专利名称：：具有传感器故障模式检测的电容数字调制器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及测量系统。更具体地，本发明涉及与电容性压力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运行的设备。现场变送器包括换能器(transducer),该换能器响应于传感元件的测量过程变量，根据该测量变量，将该变量转换为标准化的传送信号。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。RogerL.Frick和DavidA.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偏转传感隔板以及三个或更多电容器电极的电容性传感器，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反比例地充电。第三和第四电容器元件是补偿电容器，提供了表示与该主电容器相关联的偏移误差或磁滞的信号。由于压力被施加到该隔板的一侧或两侧，该隔板偏转。通过测量与偏转相关的电容比值，可以检测到该隔板的偏转。使用模数转换器将该电容比值转换为数字格式。RogerL.Frick、BennettL.Louwagie禾卩AdrianC.Toy的美国专利No.5,637,802和6,089,097中描述了另一种变送器。这两件专利中描述的变送器使用两个绝对压力传感器来测量差压以及两个绝对压力，差压测量具有高分辨率。模数转换器的一种特别有利的形式是使用sigma-delta(或delta-sigma)调制器。以下文献中描述了在变送器中使用sigma-delta调制器RogerL.Frick和JohnP.Schulte的美国专利No.5,083,091、MichaelGaboury的美国专利No.6，140，952、RongtaiWang的美国专利No.6,509,746以及RongtaiWang的美国专利No.6,516,672。在具有sigma-delta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电荷包。对该传感器元件充电的量基于该电容性元件的电容值。将该电荷转移至sigma-delta调制器的积分器/放大器，以产生作为电容比值的函数的一比特二进制输出。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。对于使用sigma-delta架构的CD调制器，实际过程包括将电荷比值转换为PCM信号。在正常运行条件下，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，在特定的异常运行条件下，这个相等关系不成立。可能发生传感器故障模式条件，在该条件下，该传感器与CD转换器断开连接，或者由于失去物理完整性而出现故障。即使在压力读数不再表示真实的测量压力的情况下，该CD调制器可能继续照常运行而不提供警告信号。
发明内容一种压力变送器，包括传感器电容、参考电容以及主电容数字(CD)调制器，所述压力变送器提供了传感器故障模式检测，以识别所述传感器电容或所述参考电容何时处于故障模式。当所述参考电容有效时，副传感器故障模式调制器操作以产生脉冲编码调制信号，该信号是所述参考电容的函数。基于所述主和副调制器的输出，可以识别传感器故障模式条件。图l是压力变送器的框图，该压力变送器包括传感器电容器、参考电容器以及电容数字(CD)调制器。图2是图1的变送器的CD调制器的框图。图3示出了图2的CD调制器的定时信号PCLK、Z、ZD、I和ID的波形。图4是图2的CD调制器的第一级积分器的示意图。图5是图4的第一级积分器的电容器输入控制电路的示意图。图6是图2的CD调制器的第二级积分器的示意图。图7是CD调制器的量化器的示意图。图8示出了定时信号SCK和DCK的波形。图9是CD调制器的激励信号产生器的示意图。图10A和10B分别是用于正激励和负激励的ZD、ID和VEX的波形。图11是图2的CD调制器的传感器故障模式检测调制器的功能框图。图12是传感器故障模式检测调制器的积分器的示意图。具体实施例方式图1示出了压力变送器10，该压力变送器10是基于电容的压力变送器，包括传感器电容器Cs和参考电容器C^、CD调制器12、数字部分14、电平移位器(levelshifter)16、微处理器18以及接口20。压力变送器10产生输入信号，该输出信号是由传感器电容器Cs所感测的压力的函数。CD调制器12是二阶sigma-delta转换器。CD调制器12的主要功能是将电容比值CR/(Cs+QO转换为脉冲编码调制信号PCMP。输出信号SENEX是由CD调制器12产生的激励信号。该SENEX信号与传感器电容器Cs和参考电容器CR的公共板极(plate)连接。电容器Cs和CK的其他板极分别与CD调制器12的输入节点CSEM和CREF连接。CD调制器12还包括传感器故障模式检测器，以指示传感器电容器Cs何时处于故障运行模式下。当该传感器故障模式检测器有效时，CD调制器12产生脉冲编码调制信号PCMR，该信号PCMR可以用于识别传感器Cs是运行在正常模式还是故障模式下。数字部分14包括SINC滤波器，该SINC滤波器进一步将脉冲编码调制信号PCMP和PCMR转换为更高分辨率的读数。数字部分14也存储读数，并提供控制CD调制器12的运行的控制和定时信号。由数字部分14产生的控制和定时信号包括时钟信号PCLKD、复位信号PRSTD、调制器运行控制信号DMAD和DMBD、传感器故障模式检测功能使能信号SFDD以及调制器测试使能信号CTDD。电平移位器16提供了数字部分14与CD调制器12的模拟电路之间的接口。电平移位器16将来自数字部分14的定时和控制信号转换为CD调制器12使用的输入信号PCLK、PRST、DMA、DMD、SFD以及CTD。微处理器18从数字部分14接收数字数据，并向数字部分14提供运行指令和参数。微处理器18通过接口20提供变送器10与控制室之间的通信。所述通信可以通过双线环路或网络而进行，其中在该网络上传送模拟、数字或模拟和数字信号的组合，或者可以经由无线传送而进行。图2是CD调制器12的框图，CD调制器12包括二阶sigma-delta调制器30、传感器故障模式检测器32、定时电路34、偏置电路36、缓存器组38以及诊断电容C1和C2。sigma-delta调制器30包括第一级积分器40、第二级积分器42、量化器44以及激励控制单元46。传感器故障模式检测器32是一阶sigma-delta调制器，包括SFD积分器50、SFD量化器52以及SFD控制单元54。二阶sigma-ddta调制器30根据与第一级积分器40的输入连接的有效输入电容CH和C^来产生PCMP输出。调制器30的总的传递函数是DP=CL/(CH+CL)，其中Dp是PCMP信号的脉冲密度。第一级积分器40是sigma-delta积分器，其根据电容CH和CL来产生第一级输出VouT,。第二级积分器42是sigma-delta积分器，其对第一级积分器的输出Vo冊进行采样，并产生输出VouT2，该输出VouT2被提供给量化器44。量化器44的功能是将第二级积分器42的输出信号VouT2转换为脉冲编码调制信号PCMP，该信号PCMP被传送给数字部分14。激励控制单元46也使用量化器44的输出来产生激励信号SENEX和DGNEX。CD调制器12具有两种主要运行模式(正常模式和内建测试模式)，来自数字部分14和电平移位器16的逻辑控制信号DMA和DMB选择这两种模式。在调制器30的正常模式期间，将激励信号SENEX传送给电容器Cs和Cr。在内建测试(BIT)模式期间，向片上电容C1和C2提供DGNEX信号。如果DMA-DMB-O，则调制器12处于正常模式。如果DMA4或DMB=1，则调制器12处于BIT模式。当CD调制器处于正常模式时，外部传感器电容器Cs和参考电容器CK分别与调制器30连接，作为CH和C^。当CD调制器12处于内建测试(BIT)模式时，可选择的片上电容C1和C2分别与调制器30连接，作为CH和Ct。表lDMADMB运行模式cHCL00正常模式csCr10BIT模式AC产40pFC2=20pF01BIT模式BC产20pFC2=40pF11BIT模式CC产20pFC2=20pF对于正常模式，Dp=~^~c及+对于BIT模式A，D,丄对于BIT模式B，对于BIT模式C，BIT模式允许变送器10验证数字部分14和CD调制器12的信号处理电路是否正常工作。这是通过将已知的电容连接到第一级积分器40的输入，并检査是否实现了期望的PCMP信号的脉冲密度来实现的。然而，BIT模式不能确定传感器电容器Cs是否运行正常，或者是否处于故障模式。CD调制器12包括传感器故障模式检测器32，该传感器故障模式检测器32提供PCMR信号以验证该传感器是否处于故障模式。例如，蓝宝石电容性压力传感器有两种要考虑的故障运行模式-开放传感器模式(OS模式)以及油填充(oilfilled)模式(OF模式)。高压(大于10kpsia)可能导致出现OS模式。由于高压所导致的蓝宝石材料中的裂隙的传播，传感器电容器Cs的引线(lead)可能与传感器激励信号SENEX断开连接。在OS模式下，第一级积分器40的有效输入电容CH降低至正常范围以下。当形成传感器电容器Cs的蓝宝石堆的熔接物处于故障状态时，可能出现OF模式。由此，压力填充媒质可能进入蓝宝石堆的内部。由于该压力填充媒质的介电常数比真空的介电常数大得多，因此，在OF模式下，输入电容CH比在正常运行期间大得多。为了确定传感器Cs是否运行在故障状态，SFD检测器32必须能够监控参考电容器CR以及传感器电容器Cs的电容。监控过程的一个重要限制是，不应中断或干扰CD调制器12的正常运行。SFD检测器32是副过采样模数转换器。SFD检测器32的基本功能是将电容比值CR/Qn转换为PCMR信号，其中CR是参考电容器，Cn是第一级积分器40的反馈电容器。主CD调制器30测量下的电容比值为C化SFD检测器32测量下的电容比值为传感电容器与片上反馈电容器Qn的电容比值为:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>可以使用测量比值11m和TlR将比值TlS表示为:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>因此，为了确定Cs(或Ck)是否处于故障模式，无需测量电容比值TlS。微处理器18可以基于llm和TU的测量结果，使用上述方程来计算电容比值ils。作为数值示例，在正常模式下，参考电容器CK的电容是约15pF;在正常模式下，根据所施加的压力，传感器电容器Cs的电容约在15pF至30pF之间；片上电容器Cp为60pF。当传感器运行在故障模式下时，有效电容值可能明显偏离其正常值。如果比值ilR等于或小于1/30，则参考电容器CR处于OS模式。如果比值iU等于或大于1/2，则参考电容器CR处于OF模式。如果比值riR接近1/4，则参考电容器CR处于正常模式。类似地，如果比值riR等于或小于1/30，则传感电容器Cs处于OS模式。如果比值riR等于或大于5/6，则传感电容器Cs处于OF模式。如果比值化在1/4>化>3/4的范围内，则传感电容器Cs处于正常模式。定时器34提供了主调制器30和SFD调制器32两者所使用的定时信号。表2中列出了定时器34的输入和输出信号。设计了非重叠两阶段时钟产生器来产生信号Z和I，以及其延迟版本ZD和ID。图3示出了信号PCLK、Z、ZD、I、ID的波形。图8示出了信号SCK和DCK的定时关系。CD调制器复位信号是RESET-PRESTZ。表2定时电路的IO信号列表<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>图4示出了积分器40的简化电路示意图。它包括开关SW1-SW9、反馈电容器Cp,以及两个自动归零(auto-zero)电容器CzH和C^。在一个实施例中，CF1=60pF，CZH=CZL=15pF。第一级积分器40的增量运算表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>其中，Yp(n)是量化器产生的控制信号，Qn是积分器的反馈电容器，AVex是差分激励电压(VP-VN)。第一级积分器40的基本操作如下幵关SW2和SW5为CzH提供自动归零路径。开关SW4和SW5为CzL提供自动归零路径。开关SW1和SW7为CH提供积分路径。开关SW3和SW8为CL提供积分路径。开关控制信号的逻辑如下所列<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>图5是积分器40的电容器输入控制电容的示意图，该电路包括开关SW7-SW14。片上电容器CfCB-Q^20pF用于内建测试功能。电容器组合控制信号是<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>内建测试电容器输入控制信号是<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>图6示出了积分器42的简化示意图。它包括放大器A2、反馈电容器Q^40pF，自动归零电容器CflOpF，采样电容器C21=20pF、Cfl0pF以及开关SW2,-SW28。第二级积分器42的增量运算表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中U(n)是当前积分器-l的输出，U(n-l)是前一积分器-l的输出。积分器42的开关控制信号如下输入开关电容器采样控制信号被设计为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>自动归零电容器Cz的开关控制被设计为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>复位开关控制为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>图7示出了量化器44的示意图，它包括比较器60、逆变器62和64以及D触发器(flip-flop)66。量化器44的基本功能是将积分器42的模拟输出转换为一比特数字信号。量化器电路中需要两个定时信号SCK和DCK。图8示出了SCK和DCK的波形。在积分阶段的结尾处设计定时信号SCK的负脉冲，该定时信号SCK为比较器60提供了低有效触发。比较器60的正输入节点与V,连接。比较器60的负输入节点与积分器42的输出连接。如果积分器42的输出电压VouT2低于V認D的电压，则比较器输出CMPOUT为"1"，否则该输出为"0"。D触发器66同步比较器输出信号。以DCK作为时钟输入的D触发器66创建同步信号Yp(n)，逆变器64将该同步信号Yp(n)反转。产生的信号PDATA被发送至数字部分14内的数字滤波器。同时，其等效信号YBP用作调制器开关逻辑信号。图9示出了激励信号产生器46的总体结构，其中A、B是开关，VP=0.75Vdda，Vw-0.25^是用于产生激励信号的电压源。开关A和B的控制信号确定激励信号的极性。在表3中，以定时信号ZD和ID的形式列出了用于产生正激励信号或负激励信号的开关控制信号。图10A和IOB示出了正激励和负激励信号的波形。表3激励极性的控制<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>在CD调制器控制单元中有两个激励信号产生器传感器激励信号(SENEX)产生器和内建测试激励信号(DGNEX)产生器。产生SENEX信号的要求如下所列1)如果量化器输出逻辑信号Yp(nhl，贝USENEX信号的极性为正；2)如果量化器输出逻辑信号Yp(nH)，则SENEX信号的极性为负；以及3)仅在正常模式下SENEX信号才有效，即DMOD=0。表4中示出了用于产生SENEX信号的开关控制逻辑。表4用于产生SENEX的开关控制信号<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>产生DGNEX信号的要求如下所列1)如果量化器逻辑输出Yp(n"l，则DGNEX信号的极性为正；2)如果量化器逻辑输出Yp(n)^，则DGNEX信号的极性为负；以及3)仅在BIT模式下DGNEX信号才有效，艮口DMOD-l。表5中示出了用于产生DGNEX信号的开关控制逻辑。表5用于产生DGNEX的开关控制信号<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>SFD检测器32是副过采样AD调制器。SFD检测器32的基本功能是将电容比值CR/Cw转换为PCMR信号，其中CR是参考电容器，Cn是第一级积分器40的反馈电容器。图ll中示出了简化框图。它包括3个块，SFD积分器50、SFD量化器52以及SFD控制单元54。仅当SFD-1时SFD检测器32才有效，如果SFD-O，则SFD检测器32处于休眠模式(零功耗)。使用U(n)和U(n-l)来表示积分器40当前输出和前一输出(V0UT1)，SFD积分器50的增量运算表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>图12示出了SFD积分器50的简化示意图。它包括开关SW3,-SW3s、放大器A3、反馈电容器CF3以及自动归零电容器Cz3。在一个示例中，CF3=20pF，Cz=10pF，C3H=C3I=C3R=5pF。其基本操作如下开关SW36和SW37以及自动归零电容器Cz3提供了自动归零路径，而SW^提供了积分路径。开关SW38用于积分器复位。电容器C3H用于U(n)采样。电容器C3L用于U(n-l)采样。电容器C3R提供了AVREF=VP-VN。SFD控制单元54产生激励信号REFEX。开关SWH-SW38的控制逻辑如下所列<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>SFD量化器52与主量化器44类似。它包括比较器、逆变器以及D触发器。比较器的正输入节点与SFD积分器50的输出连接。比较器的负输入节点与参考电压VMro连接。比较器触发信号DSCK被设计为脉冲编码调制信号PCMR为k:適-娜》SFD控制单元54的主要功能是为SFD积分器50中的电容器C^产生激励信号。使用与主激励控制单元46的描述中相同的标记，表6中列出了用于产生激励信号REFEX的开关控制信号。表6REFEX开关控制信号<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>Npo表示YP中"0"的数目，Nx。表示Yx中"0"的数目，将脉冲密度D別定义为SFD检测器32的测量关系可以表示为在CD调制器12中使用SFD检测器32来监控传感器故障有若干优点。首先，SFD功能是无干扰的。换言之，当SFD功能在线(on-line)时，由SFD检测器32引导的监控过程不会使CD调制器12的运行产生任何中断或干扰。其次，SFD功能提供了用于识别传感器故障模式的阈值的灵活性。用于识别PCMR信号何时确定OS或OF故障模式的阈值可以被存储在数字部分14中，并可以由微处理器18基于经验或基于通过接口20接收的操作员命令来进行修改。第三，SFD功能的可靠性较高。被监控的变量是参考电容器CR与片上电容器Cn的电容比值。第四，SFD功能是用户可选择的。当禁用SFD功能时，SFD检测器32处于休眠模式，不消耗电流。第五，仅使用低功率来提供SFD功能，是较低的成本增加，仅要求CD调制器12中的集成电路芯片的较小面积。例如，当主调制器30运行在96kHz时，SFD检测器32仅在4.35伏供电电压下消耗80毫安。这比主调制器30消耗的电流的1/6还小。没有SFD检测器32的CD调制器12的集成电路芯片的面积约为1.28mm2。具有SFD检测器32的CD调制器12的面积约为1.68mm2。因此，仅增加了约0.40mn^的面积来提供SFD功能。由于这样小的面积，向CD调制器12加入SFD功能的单位成本也较低。虽然参照具体实施例来描述了本发明，但是，本领域技术人员可以认识到，在不背离被发明的精神和范围的情况下，可以对形式和细节做出改变。权利要求1.一种电容数字(CD)调制器，用于将传感器电容CS和参考电容CR转换为脉冲编码调制(PCM)信号，所述CD调制器包括第一级sigma-delta积分器，用于在第一阶段期间在CS和CR中选择性地形成电荷包，以及在第二阶段期间对来自CS和CR的电荷进行积分以产生第一级输出VOUT1；第二级sigma-delta积分器，用于对所述第一级输出VOUT1进行采样，并对所采样的第一级输出进行积分以产生第二级输出VOUT2；量化器，用于将第二级输出VOUT2转换为PCM信号；以及传感器故障模式检测(SFD)电路，用于从VOUT1获得SFD信号，所述SFD信号识别CS和CR的故障模式。2.如权利要求1所述的CD调制器，还包括CD控制单元，用于根据所述PCM信号向所述传感器电容Cs和参考电容CK选择性地提供激励信号。3.如权利要求2所述的CD调制器，其中，所述第一级sigma-ddta积分器包括积分器输入节点；放大器，具有第一输入、第二输入和输出；自动归零电容器CZ1，连接在所述积分器输入节点和所述放大器的第一输入之间；以及反馈电容器Cn，与所述放大器的输出连接。4.如权利要求3所述的CD调制器，其中，所述SFD信号表示电容比值CVCn。5.如权利要求4所述的CD调制器，其中，所述SFD信号是脉冲编码调制信号。6.如权利要求1所述的CD调制器，其中，所述SFD电路包括SFD积分器，用于采样VouT!，并产生输出VouT3;SFD量化器，用于将VouT3转换为SFD信号；以及SFD控制单元，用于根据所述SFD信号向所述SFD积分器提供SFD激励信号。7.如权利要求1所述的CD调制器，其中，所述SFD电路包括用于采样V0UT1的过采样模数转换器。8.如权利要求7所述的CD调制器，其中，所述SFD电路在CK与所述第一级sigma-delta积分器连接时有效。9.一种压力变送器，包括传感器电容；参考电容；主电容数字(CD)调制器，用于产生表示所感测的压力的脉冲编码调制信号PCMP，所述主CD调制器包括第一级sigma-delta积分器，用于根据传感器电容和参考电容来选择性地形成电荷包，并对所述电荷包进行积分以产生第一级输fcbVoUT"第二级sigma-delta积分器，用于对所述第一级输出V0UT1进行采样，并对所采样的第一级输出进行积分以产生第二级输出VoUT25量化器，用于将第二级输出VouT2转换为PCMP信号；以及副调制器，用于对V0UT1进行采样并产生脉冲编码调制信号PCMR，所述信号PCMR指示所述传感器电容和所述参考电容是否处于故障模式。10.如权利要求9所述的压力变送器，其中，所述第一级sigma-delta积分器包括积分器输入节点；放大器，具有第一输入、第二输入和输出；自动归零电容器，连接在公共节点和所述放大器的第一输入之间；以及反馈电容器，与所述放大器的输出连接。11.如权利要求9所述的压力变送器，其中，所述信号PCMR表示电容比值CR/Cn，其中CR是所述参考电容，CF,是所述反馈电容器的电容。12.如权利要求9所述的压力变送器，其中，所述副调制器包括:积分器，用于采样Voun，并产生输出VouT3;量化器，用于将VouT3转换为信号PCMR;以及控制单元，用于根据所述信号向所述积分器提供激励信号。13.如权利要求IO所述的压力变送器，其中，所述副调制器在所述参考电容与所述第一级sigma-delta积分器连接时有效。14.如权利要求8所述的压力变送器，还包括微处理器，用于基于所述信号PCMR来确定是否存在故障模式。全文摘要一种具有电容数字调制器的压力变送器，根据传感器电容与参考电容的比值来产生输出。所述变送器也包括传感器故障模式检测器，所述传感器故障模式检测器产生输出信号，并识别传感器电容和参考电容的故障模式。文档编号H03M3/00GK101411069SQ200780010597公开日2009年4月15日申请日期2007年1月26日优先权日2006年1月26日发明者汪荣泰申请人:费希尔-罗斯蒙德系统公司