專(zhuān)利名稱(chēng)：：具有傳感器故障模式檢測(cè)的電容數(shù)字調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及測(cè)量系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及與電容性壓力傳感器一起使用的電容數(shù)字(capacitance-to-digital)調(diào)制器。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)場(chǎng)變送器是一種用于監(jiān)控工業(yè)過(guò)程的運(yùn)行的設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)變送器包括換能器(transducer),該換能器響應(yīng)于傳感元件的測(cè)量過(guò)程變量，根據(jù)該測(cè)量變量，將該變量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化的傳送信號(hào)。術(shù)語(yǔ)"過(guò)程變量"是指物質(zhì)的物理或化學(xué)狀態(tài)或能量的轉(zhuǎn)換。過(guò)程變量的示例包括壓力、溫度、流、傳導(dǎo)性以及pH。RogerL.Frick和DavidA.Broden的美國(guó)專(zhuān)利No.6,295,875中描述了一種這樣的變送器該變送器采用具有偏轉(zhuǎn)傳感隔板以及三個(gè)或更多電容器電極的電容性傳感器，這些電容器電極與所述隔板形成了分離的電容性傳感元件。兩個(gè)所述電容器元件是主傳感電容器，差動(dòng)地設(shè)置該主傳感電容器，使得該主傳感電容器的電容與過(guò)程變量反比例地充電。第三和第四電容器元件是補(bǔ)償電容器，提供了表示與該主電容器相關(guān)聯(lián)的偏移誤差或磁滯的信號(hào)。由于壓力被施加到該隔板的一側(cè)或兩側(cè)，該隔板偏轉(zhuǎn)。通過(guò)測(cè)量與偏轉(zhuǎn)相關(guān)的電容比值，可以檢測(cè)到該隔板的偏轉(zhuǎn)。使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將該電容比值轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。RogerL.Frick、BennettL.Louwagie禾卩AdrianC.Toy的美國(guó)專(zhuān)利No.5,637,802和6,089,097中描述了另一種變送器。這兩件專(zhuān)利中描述的變送器使用兩個(gè)絕對(duì)壓力傳感器來(lái)測(cè)量差壓以及兩個(gè)絕對(duì)壓力，差壓測(cè)量具有高分辨率。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一種特別有利的形式是使用sigma-delta(或delta-sigma)調(diào)制器。以下文獻(xiàn)中描述了在變送器中使用sigma-delta調(diào)制器RogerL.Frick和JohnP.Schulte的美國(guó)專(zhuān)利No.5,083,091、MichaelGaboury的美國(guó)專(zhuān)利No.6，140，952、RongtaiWang的美國(guó)專(zhuān)利No.6,509,746以及RongtaiWang的美國(guó)專(zhuān)利No.6,516,672。在具有sigma-delta調(diào)制器用作電容數(shù)字(CD)轉(zhuǎn)換器的變送器中，激勵(lì)電路向電容性傳感器元件提供電荷包。對(duì)該傳感器元件充電的量基于該電容性元件的電容值。將該電荷轉(zhuǎn)移至sigma-delta調(diào)制器的積分器/放大器，以產(chǎn)生作為電容比值的函數(shù)的一比特二進(jìn)制輸出。CD調(diào)制器的基本功能是將該電容比值轉(zhuǎn)換為PCM(脈沖編碼調(diào)制)信號(hào)。對(duì)于使用sigma-delta架構(gòu)的CD調(diào)制器，實(shí)際過(guò)程包括將電荷比值轉(zhuǎn)換為PCM信號(hào)。在正常運(yùn)行條件下，由于電荷與電容成正比，因此，該電荷比值等于該電容比值。然而，在特定的異常運(yùn)行條件下，這個(gè)相等關(guān)系不成立。可能發(fā)生傳感器故障模式條件，在該條件下，該傳感器與CD轉(zhuǎn)換器斷開(kāi)連接，或者由于失去物理完整性而出現(xiàn)故障。即使在壓力讀數(shù)不再表示真實(shí)的測(cè)量壓力的情況下，該CD調(diào)制器可能繼續(xù)照常運(yùn)行而不提供警告信號(hào)。
發(fā)明內(nèi)容一種壓力變送器，包括傳感器電容、參考電容以及主電容數(shù)字(CD)調(diào)制器，所述壓力變送器提供了傳感器故障模式檢測(cè)，以識(shí)別所述傳感器電容或所述參考電容何時(shí)處于故障模式。當(dāng)所述參考電容有效時(shí)，副傳感器故障模式調(diào)制器操作以產(chǎn)生脈沖編碼調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)是所述參考電容的函數(shù)?；谒鲋骱透闭{(diào)制器的輸出，可以識(shí)別傳感器故障模式條件。圖l是壓力變送器的框圖，該壓力變送器包括傳感器電容器、參考電容器以及電容數(shù)字(CD)調(diào)制器。圖2是圖1的變送器的CD調(diào)制器的框圖。圖3示出了圖2的CD調(diào)制器的定時(shí)信號(hào)PCLK、Z、ZD、I和ID的波形。圖4是圖2的CD調(diào)制器的第一級(jí)積分器的示意圖。圖5是圖4的第一級(jí)積分器的電容器輸入控制電路的示意圖。圖6是圖2的CD調(diào)制器的第二級(jí)積分器的示意圖。圖7是CD調(diào)制器的量化器的示意圖。圖8示出了定時(shí)信號(hào)SCK和DCK的波形。圖9是CD調(diào)制器的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生器的示意圖。圖10A和10B分別是用于正激勵(lì)和負(fù)激勵(lì)的ZD、ID和VEX的波形。圖11是圖2的CD調(diào)制器的傳感器故障模式檢測(cè)調(diào)制器的功能框圖。圖12是傳感器故障模式檢測(cè)調(diào)制器的積分器的示意圖。具體實(shí)施例方式圖1示出了壓力變送器10，該壓力變送器10是基于電容的壓力變送器，包括傳感器電容器Cs和參考電容器C^、CD調(diào)制器12、數(shù)字部分14、電平移位器(levelshifter)16、微處理器18以及接口20。壓力變送器10產(chǎn)生輸入信號(hào)，該輸出信號(hào)是由傳感器電容器Cs所感測(cè)的壓力的函數(shù)。CD調(diào)制器12是二階sigma-delta轉(zhuǎn)換器。CD調(diào)制器12的主要功能是將電容比值CR/(Cs+QO轉(zhuǎn)換為脈沖編碼調(diào)制信號(hào)PCMP。輸出信號(hào)SENEX是由CD調(diào)制器12產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)。該SENEX信號(hào)與傳感器電容器Cs和參考電容器CR的公共板極(plate)連接。電容器Cs和CK的其他板極分別與CD調(diào)制器12的輸入節(jié)點(diǎn)CSEM和CREF連接。CD調(diào)制器12還包括傳感器故障模式檢測(cè)器，以指示傳感器電容器Cs何時(shí)處于故障運(yùn)行模式下。當(dāng)該傳感器故障模式檢測(cè)器有效時(shí)，CD調(diào)制器12產(chǎn)生脈沖編碼調(diào)制信號(hào)PCMR，該信號(hào)PCMR可以用于識(shí)別傳感器Cs是運(yùn)行在正常模式還是故障模式下。數(shù)字部分14包括SINC濾波器，該SINC濾波器進(jìn)一步將脈沖編碼調(diào)制信號(hào)PCMP和PCMR轉(zhuǎn)換為更高分辨率的讀數(shù)。數(shù)字部分14也存儲(chǔ)讀數(shù)，并提供控制CD調(diào)制器12的運(yùn)行的控制和定時(shí)信號(hào)。由數(shù)字部分14產(chǎn)生的控制和定時(shí)信號(hào)包括時(shí)鐘信號(hào)PCLKD、復(fù)位信號(hào)PRSTD、調(diào)制器運(yùn)行控制信號(hào)DMAD和DMBD、傳感器故障模式檢測(cè)功能使能信號(hào)SFDD以及調(diào)制器測(cè)試使能信號(hào)CTDD。電平移位器16提供了數(shù)字部分14與CD調(diào)制器12的模擬電路之間的接口。電平移位器16將來(lái)自數(shù)字部分14的定時(shí)和控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為CD調(diào)制器12使用的輸入信號(hào)PCLK、PRST、DMA、DMD、SFD以及CTD。微處理器18從數(shù)字部分14接收數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并向數(shù)字部分14提供運(yùn)行指令和參數(shù)。微處理器18通過(guò)接口20提供變送器10與控制室之間的通信。所述通信可以通過(guò)雙線環(huán)路或網(wǎng)絡(luò)而進(jìn)行，其中在該網(wǎng)絡(luò)上傳送模擬、數(shù)字或模擬和數(shù)字信號(hào)的組合，或者可以經(jīng)由無(wú)線傳送而進(jìn)行。圖2是CD調(diào)制器12的框圖，CD調(diào)制器12包括二階sigma-delta調(diào)制器30、傳感器故障模式檢測(cè)器32、定時(shí)電路34、偏置電路36、緩存器組38以及診斷電容C1和C2。sigma-delta調(diào)制器30包括第一級(jí)積分器40、第二級(jí)積分器42、量化器44以及激勵(lì)控制單元46。傳感器故障模式檢測(cè)器32是一階sigma-delta調(diào)制器，包括SFD積分器50、SFD量化器52以及SFD控制單元54。二階sigma-ddta調(diào)制器30根據(jù)與第一級(jí)積分器40的輸入連接的有效輸入電容CH和C^來(lái)產(chǎn)生PCMP輸出。調(diào)制器30的總的傳遞函數(shù)是DP=CL/(CH+CL)，其中Dp是PCMP信號(hào)的脈沖密度。第一級(jí)積分器40是sigma-delta積分器，其根據(jù)電容CH和CL來(lái)產(chǎn)生第一級(jí)輸出VouT,。第二級(jí)積分器42是sigma-delta積分器，其對(duì)第一級(jí)積分器的輸出Vo冊(cè)進(jìn)行采樣，并產(chǎn)生輸出VouT2，該輸出VouT2被提供給量化器44。量化器44的功能是將第二級(jí)積分器42的輸出信號(hào)VouT2轉(zhuǎn)換為脈沖編碼調(diào)制信號(hào)PCMP，該信號(hào)PCMP被傳送給數(shù)字部分14。激勵(lì)控制單元46也使用量化器44的輸出來(lái)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)SENEX和DGNEX。CD調(diào)制器12具有兩種主要運(yùn)行模式(正常模式和內(nèi)建測(cè)試模式)，來(lái)自數(shù)字部分14和電平移位器16的邏輯控制信號(hào)DMA和DMB選擇這兩種模式。在調(diào)制器30的正常模式期間，將激勵(lì)信號(hào)SENEX傳送給電容器Cs和Cr。在內(nèi)建測(cè)試(BIT)模式期間，向片上電容C1和C2提供DGNEX信號(hào)。如果DMA-DMB-O，則調(diào)制器12處于正常模式。如果DMA4或DMB=1，則調(diào)制器12處于BIT模式。當(dāng)CD調(diào)制器處于正常模式時(shí)，外部傳感器電容器Cs和參考電容器CK分別與調(diào)制器30連接，作為CH和C^。當(dāng)CD調(diào)制器12處于內(nèi)建測(cè)試(BIT)模式時(shí)，可選擇的片上電容C1和C2分別與調(diào)制器30連接，作為CH和Ct。表lDMADMB運(yùn)行模式cHCL00正常模式csCr10BIT模式AC產(chǎn)40pFC2=20pF01BIT模式BC產(chǎn)20pFC2=40pF11BIT模式CC產(chǎn)20pFC2=20pF對(duì)于正常模式，Dp=~^~c及+對(duì)于BIT模式A，D,丄對(duì)于BIT模式B，對(duì)于BIT模式C，BIT模式允許變送器10驗(yàn)證數(shù)字部分14和CD調(diào)制器12的信號(hào)處理電路是否正常工作。這是通過(guò)將已知的電容連接到第一級(jí)積分器40的輸入，并檢査是否實(shí)現(xiàn)了期望的PCMP信號(hào)的脈沖密度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，BIT模式不能確定傳感器電容器Cs是否運(yùn)行正常，或者是否處于故障模式。CD調(diào)制器12包括傳感器故障模式檢測(cè)器32，該傳感器故障模式檢測(cè)器32提供PCMR信號(hào)以驗(yàn)證該傳感器是否處于故障模式。例如，藍(lán)寶石電容性壓力傳感器有兩種要考慮的故障運(yùn)行模式-開(kāi)放傳感器模式(OS模式)以及油填充(oilfilled)模式(OF模式)。高壓(大于10kpsia)可能導(dǎo)致出現(xiàn)OS模式。由于高壓所導(dǎo)致的藍(lán)寶石材料中的裂隙的傳播，傳感器電容器Cs的引線(lead)可能與傳感器激勵(lì)信號(hào)SENEX斷開(kāi)連接。在OS模式下，第一級(jí)積分器40的有效輸入電容CH降低至正常范圍以下。當(dāng)形成傳感器電容器Cs的藍(lán)寶石堆的熔接物處于故障狀態(tài)時(shí)，可能出現(xiàn)OF模式。由此，壓力填充媒質(zhì)可能進(jìn)入藍(lán)寶石堆的內(nèi)部。由于該壓力填充媒質(zhì)的介電常數(shù)比真空的介電常數(shù)大得多，因此，在OF模式下，輸入電容CH比在正常運(yùn)行期間大得多。為了確定傳感器Cs是否運(yùn)行在故障狀態(tài)，SFD檢測(cè)器32必須能夠監(jiān)控參考電容器CR以及傳感器電容器Cs的電容。監(jiān)控過(guò)程的一個(gè)重要限制是，不應(yīng)中斷或干擾CD調(diào)制器12的正常運(yùn)行。SFD檢測(cè)器32是副過(guò)采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。SFD檢測(cè)器32的基本功能是將電容比值CR/Qn轉(zhuǎn)換為PCMR信號(hào)，其中CR是參考電容器，Cn是第一級(jí)積分器40的反饋電容器。主CD調(diào)制器30測(cè)量下的電容比值為C化SFD檢測(cè)器32測(cè)量下的電容比值為傳感電容器與片上反饋電容器Qn的電容比值為:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>可以使用測(cè)量比值11m和TlR將比值TlS表示為:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>因此，為了確定Cs(或Ck)是否處于故障模式，無(wú)需測(cè)量電容比值TlS。微處理器18可以基于llm和TU的測(cè)量結(jié)果，使用上述方程來(lái)計(jì)算電容比值ils。作為數(shù)值示例，在正常模式下，參考電容器CK的電容是約15pF;在正常模式下，根據(jù)所施加的壓力，傳感器電容器Cs的電容約在15pF至30pF之間；片上電容器Cp為60pF。當(dāng)傳感器運(yùn)行在故障模式下時(shí)，有效電容值可能明顯偏離其正常值。如果比值ilR等于或小于1/30，則參考電容器CR處于OS模式。如果比值iU等于或大于1/2，則參考電容器CR處于OF模式。如果比值riR接近1/4，則參考電容器CR處于正常模式。類(lèi)似地，如果比值riR等于或小于1/30，則傳感電容器Cs處于OS模式。如果比值riR等于或大于5/6，則傳感電容器Cs處于OF模式。如果比值化在1/4>化>3/4的范圍內(nèi)，則傳感電容器Cs處于正常模式。定時(shí)器34提供了主調(diào)制器30和SFD調(diào)制器32兩者所使用的定時(shí)信號(hào)。表2中列出了定時(shí)器34的輸入和輸出信號(hào)。設(shè)計(jì)了非重疊兩階段時(shí)鐘產(chǎn)生器來(lái)產(chǎn)生信號(hào)Z和I，以及其延遲版本ZD和ID。圖3示出了信號(hào)PCLK、Z、ZD、I、ID的波形。圖8示出了信號(hào)SCK和DCK的定時(shí)關(guān)系。CD調(diào)制器復(fù)位信號(hào)是RESET-PRESTZ。表2定時(shí)電路的IO信號(hào)列表<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>圖4示出了積分器40的簡(jiǎn)化電路示意圖。它包括開(kāi)關(guān)SW1-SW9、反饋電容器Cp,以及兩個(gè)自動(dòng)歸零(auto-zero)電容器CzH和C^。在一個(gè)實(shí)施例中，CF1=60pF，CZH=CZL=15pF。第一級(jí)積分器40的增量運(yùn)算表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>其中，Yp(n)是量化器產(chǎn)生的控制信號(hào)，Qn是積分器的反饋電容器，AVex是差分激勵(lì)電壓(VP-VN)。第一級(jí)積分器40的基本操作如下幵關(guān)SW2和SW5為CzH提供自動(dòng)歸零路徑。開(kāi)關(guān)SW4和SW5為CzL提供自動(dòng)歸零路徑。開(kāi)關(guān)SW1和SW7為CH提供積分路徑。開(kāi)關(guān)SW3和SW8為CL提供積分路徑。開(kāi)關(guān)控制信號(hào)的邏輯如下所列<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>圖5是積分器40的電容器輸入控制電容的示意圖，該電路包括開(kāi)關(guān)SW7-SW14。片上電容器CfCB-Q^20pF用于內(nèi)建測(cè)試功能。電容器組合控制信號(hào)是<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>內(nèi)建測(cè)試電容器輸入控制信號(hào)是<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>圖6示出了積分器42的簡(jiǎn)化示意圖。它包括放大器A2、反饋電容器Q^40pF，自動(dòng)歸零電容器CflOpF，采樣電容器C21=20pF、Cfl0pF以及開(kāi)關(guān)SW2,-SW28。第二級(jí)積分器42的增量運(yùn)算表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中U(n)是當(dāng)前積分器-l的輸出，U(n-l)是前一積分器-l的輸出。積分器42的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)如下輸入開(kāi)關(guān)電容器采樣控制信號(hào)被設(shè)計(jì)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>自動(dòng)歸零電容器Cz的開(kāi)關(guān)控制被設(shè)計(jì)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>復(fù)位開(kāi)關(guān)控制為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>圖7示出了量化器44的示意圖，它包括比較器60、逆變器62和64以及D觸發(fā)器(flip-flop)66。量化器44的基本功能是將積分器42的模擬輸出轉(zhuǎn)換為一比特?cái)?shù)字信號(hào)。量化器電路中需要兩個(gè)定時(shí)信號(hào)SCK和DCK。圖8示出了SCK和DCK的波形。在積分階段的結(jié)尾處設(shè)計(jì)定時(shí)信號(hào)SCK的負(fù)脈沖，該定時(shí)信號(hào)SCK為比較器60提供了低有效觸發(fā)。比較器60的正輸入節(jié)點(diǎn)與V,連接。比較器60的負(fù)輸入節(jié)點(diǎn)與積分器42的輸出連接。如果積分器42的輸出電壓VouT2低于V認(rèn)D的電壓，則比較器輸出CMPOUT為"1"，否則該輸出為"0"。D觸發(fā)器66同步比較器輸出信號(hào)。以DCK作為時(shí)鐘輸入的D觸發(fā)器66創(chuàng)建同步信號(hào)Yp(n)，逆變器64將該同步信號(hào)Yp(n)反轉(zhuǎn)。產(chǎn)生的信號(hào)PDATA被發(fā)送至數(shù)字部分14內(nèi)的數(shù)字濾波器。同時(shí)，其等效信號(hào)YBP用作調(diào)制器開(kāi)關(guān)邏輯信號(hào)。圖9示出了激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生器46的總體結(jié)構(gòu)，其中A、B是開(kāi)關(guān)，VP=0.75Vdda，Vw-0.25^是用于產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的電壓源。開(kāi)關(guān)A和B的控制信號(hào)確定激勵(lì)信號(hào)的極性。在表3中，以定時(shí)信號(hào)ZD和ID的形式列出了用于產(chǎn)生正激勵(lì)信號(hào)或負(fù)激勵(lì)信號(hào)的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。圖10A和IOB示出了正激勵(lì)和負(fù)激勵(lì)信號(hào)的波形。表3激勵(lì)極性的控制<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>在CD調(diào)制器控制單元中有兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生器傳感器激勵(lì)信號(hào)(SENEX)產(chǎn)生器和內(nèi)建測(cè)試激勵(lì)信號(hào)(DGNEX)產(chǎn)生器。產(chǎn)生SENEX信號(hào)的要求如下所列1)如果量化器輸出邏輯信號(hào)Yp(nhl，貝USENEX信號(hào)的極性為正；2)如果量化器輸出邏輯信號(hào)Yp(nH)，則SENEX信號(hào)的極性為負(fù)；以及3)僅在正常模式下SENEX信號(hào)才有效，即DMOD=0。表4中示出了用于產(chǎn)生SENEX信號(hào)的開(kāi)關(guān)控制邏輯。表4用于產(chǎn)生SENEX的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>產(chǎn)生DGNEX信號(hào)的要求如下所列1)如果量化器邏輯輸出Yp(n"l，則DGNEX信號(hào)的極性為正；2)如果量化器邏輯輸出Yp(n)^，則DGNEX信號(hào)的極性為負(fù)；以及3)僅在BIT模式下DGNEX信號(hào)才有效，艮口DMOD-l。表5中示出了用于產(chǎn)生DGNEX信號(hào)的開(kāi)關(guān)控制邏輯。表5用于產(chǎn)生DGNEX的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>SFD檢測(cè)器32是副過(guò)采樣AD調(diào)制器。SFD檢測(cè)器32的基本功能是將電容比值CR/Cw轉(zhuǎn)換為PCMR信號(hào)，其中CR是參考電容器，Cn是第一級(jí)積分器40的反饋電容器。圖ll中示出了簡(jiǎn)化框圖。它包括3個(gè)塊，SFD積分器50、SFD量化器52以及SFD控制單元54。僅當(dāng)SFD-1時(shí)SFD檢測(cè)器32才有效，如果SFD-O，則SFD檢測(cè)器32處于休眠模式(零功耗)。使用U(n)和U(n-l)來(lái)表示積分器40當(dāng)前輸出和前一輸出(V0UT1)，SFD積分器50的增量運(yùn)算表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>圖12示出了SFD積分器50的簡(jiǎn)化示意圖。它包括開(kāi)關(guān)SW3,-SW3s、放大器A3、反饋電容器CF3以及自動(dòng)歸零電容器Cz3。在一個(gè)示例中，CF3=20pF，Cz=10pF，C3H=C3I=C3R=5pF。其基本操作如下開(kāi)關(guān)SW36和SW37以及自動(dòng)歸零電容器Cz3提供了自動(dòng)歸零路徑，而SW^提供了積分路徑。開(kāi)關(guān)SW38用于積分器復(fù)位。電容器C3H用于U(n)采樣。電容器C3L用于U(n-l)采樣。電容器C3R提供了AVREF=VP-VN。SFD控制單元54產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)REFEX。開(kāi)關(guān)SWH-SW38的控制邏輯如下所列<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>SFD量化器52與主量化器44類(lèi)似。它包括比較器、逆變器以及D觸發(fā)器。比較器的正輸入節(jié)點(diǎn)與SFD積分器50的輸出連接。比較器的負(fù)輸入節(jié)點(diǎn)與參考電壓VMro連接。比較器觸發(fā)信號(hào)DSCK被設(shè)計(jì)為脈沖編碼調(diào)制信號(hào)PCMR為k:適-娜》SFD控制單元54的主要功能是為SFD積分器50中的電容器C^產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)。使用與主激勵(lì)控制單元46的描述中相同的標(biāo)記，表6中列出了用于產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)REFEX的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。表6REFEX開(kāi)關(guān)控制信號(hào)<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>Npo表示YP中"0"的數(shù)目，Nx。表示Yx中"0"的數(shù)目，將脈沖密度D別定義為SFD檢測(cè)器32的測(cè)量關(guān)系可以表示為在CD調(diào)制器12中使用SFD檢測(cè)器32來(lái)監(jiān)控傳感器故障有若干優(yōu)點(diǎn)。首先，SFD功能是無(wú)干擾的。換言之，當(dāng)SFD功能在線(on-line)時(shí)，由SFD檢測(cè)器32引導(dǎo)的監(jiān)控過(guò)程不會(huì)使CD調(diào)制器12的運(yùn)行產(chǎn)生任何中斷或干擾。其次，SFD功能提供了用于識(shí)別傳感器故障模式的閾值的靈活性。用于識(shí)別PCMR信號(hào)何時(shí)確定OS或OF故障模式的閾值可以被存儲(chǔ)在數(shù)字部分14中，并可以由微處理器18基于經(jīng)驗(yàn)或基于通過(guò)接口20接收的操作員命令來(lái)進(jìn)行修改。第三，SFD功能的可靠性較高。被監(jiān)控的變量是參考電容器CR與片上電容器Cn的電容比值。第四，SFD功能是用戶可選擇的。當(dāng)禁用SFD功能時(shí)，SFD檢測(cè)器32處于休眠模式，不消耗電流。第五，僅使用低功率來(lái)提供SFD功能，是較低的成本增加，僅要求CD調(diào)制器12中的集成電路芯片的較小面積。例如，當(dāng)主調(diào)制器30運(yùn)行在96kHz時(shí)，SFD檢測(cè)器32僅在4.35伏供電電壓下消耗80毫安。這比主調(diào)制器30消耗的電流的1/6還小。沒(méi)有SFD檢測(cè)器32的CD調(diào)制器12的集成電路芯片的面積約為1.28mm2。具有SFD檢測(cè)器32的CD調(diào)制器12的面積約為1.68mm2。因此，僅增加了約0.40mn^的面積來(lái)提供SFD功能。由于這樣小的面積，向CD調(diào)制器12加入SFD功能的單位成本也較低。雖然參照具體實(shí)施例來(lái)描述了本發(fā)明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，在不背離被發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)形式和細(xì)節(jié)做出改變。權(quán)利要求1.一種電容數(shù)字(CD)調(diào)制器，用于將傳感器電容CS和參考電容CR轉(zhuǎn)換為脈沖編碼調(diào)制(PCM)信號(hào)，所述CD調(diào)制器包括第一級(jí)sigma-delta積分器，用于在第一階段期間在CS和CR中選擇性地形成電荷包，以及在第二階段期間對(duì)來(lái)自CS和CR的電荷進(jìn)行積分以產(chǎn)生第一級(jí)輸出VOUT1；第二級(jí)sigma-delta積分器，用于對(duì)所述第一級(jí)輸出VOUT1進(jìn)行采樣，并對(duì)所采樣的第一級(jí)輸出進(jìn)行積分以產(chǎn)生第二級(jí)輸出VOUT2；量化器，用于將第二級(jí)輸出VOUT2轉(zhuǎn)換為PCM信號(hào)；以及傳感器故障模式檢測(cè)(SFD)電路，用于從VOUT1獲得SFD信號(hào)，所述SFD信號(hào)識(shí)別CS和CR的故障模式。2.如權(quán)利要求1所述的CD調(diào)制器，還包括CD控制單元，用于根據(jù)所述PCM信號(hào)向所述傳感器電容Cs和參考電容CK選擇性地提供激勵(lì)信號(hào)。3.如權(quán)利要求2所述的CD調(diào)制器，其中，所述第一級(jí)sigma-ddta積分器包括積分器輸入節(jié)點(diǎn)；放大器，具有第一輸入、第二輸入和輸出；自動(dòng)歸零電容器CZ1，連接在所述積分器輸入節(jié)點(diǎn)和所述放大器的第一輸入之間；以及反饋電容器Cn，與所述放大器的輸出連接。4.如權(quán)利要求3所述的CD調(diào)制器，其中，所述SFD信號(hào)表示電容比值CVCn。5.如權(quán)利要求4所述的CD調(diào)制器，其中，所述SFD信號(hào)是脈沖編碼調(diào)制信號(hào)。6.如權(quán)利要求1所述的CD調(diào)制器，其中，所述SFD電路包括SFD積分器，用于采樣VouT!，并產(chǎn)生輸出VouT3;SFD量化器，用于將VouT3轉(zhuǎn)換為SFD信號(hào)；以及SFD控制單元，用于根據(jù)所述SFD信號(hào)向所述SFD積分器提供SFD激勵(lì)信號(hào)。7.如權(quán)利要求1所述的CD調(diào)制器，其中，所述SFD電路包括用于采樣V0UT1的過(guò)采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。8.如權(quán)利要求7所述的CD調(diào)制器，其中，所述SFD電路在CK與所述第一級(jí)sigma-delta積分器連接時(shí)有效。9.一種壓力變送器，包括傳感器電容；參考電容；主電容數(shù)字(CD)調(diào)制器，用于產(chǎn)生表示所感測(cè)的壓力的脈沖編碼調(diào)制信號(hào)PCMP，所述主CD調(diào)制器包括第一級(jí)sigma-delta積分器，用于根據(jù)傳感器電容和參考電容來(lái)選擇性地形成電荷包，并對(duì)所述電荷包進(jìn)行積分以產(chǎn)生第一級(jí)輸fcbVoUT"第二級(jí)sigma-delta積分器，用于對(duì)所述第一級(jí)輸出V0UT1進(jìn)行采樣，并對(duì)所采樣的第一級(jí)輸出進(jìn)行積分以產(chǎn)生第二級(jí)輸出VoUT25量化器，用于將第二級(jí)輸出VouT2轉(zhuǎn)換為PCMP信號(hào)；以及副調(diào)制器，用于對(duì)V0UT1進(jìn)行采樣并產(chǎn)生脈沖編碼調(diào)制信號(hào)PCMR，所述信號(hào)PCMR指示所述傳感器電容和所述參考電容是否處于故障模式。10.如權(quán)利要求9所述的壓力變送器，其中，所述第一級(jí)sigma-delta積分器包括積分器輸入節(jié)點(diǎn)；放大器，具有第一輸入、第二輸入和輸出；自動(dòng)歸零電容器，連接在公共節(jié)點(diǎn)和所述放大器的第一輸入之間；以及反饋電容器，與所述放大器的輸出連接。11.如權(quán)利要求9所述的壓力變送器，其中，所述信號(hào)PCMR表示電容比值CR/Cn，其中CR是所述參考電容，CF,是所述反饋電容器的電容。12.如權(quán)利要求9所述的壓力變送器，其中，所述副調(diào)制器包括:積分器，用于采樣Voun，并產(chǎn)生輸出VouT3;量化器，用于將VouT3轉(zhuǎn)換為信號(hào)PCMR;以及控制單元，用于根據(jù)所述信號(hào)向所述積分器提供激勵(lì)信號(hào)。13.如權(quán)利要求IO所述的壓力變送器，其中，所述副調(diào)制器在所述參考電容與所述第一級(jí)sigma-delta積分器連接時(shí)有效。14.如權(quán)利要求8所述的壓力變送器，還包括微處理器，用于基于所述信號(hào)PCMR來(lái)確定是否存在故障模式。全文摘要一種具有電容數(shù)字調(diào)制器的壓力變送器，根據(jù)傳感器電容與參考電容的比值來(lái)產(chǎn)生輸出。所述變送器也包括傳感器故障模式檢測(cè)器，所述傳感器故障模式檢測(cè)器產(chǎn)生輸出信號(hào)，并識(shí)別傳感器電容和參考電容的故障模式。文檔編號(hào)H03M3/00GK101411069SQ200780010597公開(kāi)日2009年4月15日申請(qǐng)日期2007年1月26日優(yōu)先權(quán)日2006年1月26日發(fā)明者汪榮泰申請(qǐng)人:費(fèi)希爾-羅斯蒙德系統(tǒng)公司