專利名稱:測量電路的制作方法
本發(fā)明涉及可測量輸入信號的測量電路。
本發(fā)明涉及一種測量電路，該電路可提供一個作為一輸入信號的函數(shù)的輸出信號。該輸入信號被耦合到一發(fā)生裝置上，該裝置包括有電抗裝置以形成一定量或數(shù)目的電荷包。該發(fā)生裝置提供一個發(fā)生器信號，該信號包括有上述的電荷包，并且對該輸入信號敏感。該發(fā)生器信號被耦合到一個測量該發(fā)生器信號的測量裝置上，其方式通常是將電荷包作為該電抗裝置的函數(shù)進行積累。該測量裝置提供一個隨該發(fā)生器信號而改變的測量信號。該測量信號被加到反饋裝置，該反饋裝置則提供一個隨該測量信號而變化的反饋信號。該反饋信號再耦合到發(fā)生裝置并控制該發(fā)生裝置所產生的電荷包。該發(fā)生裝置接著提供一個代表該大量的或若干個電荷包的輸出信號。該測量電路通常電括有輸出裝置，它對電荷包的量或數(shù)同進行計數(shù)，從而提供隨該輸入變化的模擬輸出、數(shù)字輸出、或者數(shù)字和模擬混合輸出。
圖1是本發(fā)明發(fā)送器的第一實施方案的示意圖;
圖2是采用容性傳感器的發(fā)送器的第二實施方案的示意圖;
圖3是相應于圖2的定時圖;
圖4是本發(fā)明輸出裝置的第一實施方案的示意圖;
圖5是本發(fā)明輸出裝置的第二實施方案的示意圖;
圖6是采用電阻電橋式傳感器的發(fā)生器的第三實施方案的示意圖;
圖7是本發(fā)明的發(fā)送器的第四實施方案的示意圖;
圖8是相應于圖7的定時圖;
圖9是本發(fā)明的輸出裝置的第三實施方案的示意圖;
圖10是本發(fā)明的電壓測量電路的示意圖;
圖11是相應于圖10的定時圖。
圖1中的測量電路的第一實施方案大致在10里表示出來。輸入14在線16上提供一個信號，該信號可以是電位、電流、電壓、溫度、流量、pH值或者其它被檢測的變量。包括有許多信號路徑的線16將輸入14加到發(fā)生裝置18，以提供給發(fā)生裝置18一個或多個表征被測變量的信號。圖1中的線16可電括有多個電導體、一條光纜壓力通路或者其它耦合裝置。
發(fā)生裝置18包括一個耦合到輸入裝置14的電抗裝置11和一個開關裝置13，該開關裝置由一個來自反饋裝置19并加到線19的反饋信號所控制。電抗裝置11耦合到開關裝置13，以便在線35上將代表被測參數(shù)的大量的或若干電荷包加到測量裝置34?！鞍边@一詞是指離散的電荷量，當電容從第一電位被充至不同于第一電位的第二電位時，這些電荷量流進或流出電容。一個包的電荷量與電容以及與該第一與第二電位之間的差值成正比。該發(fā)生裝置18將線35上的具有第一極性的第1電荷包以及具有與第一極性相反的第二極性的第2電荷包耦合到測量裝置34。該測量裝置34通過從第1電荷包中減去第2電荷包來累積電荷。當測量裝置中的電荷累積到達一選定的電平時，即產生一測量信號28，該信號在線28A上從測量裝置34耦合回反饋裝置9，以便控制在線19上的反饋信號的量。第1和第2電荷包在線35上正饋耦合到測量裝置34，以及線28A上測量信號和線19上反饋信號反饋耦合發(fā)生裝置18，引起了測量信號28的循環(huán)工作。響應28A上測量信號的產生，反饋信號9在線19上產生反饋信號，該信號接著啟動開關裝置13以在線35上為測量裝置34提供代表所測參數(shù)的一個或數(shù)個電荷包。接到線35上的第1電荷包使測量裝置34中的電荷累積增加。接至線35上的第2電荷包使測量裝置34中的電荷累積減少。第2電荷包可具有一個實質上是恒定的幅值，或可交替地代表所測的參數(shù)。當測量裝置34中累積的電荷在一段時間內與選定電平平衡時，測量裝置34即再次產生測量信號28。使電荷累積返回到選定電平所高的一個定量或數(shù)目的電荷包，就表征該參數(shù)。在發(fā)生裝置18、測量裝置34與反饋裝置9之間存在著電荷平衡的相互作用。一定量的或一定數(shù)目的第一極性的電荷包使測量裝置34中的電荷累積失去平衡，而一定量的或一定數(shù)目的第2極性的電荷包被加到測量裝置34，直至該測量裝置中的電荷返回到選定的電平的平衡狀態(tài)，在這一點上可以產生測量信號28。該第1和第2極性的電荷包的量或數(shù)目代表了被測的參數(shù)。該測量裝置34中的這種電荷積累最好是連續(xù)的而不是周期地回零。那些超過用來平衡測量裝置34中累積的電荷包的累積量被帶到下一個測量間隔中。這種把電荷往下傳的方式改善了數(shù)個測量周期內的測量精度。在長時間內電荷包數(shù)目的平均值趨向于代表被測參數(shù)的精確值，這是因為測量裝置34中的電荷包的少量累積，在測量周期的末尾不被清除也不丟掉，而是傳下去并影響下一個測量間隔。
一個表征在一定的時間內提供的第1和第2電荷包的數(shù)目的輸出信號經線8耦合到輸出裝置38，該輸出裝置把表征該參數(shù)的信號沿著線42耦合到一讀出裝置43。于是，輸出裝置38的內容就隨表征參數(shù)的電荷包的量或數(shù)目而改變。輸出裝置38可以簡單地在線18上把輸出信號耦合到讀出裝置43，從而在線42上提供一個代表參數(shù)的信號。換言之，輸出裝置38可以接收線8上的輸出信號，并且是一個能產生模擬輸出、串行數(shù)字輸出或混合的模擬和數(shù)字輸出的裝置。
在圖2中示出了一個相當于圖1的電容式壓力發(fā)送器的實施方案。圖2中的標號與圖1中的標號相同，用以標識相應的細節(jié)。
在圖2的實施方案中，一個電容式的壓力傳感器14A感受在14所指示的壓力P并且提供一個電容量為CH的可變電容15和一個電容量為CL的可變電容13，CH和CL都代表壓力。發(fā)生裝置18從反饋裝置9接收信號E1和E2用來控制開關100和102以便給傳感器14A提供激勵。
輸入14通過線121被耦合到發(fā)生裝置18，用來給發(fā)生裝置18提供一個代表被測壓力P的信號。激勵邏輯電路104、偏置邏輯電路108、和傳感器邏輯電路114，每個都接收測量信號28。電路104、108和114，分別給開關100、102、106、116和118的控制輸入或者控制門提供信號E1、E2B、S1和S2，而且這些開關最好是MOS傳輸門。這些MOS傳輸門的結構設計應能使開關斷開時的漏電流很小，而在閉合時從門傳輸?shù)募纳姾闪孔钌佟＠硐氲腗OS傳輸門的特性是在斷開時，漏電流小于1個微微安，而當導通時，傳送的電荷小于0.05微微庫倫。每個開關在閉合以傳送信號時，可在開關的控制輸入或控制門加上一個高的或“1”的電平;而在想斷開以阻止信號通過時只需對控制輸入或控制門加上一個低的或“0”電平。開關100和102以不重疊的方式被順次閉合以便把參數(shù)電位+V和-V送到傳感器14A，從而給傳感器14A提供所需的激勵。開關106被周期地閉合以便通過電阻112把線17接到直流公共參考電位110上，從而把放大器120的直流偏壓調到一希望的電平。放大器120在耦合到線17的一個高阻抗輸入上述感受傳感器信號，并且把一個來自低阻抗輸出12的表征被測參數(shù)的信號耦合到具有電容量C1的電容器117。反饋裝置9的傳感器邏輯電路114控制著開關116和118，以便把代表被測參數(shù)的電荷包從電容器117耦合到線32A。在響應該測量信號28的每一激勵時，就在線2A上產生一個這樣的電荷包。這樣，在線32A上的電荷流，就與感受的壓力P、測量輸出28所施加的激勵次數(shù)、耦合到傳感器14的參考電位以及電容量C1成正比。
在反饋裝置9中，參考邏輯電路150為控制圖2中的開關152、154、156和158提供信號R1和R2。首先，開關154和開關158被關閉而152和156斷開時，電容器153被接到參考電位+V和直流公共線之間，并在具有電容C2的電容器153上存儲電荷。然后，開關152和156被關閉而開關154和158斷開時，電容器153被接到參考電位-V和線36A之間，一包電荷就放電到36A。不斷重復這樣的開關序列，來給線36A提供一平均電荷流或電流，它與參考電位、電容器153電容量C2和開關154、158啟動的頻率成正比。
圖2中的第1信號線32A和第2信號線36A極性相反，因此第1信號對積分器160以第1方向充電，而第2信號對積分器到以與第1方向相反的第2方向充電。在線32A和36A上的這兩個信號實際上是在積分器160中相減，因為它們具有相反的極性。積分器160包括一個放大器162，該放大器具有高阻抗輸入163、165和一個積分電容器164，該電容器接在放大器162的輸出168和放大器162的反相輸入163之間。一個噪聲旁路電容器166從放大器162的反相輸入163接到放大器162的非反相輸入165，該非反相輸入同時還被耦合到直流公共線110。積分器160累積耦合到線32A和36A上的電荷包并在積分器輸出168上提供一個積分信號，該信號表征累積的電荷。積分信號168接到比較器170的反相輸入169;比較器170的非反相輸入接到一參考電位，該電位最好是直流公共點110。比較器170把積分信號168的電平與參考電位110進行比較并提供一測量信號28給線28A，它表示積分信號168相對于參考電位的極性。
在線32A上的第1信號32中的電荷測量Q1實質上是公式1Q1＝ ((N1)(C1)(VR))/2 (1- (CH-CL)/(CH+CL) )式中;Q1是在時間間隔T內，在線32A上的總電荷流量;
N1是在時間間隔T內，在線32上的電荷包的量或數(shù)目;
C1是電荷器117的電容量;
VR是加在開關100和102上的參考電位+V和-V的電位差;
CH是壓敏電容器15的電容量;
CL是壓敏電容器13的電容量。
在線36A上的電荷流量Q2實質上是公式2
Q2＝(N2)(C2)(VR)式中，Q2是在時間間隔T中，在線36A上的總電荷流量;
N2是在時間間隔T內，在線36上的電荷包的量或數(shù)目;
F2是電路150啟動開關152和156的頻率;
C2是電容器153的電容量;和VR是加到開關152和154上的參考電位+V和-V的電位差。
積分器160重復地再平衡，所以在時間間隔T中，在測量信號28的一系列的周期上，積分器上沒有凈電荷累積。因此，電荷Q1被控制在實質上等于電荷Q2。聯(lián)立上述Q1和Q2的公式1和2，當Q1＝Q2時，得出N2＝ ((N1)(C1))/(2(C2)) -(1- (CH-CL)/(CH+CL) )公式3上列的公式3表明N2實質上僅僅取決于電容量和電荷包的數(shù)目N1?？梢园袾1保持不變，在脈沖數(shù)N1不變的基礎上，通過時脈沖數(shù)N2進行計數(shù)，則可使N2成為CH和CL的函數(shù)。信號32和36都和同一個參考電位VR成正比，但這個參加電位項VR在上述的定義電荷包數(shù)的公式3中被消掉了，該電荷包數(shù)在工作范圍內實質上與參考電位無關。電容量C1和C2可以選擇成具有實質上匹配的溫度特性，從而使在上述公式的分子上的C1的溫度變化被分母上的C2相同的溫度變化所消，使脈沖數(shù)N2對發(fā)送器電路的溫度不敏感。在工作范圍內，脈沖數(shù)N2實質上也與加至該比較器所選定的電平無關。因而，當放大器120、162以及比較器170設計成在參考器電位附近工作時，所選定的電平可以是參考電位-V，而不是直流公共電平。上式中((CH-CL)/(CH+CL))項與加至傳感器14A的壓力P成比例。這樣可以看出在工作范圍內，N2數(shù)依賴于壓力P并且實質上與參考電位以及發(fā)送器的環(huán)境溫度無關。
在圖3中，給出了圖2中的積分信號168、測量信號28和信號E1、E2、B、S1、S2等之間的定時關系的定時圖178。第1個軸180表示時間，它以時間TO為起點。第2個軸184表示積分信號168的電平186以及加到比較器170的非倒相輸入171上的選取電平188。由線36A加到積分器160上的電荷包使積分信號電平186在負的方向上步進下降，直到積分信號電平186在182的TO時刻達到選取的閾值電平188。比較器170感受積分信號電平186巴達到選取的閾值電平188并啟動產生如圖3中192所示的在線28A上的測量信號。線28A的測量信號啟動電路104、108和114，來提供如圖3所示的信號E1、E2、B、S1和S2。首先，啟動生成如在194所示的信號E2，它使開關102閉合，并使串連組合的壓敏電容器13和15放電。當開關102閉合時，就啟動生成如193所示的信號B使開關106閉合，調節(jié)電容器13和15的連接點上的偏壓使之實質上為直流公共電平110。198所示的信號S2保持開關118在這段時間內閉合，以便把電容器117充電到線121上的信號第1電平。在開關102、106和108被斷開之后，啟動產生196所示的信號E1來把串連組合的壓敏電容器13和15充電到參考電位。串連組合電容器13和15用作電容分壓器，并且在導線17上的傳感器140所提供的電位由壓敏電容CH和CL來決定，因此導線17上的電位代表壓力。放大器120提供電容器117的緩沖輸出，該輸出實質上等于電容117上的電位。最后，202所示的信號S1使開關116閉合，代表參數(shù)的一個電荷包經線32A上從電容器117到積分器160。在線32A上流動的電荷可以看作是從積分器160到電容器117的正電荷流，或者換個說法，可以看作是從電容器117到積分器160的負電荷流。從線32A上施加的電荷包使積分器的輸出電平的增高，如204所示。線32A上所加的電荷于是被從線36A所加的電荷平衡掉，直到206所示的T1時刻，這時再啟動生成測量信號208，且周期重復。
圖4所示是一個相當于圖2的輸出裝置38的實施方案。輸出裝置38接收在線8上代表N1和N2數(shù)目的信號并且給一個輸出母線42提供發(fā)送器輸出信號，該輸出母線與標準串行數(shù)字數(shù)據(jù)母線相兼容。在圖4所示的實施方案中，反饋裝置9提供一個代表電荷包的量或數(shù)(N1+N2)的兩種極性的脈沖信號給線8B;并且提供一個代表電荷包數(shù)N1的第1極性的脈沖信號給線8B。
在圖4中，在線8A上的信號被耦合到一除N計數(shù)器250，該計數(shù)器提供一個周期比在線8B上的信號長些的門控信號252。門控信號252被加到計數(shù)計254的門控輸入256上，用來門控加到計數(shù)器254的時鐘輸入258的、在線8B上的信號并對其計數(shù)。計數(shù)器254給并行數(shù)據(jù)母線260上提供多位數(shù)字字，該字代表被測的壓力。數(shù)據(jù)母線260上的數(shù)字字被移位寄存器264的第1并行輸入口262接收。控制邏輯電路266從輸出母線42經線268接收數(shù)據(jù)時鐘信號并經線270接收片選信號“CS”。存儲器272是一種激光編程存儲器，該存儲器包括有傳感14A和發(fā)送器10的特征數(shù)據(jù)。這些特征數(shù)據(jù)可以包括傳感器14A的線性常數(shù)、識別號以及全程(span)和零溫度系數(shù)。存儲器272中存儲的數(shù)據(jù)通過并行母線274傳輸?shù)揭莆患拇嫫?64的第二并行輸入口276。在片選線270上的信號的啟動下，控制邏輯電路通過線280來控制存儲器272并且通過線282來控制計數(shù)器254，從而向移位寄存器264提供代表被測參數(shù)的并行數(shù)據(jù)及特征數(shù)據(jù)。然后控制邏輯電路266通過線284來控制移位寄存器264，使移位寄存器中的數(shù)據(jù)與線268上的數(shù)據(jù)時鐘信號同步地被串行移出到線286上。一個串行數(shù)據(jù)字被送到線286上，該數(shù)據(jù)字包括在存儲器272中的代表被測參數(shù)的數(shù)據(jù)和代表特征常數(shù)的數(shù)據(jù)。
線288和290把5伏電源和參考電位從數(shù)據(jù)母線送到發(fā)送器。帶隙參考(bandgap reference)292由線288和線290取得能量，以給發(fā)送器10的電路提供直流公共參考電位110。實質上發(fā)送器10所有的電路被做成一片MOS集成電路以達到低功耗。發(fā)送器10最好由兩線、4-20毫安的工業(yè)控制電流環(huán)路供電。線268、270、286、288和290構成一個與微處機為基礎的、環(huán)路供電的儀器相兼容的5線輸出母線42。
圖5示出一個電路300，該電路通過線270、268、286、288和290接到圖4所示的5線輸出母線42。電路300和圖4中的電路一起構成一個能提供模擬輸出或模擬、數(shù)字混合輸出的輸出裝置。一個計算裝置302，它最好包括一個國家半導公司(NS)生產的COP444C型的微控制器，能通過串行輸入口304從數(shù)據(jù)母線42的線286上，接收串行數(shù)據(jù)字，該數(shù)據(jù)字是由計算裝置302在片選線270上發(fā)出的信號啟動的并且與線268上的數(shù)據(jù)時鐘信號相同步。時鐘裝置306、存儲裝置308和定量裝置310接到計算裝置302以支持該計算裝置的工作。存貯器308由一非易失存儲器組成。以存儲用來控制發(fā)送器的特性的可改常數(shù)。例如全程和零點、或者從控制圖4中的存儲器272收到的傳感器特性。定時器310是一個所謂“看門狗”定時器在一個選定的時間間隔內檢測到計算裝置302停止提供指示計算機正常工作的信號，并在出現(xiàn)這種故障時給計算裝置302發(fā)出一復位信號。可以手動啟動開關312以給計算裝置302提供一個信號使發(fā)送器輸出特性置于“零”電平?？梢允謩訂娱_關314使之產生一個信號使計算裝置302把發(fā)送器輸出特性置于“滿度”電平或“全程”電平。顯示器316可以連接到計算裝置302以接收并顯示來自計算裝置302的數(shù)據(jù)，特別是被測參數(shù)12的電流值。時鐘306最好由晶體振蕩器組成，以同步計算裝置306和輸出電路的其它部分的工作。
從線286接收到的代表測到的參數(shù)的數(shù)據(jù)字和存貯在存儲器308中的常數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)向輸入到計算裝置302，以便由它們計算出表征被測參數(shù)的輸出字。代表被測參數(shù)的輸出字由計算裝置從它的串行輸出316沿線320耦合到數(shù)/模轉換器318。計算裝置302通過在線322上發(fā)出的片選輸出來選擇轉換器318去接收該輸出數(shù)據(jù)字。時鐘306通過線324接到轉換器318，并且來自計算裝置302的數(shù)據(jù)時鐘信號通過線268也送到轉換器3318以支援轉換器318的工作。轉換器318最好由“仙童”半導體公司生產的9706型的轉換器組成。轉換器318在線326上把一個代表被測參數(shù)的模擬輸出耦合到調整電路330上。調整電路330接收在線326上的代表被測參數(shù)的模擬輸出并在端點33332和334上控制代表被測參數(shù)的4-20毫安的輸出電流。該調整電路330被該4～20毫安輸出電流激勵并且在導線288和290上提供一個調整過的5伏電源和參考電位，用以給圖2和圖4所示的電路以及電路300所示的電路供電。
在端點332和334的4-20毫安的輸出電流是由能源336供電的，如圖5所示，能源336與電流讀出裝置338相串連。
該計算裝置302還通過線342接到一個ACIA或異步通信接口適配器，以便在計算裝置302和數(shù)字通信裝置334之間實現(xiàn)雙向數(shù)字通信，該數(shù)字通信裝置可以接到如圖5所示的4-20毫安的電流環(huán)路。該ACIA最好由“日立”生產的HD6350組成。該ACIA340沿著線346把串行數(shù)據(jù)字傳到調制器，該調制器提供一個FSK即頻移鍵控的串行輸出經線350送到調整器電路330。調整器電路在端點332和334把FSK信號疊加在4-20毫安的輸出上。然后該FSK信號沿著線352和354被耦合到裝置344，該裝置344把串行信號解調和譯碼，從而從計算裝置302取得一數(shù)據(jù)讀出。該疊加在輸出電流環(huán)上的FSK信號的選擇，與4-20毫安的信號相比，應具有足夠高的調制頻率和足夠低的幅度，這樣它實質上不會干擾電流環(huán)路中的電流測量。
裝置344還能把代表來自串行通信裝置344的命令的FSK串行數(shù)據(jù)信號沿著線352和354耦合到調整器330。然后這個代表命令的信號從調整器330沿著線362傳到解調器360。解調器360解調該命令信號并且沿著線364給ACIA和340提供一串行命令信號。該ACIA340接收來自線364的串行命令信號并且通過母線342把該命令送給計算裝置302。從裝置344接收到的該命令信號可由計算裝置302用來改變發(fā)送器10的工作。
圖6示出圖2所示電路的另一種實施方案。圖6中的參照號和圖2中的相同，以標識相應的部件。圖6中，傳感受器14由常規(guī)設計的響應過程參數(shù)12的電阻電橋傳感器電路380組成。電阻電橋電路380可以由檢測過程壓力的應變計式壓力傳感器構成，這個過程壓力也可以是計示壓力、絕對壓力或者是差分壓力。另一種方法，電橋電路380可以包括一個含有對溫度敏感的電阻的電阻電橋，用來測量過程溫度。電橋電路380是由開關382、384、386和388激勵的，它們通過導線390和392把電橋電路連接到電源電位+V和-V。電橋380通過線394和396把代表被測參數(shù)的信號送到放大器120?？刂品糯笃?20的增益的反饋電阻398通過線396和400接到放大器120。反饋電阻398通常安裝在電橋380的旁邊，這樣，可使反饋電阻398和至少電橋380的一部分可在電阻溫度和溫度系數(shù)上匹配，從而可減少環(huán)境溫度對電橋的不應有的影響。
圖6中的電路的其它部分以與上面圖2和圖3所述的相類似的方式工作。在響應每一測量信號時，線23A上就產生一個第1信號，并產生一個代表被測參數(shù)的電荷包。在反饋裝置9的控制下，線36A上產生第2信號并且產生一些電荷包。圖6中的測量裝置34，從線32A和36A上累積電荷并在線28A上提供一個代表被測參數(shù)12的測量信號。測量信號28經線28A反向耦合到圖6中的反饋裝置9來控制線32A上電荷包的產生。
圖7的50指示的是一種發(fā)送器的實施方案。一個參數(shù)52如壓力，沿著通道52送到傳感器54。傳感器54可以裝在發(fā)送器50里面或者也可以放在送離發(fā)送器的地方進行遙感。
發(fā)生裝置58在線72A上產生代表參數(shù)52的第1信號72。線72A上的該第1信號72提供一些電荷包，在由反饋裝置59控制的第1時間間隔內這些電荷包包括代表參數(shù)52的一定量的電荷。發(fā)生裝置58在線76A上還產生一個代表參數(shù)52的第2信號。在由反饋裝置59控制的，與第1時間間隔不同的第2時間間隔內，線76A上的該第2信號提供一些包括代表參數(shù)52的一定量的電荷。由第1信號72提供的第1電荷包具有第1極性并且該第1包中的電荷量隨著在被測參量52的增加而增加。由第2信號76提供的第2電荷包具有與第1極性相反的第2極性，并且該第2包中的電荷量隨著被測參數(shù)52的增加而減少。
測量裝置74從線72A和76A上來的信號中累積電荷。當從測量裝置74中的線72A上的第1信號中累積的電荷，在第1時間間隔內達到第一選定電平時，在線68A上就以第1方向啟動測量信號68。該測量信號被送回到反饋裝置59，而反饋裝置59響應這樣的啟動就結束第1時間間隔并開始第2時間間隔。在第2時間間隔內，測量裝置74從第2信號76累積電荷直到電荷的累積減少到不同于第1選定電平的第2選定電平。在達到第2選定電平時，測量信號68以與第1方向相反的第2方向再次啟動。在第2方向上的啟動被反饋裝置59感受，反饋裝置59響應這種啟動而結束第2時間間隔并開始另一第1時間間隔。
從發(fā)生裝置58來的線72A和76A上的信號，被前饋耦合到測量裝置74，而測量信號68被反饋耦合到反饋裝置59，并且，發(fā)生裝置58使測量信號68周期地工作。發(fā)生裝置58與反饋裝置59和測量裝置74一起以閉環(huán)結構工作，從而提供代表被測參數(shù)的一定量或一定數(shù)目的電荷包。
圖7中的反饋裝置59包括一個數(shù)字電路，該電路接收測量信號68并且在線60和61上提供代表發(fā)生裝置58所產生的電荷包的量或數(shù)目的脈沖信號。脈沖信號60在第1時間間隔內提供脈沖。脈沖信號61在第2時間間隔內提供脈沖。
輸出裝置78接收脈沖信號60和61，并在測量時間間隔內對從信號60接收來的脈沖數(shù)目計數(shù)，該測量時間間隔由信號60和61接收來的脈沖總數(shù)來控制。這樣計出的脈沖數(shù)目代表被測參數(shù)，輸出裝置78在線82A上提供一個輸出信號82，這個信號82包含表示這一脈沖計數(shù)值因而也是參數(shù)值的信號。輸出82被送到讀出裝置83，該讀出裝置83指示被測參數(shù)的電流值。
圖7中的容性傳感器54包括電容器53和57，其容量取決對在52處所加的壓力P。反饋裝置59由MOS的數(shù)字邏輯電路組成，該電路接收測量信號68并且控制開關421和423使之沿著線410把激勵信號CKO送到傳感器54。來自線410的激勵信號CKO，如在圖8中的定時圖所示，是由把410接到參考電位+V和-V而產生的，并且其幅度實質上等于412所示的參考電位。倒相器414接收線410上的信號CKO，并且產生倒相信號CKO該信號CKO沿線416被耦合到線性校正電容415和417?，F(xiàn)在參閱圖7和圖8，反饋裝置59也產生信號CK1、CK2、CK3和CK4，如圖所示，以分別啟動開關422、424、418和420，這些開關最好是如上所述的MOS開關。
當這激勵信號CKO處于如圖8中426所示的低電位，而激勵信號CKO處于如在427所示的高電位時，則信號CK3，如428處所示，被啟動一段時間，使開關418導通，從而在傳感電容57和線性校正電容417上存貯所需要的電荷。
當激勵信號CKO處于如在430所示的高電平，而激勵信號CKO處于如在431所示的低電平時，則信號CK4，如在432所示，被啟動一段時間，使開關420閉合，從而在傳感電容器53和線性校正電容415上存貯所要的電荷。信號CKO、CKO、CK3和CK4的定時實質上與測量信號68無關。
壓敏電容器53和57由信號CKO來激勵，該信號CKO與信號CKO有180度的相位差，該CKO激勵線性校正電容器415和417。這個相位關系可以補償與壓敏電容器53和57有關的不希望有的分布電容。電容器415具有選定的電容量CL1，并且當它被激勵時就從電容53中減去一個選定的電荷量。電容器417具有選定的電容量CL2，并且當它被激勵時就從電容器57中減去選定的電荷量。調整(CL2-CL1)的量可減小被測壓力與(CH-CL)/(CH+CL)量之間的二次非線性關系。調整(CL2+CL1)的量可減小被測壓力與(CH-CL)/(CH+CL)量之間的三次非線性關系。這樣，就改善了發(fā)送器輸出的線性度。
時間圖8中的一組定時波形448是一范例的代表，其中，外加壓力P實質上是零并且電容CH實質上等于電容CL。在第1時間間隔內，當加到反饋裝置59的測量信號68處于第1電平434時，電路59重復地啟動信號CK1436開關422閉合，并把被線性校正電容器415校正過的電荷包從使感電容器53耦合到線72A當被耦合到反饋裝置59的測量信號在第二時間間隔處于第2電平438時，電路59重復地啟動信號CK2440，使開關424閉含并且把被線性校正電容器417校正過的電荷包從感受電容器57耦合到線76A。
測量裝置74包括一個積分器442，該積分器在第1和第2時間間隔內分別從第1和第2信號中累積電荷并且提供一個代表累積電荷的積分器信號444。積分信號444被耦合到一個司密特觸發(fā)器或比較器446的輸入端。司密特觸發(fā)器446的選定的上、下觸發(fā)電平間有一個滯后閾。司密特觸發(fā)器446向線68A提供測量信號68，該信號68反回來控制反饋裝置59，并且給發(fā)生裝置58充電。
在圖8中示出的第1時間間隔內，積分器輸出444的電平441隨著從第1信號72來的加到積分器上的第1極性的電荷包而升高，直到它通過選電平443才結束第1時間間隔并開始第2時間間隔。在第2時間間隔內，電平441隨著加到積分器442的與第1極性相反的第2極性的電荷包27而下降。
然后當電容CL大約等于電容CH的三倍時，如另一舉例定時波形組450中所示，則線61上發(fā)生的脈沖352將是線60上發(fā)生的脈沖的三倍。在線60和61上的信號是在反饋裝置59的操作下從測量信號68中導出來的。
每一測量輸出周期從第1信號72來的電荷流是Q1＝(N1)(CH-CL1)(V) 公式4其中Q1是在測量輸出68的一周期內，第1電荷輸出提供的電荷量;
N1是在該測量輸出的一周期內第1信號提供的電荷包的計數(shù)或數(shù)目;
CH是傳感電容值CH;和V是參考電位每一測量信號周期中，來自第2電荷輸出76的電荷流是Q2＝(N2)(CL-CL2)(V) 公式5其中Q2是在測量輸出68的一周期內，第2信號提供的電荷量;
N2是在測量信號的一周內，第2信號所提供的電荷包的計數(shù)值或數(shù)目;
CL是傳感電容量CL;和V是參考電位電荷量Q1和Q2的公式4和5是近似式，該公式沒有考慮對脈沖計數(shù)時的“最小計數(shù)”誤差。但在大量的測量周期內，這種最小計數(shù)誤差趨向于互相抵消。積分器永遠不復零;因此，驅動積分器超過司密特觸發(fā)選取電平的那一部分電荷包被傳遞到下一個時間間隔內。通過這個電荷的傳遞，在跨過一個包括很多測量周期的長時間間隔T，電荷Q1的總和實質上等于電荷Q2的總和;因此，(N1)(CH′)＝(M2)(CL′) 公式6其中CH′是校正過的電容(CH-CL1);
CL′是校正過的電容(CL-CL2);
M1是線60上的脈沖數(shù)，它也是在時間間隔T內由第1信號產生的電荷包數(shù);和M2是在線61上的脈沖數(shù)，它也是在時間間隔T內第2信號產生的電荷包數(shù)。
公式6中的各項，可以被重新安排來定義一第1輸出公式，公式7M2＝(1/2)(M1+M2)(1+ (CH′-CL′)/(CH′+CL′) )公式7公式6中的各項還可以重新安排來定義一第2輸出公式，公式8M2-M1＝(M1+M2) ((CH′-CL′))/((CH′+CL′)) 公式8如下所述，公式7或公式8可以用于輸出電路78。
在圖9中示出了一個相當于圖7的輸出電路78。輸出電路78包括一個計數(shù)控制邏輯電路460，該電路460在線60A和61A接收前述脈沖，并把它送到計數(shù)器466來控制計數(shù)器466的脈沖計數(shù)。門控該計數(shù)器466使在一個時間間隔內對脈沖計數(shù)，在這個時間間隔內從線60和61上接收選定的(M1+M2)個脈沖，它相當于所選時間間隔T。
在一個較佳的實施方案中，計數(shù)器466在該時間間隔內對從線61A收到的脈沖M2進行計數(shù)。通過計數(shù)器控制邏輯460，將脈沖數(shù)(M1+M2)設在一個選定的值，例如，200000個脈沖;則計數(shù)值M2通過公式7與被測壓力相關聯(lián)。這種計數(shù)最好能對無符號壓力或變量，比如，從零到滿度值變化的壓力值進行計數(shù)。
在另一個較佳實施方案中，計數(shù)器466是一個升/降計數(shù)器，它的時間間隔T內對計數(shù)的差值(M2-M1)進行計數(shù)。通過計數(shù)控制邏輯460將(M2+M1)的計數(shù)值設在一個選定值，例如，50，000，則(M2-M1)計數(shù)使通過公式8與被測壓力相關聯(lián)。這種計數(shù)通常是為了對有符號壓力或變量該壓力或變量可以從負滿刻度值變到正滿刻度值進行計數(shù)。
計數(shù)器466中的計數(shù)值表征被測參數(shù)，并且在并行母線466上被傳送到移位寄存器470。移位寄存器470也從并行母線472接收表征傳感器54特征的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)事先已存在存儲器474。五線輸出數(shù)據(jù)母線82把線476上的片選或CS信號和線478上的數(shù)據(jù)對鐘信號都送到控制邏輯裝置480，該裝置480控制從存儲器474和計數(shù)器466向移位寄存器470提供并行數(shù)據(jù)?？刂七壿嬔b置480還控制移位寄存器470與線478上的數(shù)據(jù)時鐘同步地面輸出母線的線482提供串行輸出數(shù)據(jù)。
輸出母線82沿著線484和486給發(fā)送器提供一個5V參考電壓，而MOS分壓器488給發(fā)送器提供一直流公共參考電平490。圖9的五線輸出母線可耦合到一個比如圖5所示的電路，來對兩線環(huán)路提供一個4-20毫安的數(shù)字輸出和模擬輸出。
發(fā)送器電路最好由一個傳統(tǒng)的MOS集成電路構成以提供一個理想的廉價而小巧的發(fā)送器。
圖10示出一個測量電路500的一個實施方案。測量電路500從電勢源510感受一個輸入信號，并且在線512上給讀出裝置514提供一個信號，該信號與線514上感受的電勢有關。電勢源510被耦合到發(fā)生裝置520。發(fā)生裝置520包括一個具有電容量C的電抗元件-電容器522。電容器522通過開關524把輸入信號送到線514上。開關526把電容器522耦合到參考電位528;開關530和532把電容器522耦合到一可以是直流公共電平的參考電位110。開關534把電容器522耦合到線536來提供一個響應被測輸入信號的發(fā)生器信號。開關524、526、530、532和534分別受數(shù)字信號CK2、CK3、CK5、CK4和CK1的控制，這些信號都是從反饋裝置538耦合過來的反饋信號。測量裝置540接收并測量耦合到線536上的發(fā)生器信號。積分器裝置542累積從線536接收來的電荷并在線544上提供一個積分信號，該信號被耦合到比較器546。比較器546把積分信號和參考電位110進行比較并把一個測量信號耦合到線548上，該測量信號是耦合到測量裝置的線536上的電荷的函數(shù)。線548被耦合到反饋裝置538來控該反饋裝置538。反饋裝置538產生數(shù)字反饋信號CK1、CK2、CK3、CK4和CK5送把它們送到發(fā)生裝置520。反饋裝置538還把在線550和552上的數(shù)字輸出信號CK6和CK7分別送到輸出裝置554，該裝置對在線550和552上的脈沖進行計數(shù)，以在線512上提一個信號，該信號與線514上的被測電壓相關。
圖11中的定時圖解580示出控制反饋裝538的測量信號和反饋裝置產生的反饋信號CK1、CK2、CK3、CK4和CK5之間的定時關系。圖11還給出了反饋信號、積分信號VI和測量信號VS之間的定時關系。在圖11所示的定時序列開始之前，開關530和532已被閉合以使電容器522實質上放電到零電位。在圖11中的528處，信號CK1和CK2被啟動，以把電容器522耦合到在線514上的輸入電位，和在線536上的發(fā)生器輸出，于是就把代表被測電壓的電荷包的傳到測量裝置54。積分器542接收該電荷包，在584處，積分器輸出VI增加到參考電位VI以上。然后，在586處，信號CK3和CK5被啟動，以使開關526和530閉合，從而把電容器522充電到圖10中528處的參考電位+V。而后，在588處啟動信號CK1和CK4，以便把與參考電壓528有關的電荷包經線536耦合到測量裝置540。在590處，信號CK3和CK5再次啟動以把電容器522再次充電到參考電位，在592處，信號CK1和CK4再次被啟動以把與電位528有關的另一電荷包經線536放電到測量裝置里。這種把電容器522充電到參考電位，然后把電荷包放電到線536里的過程不斷重復，直到積分器的輸出降到594所示的參考電壓VT以下。在596處當積分信號降到低于參考電位VT時，測量的輸出改變，從而觸發(fā)反饋裝置，使電容器522在598處放電，并且，把代表被測參數(shù)的另一電荷包耦合到測量裝置540中去，如圖11中600所示。
線536提供的代表被測參數(shù)的電荷包的數(shù)目，由線550上的信號CK6產生的脈沖數(shù)N1來表示。在線536上提供的與參考電位有關的電荷包的數(shù)目，用由線552上的信號CK7產生脈沖數(shù)N2來表示。數(shù)目N1和N2是互相關聯(lián)的，因為(N1)(C)(V)＝(N2)(C)(VR)，則有，V＝(N2/N1)(VR)
其中V是514上的輸入電位;
VR是參考電位528;
N1是一時間間隔內線550上的脈沖數(shù);
N2是在該時間間隔內，線552上的脈沖數(shù)。
因此，可以看出;用圖9中所述的那種輸出裝置對線550和552上的脈沖進行計數(shù)，可以提供一個表示線514上的被測電位的輸出512。該電路500可以用作模/數(shù)轉換器電路，以實現(xiàn)模擬信號對數(shù)字讀出裝置514的接口。
權利要求
1.可提供作為輸入信號函數(shù)的輸出的測量電路，它包括發(fā)生裝置，該裝置與輸入信號相接，具有可形成一定量的電荷包的電抗裝置以提供由電荷包組成并響應于輸入信號的發(fā)生器信號；測量裝置，該裝置被接到發(fā)生裝置以測量作為電抗裝置函數(shù)的發(fā)生器信號，并且提供與其有關的測量信號；耦合到測量裝置的反饋裝置，該裝置為發(fā)生裝置提供一與測量信號有關的反饋信號，并提供一個代表該電荷包數(shù)量的輸出信號。
2.如權利要求
1所述的測量電路，其中，發(fā)生裝置包括開關裝置，該開關裝置作為反饋信號的函數(shù)而受到控制，從而通過該電抗裝置進一步控制電荷包的耦合。
3.如權利要求
2所述的測量電路，其中，提供的電荷包應使這些電荷包大體上平衡到予定的量度值。
4.如權利要求
3所述的測量電路，其中，電荷包包含具有第1極性的第一電荷包部分，以及與第1極性相反的第2極性的第二電荷包部分。
5.如權利要求
4所述的測量電路，其中，測量裝置累積電荷包以提供與其相關的測量信號。
6.如權利要求
5所述的測量電路，其中，測量信號控制反饋裝置以改變電荷包的極性。
7.如權利要求
6所述的測量電路，其第一部分包括有電荷包的第1量N1，該第二部分包括有電荷包的第2量N2。
8.如權利要求
7所述的測量電路，其中的電抗裝置至少為一個電容器。
9.如權利要求
8所述的測量電路，其中，反饋裝置控制電荷包的量。
10.如權利要求
9所述的測量電路，其輸出信號是第1量N1的函數(shù)。
11.如權利要求
9所述的測量電路，其輸出信號是第1量N1和第2量N2的函數(shù)。
12.如權利要求
11所述的測量電路，其中的發(fā)生裝置至少包括一個接到開關裝置上的參考電位。
13.如權利要求
12所述的測量電路，其輸出信號實質上是公式(N1)(C1)(V)＝(N2)(C2)(V)的函數(shù)，其中C1和C2是電容，它們是輸入信號的函數(shù)，V是參考電位。
14.如權利要求
12所述的測量電路，其輸出信號實質上是公式(N1)(C1)(V)＝(N2)(C2)(V)的函數(shù)，其中C1是一個與輸入信號相關的電容，C2實質上是一個固定電容，V是參考電位。
15.一種能提供與傳感裝置測量的參數(shù)相關聯(lián)的輸出信號的發(fā)送器，它包括發(fā)生裝置，它檢測該參數(shù)，并具有形成一定量的電荷包的電抗裝置，該發(fā)生裝置響應該輸入信號并提供發(fā)生器信號;
專利摘要
一種測量電路可提供作為輸入信號函數(shù)的輸出信號。該測量電路包括一個電荷發(fā)生器，該電荷發(fā)生器給測量單元提供作為輸入信號函數(shù)的電荷包。該測量單元測量所提供的電荷并且提供一與接收到的電荷相關的測量信號。該測量信號被送到反饋電路，該反饋電路接到電荷產生器中的一些開關，以控制電荷包的產生。該反饋電路提供至少一個指示所提供的電荷包的量或數(shù)目的輸出信號。
文檔編號G01RGK87102941SQ87102941
公開日1988年4月13日 申請日期1987年4月22日
發(fā)明者羅格L·弗里克, 約翰P·舒爾特 申請人:羅斯蒙德公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan