitance-to-Digital InterfaceCircuit For Differential Pressure Sensor”的共同待审的申请。 

技术领域

本发明涉及一种测量系统。更具体地，本发明涉及一种用于与电容性差压传感器一起使用的电容数字(capacitance-to-digital)调制器。 

背景技术

现场变送器是一种用于监控工业过程的操作的设备。现场变送器包括变换器(transducer)，该变换器响应于传感元件的测量过程变量，并将该变量转换为标准化的传送信号，该传送信号是所测量的变量的函数。术语“过程变量”是指物质的物理或化学状态或能量的转换。过程变量的示例包括压力、温度、流、传导性以及pH。 

Roger LFrick和David A.Broden的美国专利No.6,295,875中描述了一种这样的变送器。该变送器采用具有可偏转的传感隔板的电容性传感器，以及三个或更多个电容器电极，这些电容器电极与所述隔板形成了分离的电容性传感元件。两个所述电容器元件是主传感电容器，差动地设置该主传感电容器，使得该主传感电容器的电容与过程变量成反比地充电。 

第三和第四电容器元件是补偿电容器，用于提供表示偏移误差或与该主电容器相关联的磁滞的信号。由于向该隔板的一侧或两侧施加了压力，因此该隔板偏转。可以通过测量与偏转相关的电容比值的变化来检测该隔板的偏转。使用模数转换器将该电容比值转换为数字格式。 

模数转换器的一种特别有利的形式是使用Σ-Δ(或Δ-Σ)调制器。  以下文献中描述了Σ-Δ调制器在变送器中的使用：Roger L Frick和John P.Schulte的美国专利No.5，083,091、Michael Gaboury的美国专利No.6,140,952、Rongtai Wang的美国专利No.6,509,746以及RongtaiWang的美国专利No.6,516,672。 

在具有Σ-Δ调制器用作电容数字(CD)转换器的变送器中，激励电路向电容性传感器元件提供了电荷包。对该传感器元件充以基于该电容性元件的电容值的电量。将该电荷转移至Σ-Δ调制器的积分器/放大器，以产生作为电容比值的函数的1比特的二进制输出。 

CD调制器的基本功能是将该电容比值转换为PCM(脉冲编码调制)信号。将测量的电容比值定义为：η＝(C_X-C_Y)/(C_X+C_Y)，其中C_X和C_Y表示具有公共极板(plate)的两个传感器电容器的电容。 

对于使用Σ-Δ架构的CD调制器，实际过程包括将电荷比值转换为PCM信号。在正常操作条件下，由于电荷与电容成正比，因此，该电荷比值等于该电容比值。 

然而，在特定的异常操作条件下，这个等价关系不正确。一种这样的操作条件是过压以及在一个传感器电容器中出现短路。由于由短路引起的泄漏，从该传感器电容器转移出的电荷可能非常少。因此，由PCM信号提供的数字读数不等于该电容比值。不仅该读数的幅值不正确，在许多情况下，甚至该读数的极性都是错误的。这种现象被成为“折回异常(fold-back anomaly)”。需要改进的电路来消除这种折回异常。 

发明内容

一种电容数字(CD)调制器，将压力传感器的电容转换为脉冲编码调制输出信号。该CD调制器的第一级是Σ-Δ积分器，该积分器具有连接在积分器输入节点与放大器输入之间的自动归零电容器。在自动归零阶段期间，反馈电容器连接在该放大器的输入与输出之间，该自动归零电容器存储作为连接至该积分器输入节点的传感器电容器的泄漏电阻的函数的电压。在积分阶段期间，该反馈电容器连接至该积分器输入节点。如果过压/短路条件存在，则该自动归零电容器上存储的  电压将感应出流向该反馈电容器的电流，以驱使该积分器饱和，并抑制折回异常。