DE10211374B4

DE10211374B4 - Abbildung eines Delta-Sigma-Wandlerbereichs auf einen Sensorbereich

Info

Publication number: DE10211374B4
Application number: DE10211374.2A
Authority: DE
Inventors: Feng Wang; Michael J. Gaboury
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: DE10211374A1; US6452521B1; JP2002353817A; JP3917441B2

Abstract

Delta-Sigma-Wandler, der ein Digitalsignal bereitstellt, das eine Prozeßvariable repräsentiert, welcher aufweist: eine Integratorschaltung mit einem analogen Eingangsbereich, die eine Integratorausgabe bereitstellt, eine Steuereinrichtung, die auf eine Ausgabe von der Integratorschaltung anspricht, um innerhalb eines digitalen Ausgangsbereichs eine digitale Ausgabe zu erzeugen, wobei der digitale Ausgangsbereich den analogen Eingangsbereich repräsentiert, wobei die Steuereinrichtung Steuersignale bereitstellt, wobei die Integratorschaltung auf die Steuersignale anspricht, um der Steuereinrichtung die integrierte Ausgabe zuzuführen, eine Sensor-Eingangsschaltung mit Sensorkondensatoren, die mit der Integratorschaltung gekoppelt ist und einen Sensor mit einem analogen Sensorbereich aufweist, wobei die Sensor-Eingangsschaltung auf die Steuersignale anspricht, um der Integratorschaltung ein abgeglichenes analoges Sensorsignal innerhalb des analogen Sensorbereichs zuzuführen, wobei das abgeglichene analoge Sensorsignal die Prozeßvariable repräsentiert, und eine Abbildungsschaltung mit Abbildungskondensatoren, die mit der Integratorschaltung gekoppelt ist und auf die Steuersignale anspricht, um den analogen Eingangsbereich auf den analogen Sensorbereich abzubilden, wobei die Abbildungskondensatoren entgegengesetzt zu den jeweiligen Sensorkondensatoren geladen sind, um dadurch die Ladung an den Sensorkondensatoren zu vermindern, und wobei die Abbildungsschaltung den Ladungsfluss von der Sensor-Eingangsschaltung zur Integratorschaltung so anpasst, dass der analoge Eingangsbereich der Integratorschaltung entsprechend dem analogen Sensorbereich skaliert wird.

Description

Diese Erfindung betrifft Analog-Digital-Wandler, die bei industriellen Prozesssteuersendern bzw. -transmittern bzw. Meßwertumformern verwendet werden, und insbesondere das Abbilden eines analogen Eingangsbereichs eines Delta-Sigma-Wandlers auf den Ausgangsbereich eines Analogsensors.
Es sind verschiedene Analog-Digital-(A/D)-Wandler bekannt, die die analoge Ausgabe eines Sensors in eine digitale Ausgabe umwandeln. A/D-Wandler erzeugen eine Kombination von Tastgrad-, Zeitsteuerungs-, Frequenz- oder Impulszählwerten, die die Ausgabe des Sensors digital repräsentieren. Ein bekannter Typ eines A/D-Wandlers ist eine Delta-Sigma-Schaltung, die auch als Sigma-Delta-, ΔΣ- und ΣΔ-Schaltung bekannt ist. Delta-Sigma-Wandler sind abgeglichene A/D-Wandlerschaltungen, die sich dadurch von anderen abgeglichenen A/D-Schaltungen unterscheiden, daß einem Integrator ein Abgleichstrom zugeführt wird. Die Polarität des Abgleichstroms wird durch eine getaktete Steuereinrichtung gesteuert. Die Delta-Sigma-Schaltung ist in der Lage, über ihren analogen Eingangsbereich eine Analog-Digital-Wandlung hoher Genauigkeit und hoher Auflösung zu erzeugen. Delta-Sigma-Schaltungen werden häufig bei industriellen Prozeßsteuertransmittern eingesetzt, um ein Analogsignal vom Sensor in ein Digitalsignal umzuwandeln, so daß die Prozeßvariable betreffende Informationen zu einer sich in einer Entfernung vom Transmitter befindenden Zentralstation gesendet werden können.
In der Praxis weist ein Sensor, wie eine Dehnungsmeßeinrichtung, jedoch häufig einen Ausgangsbereich auf, der einen niedrigen Pegel hat und gegenüber dem Bereich des Wandlers verschoben ist. Eine Dehnungsmeßeinrichtung arbeitet beispielsweise so, daß sie eine Ausgabe mit einem Bereich zwischen 0 Volt und einer maximalen Sensorspannung (+Vmax) bereitstellt, während der Delta-Sigma-Wandler eine Ausgabe bereitstellt, die zwischen einer negativen maximalen Spannung und einer positiven maximalen Spannung liegt. Wenn der Sensor direkt mit dem Wandler gekoppelt wird, tritt eine Fehlanpassung auf, und es geht die Hälfte der möglichen hohen Auflösung des Delta-Sigma-Wandlers für die Sensoranwendung verloren.
Um diesen Verlust an Auflösung zu überwinden, ist es üblich, analoge Aufbereitungsschaltungen, wie Verstärker und Verschiebungsschaltungen, zwischen dem Sensorausgang und dem Eingang des Delta-Sigma-Wandlers einzusetzen. Die Aufbereitungsschaltungen beeinträchtigen jedoch zusammen mit der bei der Messung auftretenden Rausch- und Temperaturdrift die hohe Genauigkeit des Delta-Sigma-Wandlers für die Sensoranwendung. Weiterhin ist bei industriellen Prozeßsteuertransmittern nur eine begrenzte Menge an Leistung verfügbar, so daß die von den Aufbereitungsschaltungen verbrauchte Leistung die Leistung vermindert, die dem Transmitter für andere Zwecke zur Verfügung steht. Dementsprechend sind ein Verfahren und eine Schaltung erforderlich, die es ermöglichen, daß ein Analogsensor mit einem analogen Ausgang, der einen niedrigen Pegel oder eine Verschiebung aufweist, direkt mit einem Delta-Sigma-Wandler gekoppelt wird, der einen Eingangsbereich mit einem höheren Pegel aufweist, um im wesentlichen den vollen Bereich des Delta-Sigma-Wandlers ohne die Ungenauigkeiten analoger Verstärkungs- und Verschiebungsschaltungen zu verwenden.
Aus der WO 01/63771 A1 ist ein Delta-Sigma-Wandler mit einer grob abgestuften Kombinationsspannung Vr und einer fein abgestuften Messspannung Vs bekannt. Vs kann in einem großen Spannungsbereich und Vr in einem kleinen Spannungsbereich variiert werden, wobei der kleine Spannungsbereich etwa in der Mitte des großen Spannungsbereiches liegt. Aufgrund des gegenläufigen Betriebs der Schalter Ss1 und Sr1 kann durch Variation der Spannungen Vs und Vr im wesentlichen ein Offset des Delta-Sigma-Konverters eingestellt bzw. eine Offsetkorrektur durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Delta-Sigma-Wandler, der ein Digitalsignal bereitstellt, das eine Prozeßvariable repräsentiert. Der Delta-Sigma-Wandler umfasst:
eine Integratorschaltung mit einem analogen Eingangsbereich, die eine Integratorausgabe bereitstellt,
eine Steuereinrichtung, die auf eine Ausgabe von der Integratorschaltung anspricht, um innerhalb eines digitalen Ausgangsbereichs eine digitale Ausgabe zu erzeugen, wobei der digitale Ausgangsbereich den analogen Eingangsbereich repräsentiert, wobei die Steuereinrichtung Steuersignale bereitstellt, wobei die Integratorschaltung auf die Steuersignale anspricht, um der Steuereinrichtung die integrierte Ausgabe zuzuführen,
eine Sensor-Eingangsschaltung mit Sensorkondensatoren, die mit der Integratorschaltung gekoppelt ist und einen Sensor mit einem analogen Sensorbereich aufweist, wobei die Sensor-Eingangsschaltung auf die Steuersignale anspricht, um der Integratorschaltung ein abgeglichenes analoges Sensorsignal innerhalb des analogen Sensorbereichs zuzuführen, wobei das abgeglichene analoge Sensorsignal die Prozeßvariable repräsentiert, und
eine Abbildungsschaltung mit Abbildungskondensatoren, die mit der Integratorschaltung gekoppelt ist und auf die Steuersignale anspricht, um den analogen Eingangsbereich auf den analogen Sensorbereich abzubilden, wobei die Abbildungskondensatoren entgegengesetzt zu den jeweiligen Sensorkondensatoren geladen sind, um dadurch die Ladung an den Sensorkondensatoren zu vermindern, und wobei die Abbildungsschaltung den Ladungsfluss von der Sensor-Eingangsschaltung zur Integratorschaltung so anpasst, dass der analoge Eingangsbereich der Integratorschaltung entsprechend dem analogen Sensorbereich skaliert wird.
Ein Delta-Sigma-Wandler gemäß der Erfindung weist eine mit der Integratorschaltung gekoppelte Abbildungsschaltung bzw. Zuordnungs- oder Umsetzungsschaltung auf, um den analogen Eingangsbereich des Integrators auf den analogen Ausgangsbereich des Sensors abzubilden bzw. umzusetzen.
Insbesondere weist eine Integratorschaltung einen analogen Eingangsbereich auf und liefert einer Steuereinrichtung eine Integratorausgabe, um eine digitale Ausgabe zu erzeugen. Die digitale Ausgabe liegt in einem digitalen Ausgangsbereich, der den analogen Eingangsbereich repräsentiert. Eine Sensor-Eingangsschaltung weist einen Sensor mit einem analogen Sensor-Ausgangsbereich auf. Die Abbildungsschaltung ist mit der Integratorschaltung gekoppelt und spricht auf Steuersignale von der Steuereinrichtung an, um den analogen Eingangsbereich auf den analogen Sensorbereich abzubilden.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen weist die Integratorschaltung mindestens zwei differentiell angeordnete Eingänge auf. Die Sensor-Eingangsschaltung weist ein Paar von Ladungspaketgeneratoren auf, die jeweils mit einem Sensorkondensator gekoppelt sind, um den Integratorschaltungseingängen Ladungen entgegengesetzter Polarität zuzuführen. Die Abbildungs-Eingangsschaltung weist ein Paar von Ladungspaketgeneratoren auf, die jeweils einen Abbildungskondensator bzw. Umsetzungskondensator aufweisen und dafür eingerichtet sind, die Ladung zu ändern, die von den ersten Ladungspaketgeneratoren des Sensors zugeführt wird, um den Maßstab des analogen Eingangsbereichs des Integrators an den analogen Ausgangsbereich der Sensoren anzupassen.
Gemäß anderen Ausführungsformen weist eine Referenzschaltung eine Referenzladung für die Integratoreingänge auf.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend in Zusammenhang mit der Zeichnung detailliert beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm eines industriellen Prozeßsteuertransmitters, bei dem ein Delta-Sigma-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
2 ist ein Schaltungsdiagramm eines Abschnitts eines in US 6 140 952 A beschriebenen Delta-Sigma-Wandlers.
3 ist ein Zeitablaufdiagramm der Arbeitsweise der Schalter in einem Delta-Sigma-Wandler.
4 ist ein Blockdiagramm des Sensors und des Delta-Sigma-Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Schaltungsdiagramm eines Abschnitts des Sensors und des Delta-Sigma-Wandlers, die in 4 dargestellt sind.
1 ist ein Blockdiagramm eines Prozeßvariablentransmitters 20, der dafür eingerichtet ist, eine oder mehrere Prozeßvariablen 22 zu überwachen und eine oder mehrere Ausgaben 26 zu erzeugen, die die erfaßte Prozeßvariable darstellen. Die Transmitterausgaben 26 sind für eine Langstreckenübertragung über einen Kommunikationsbus 28 konfiguriert. Der Transmitter 20 weist einen Sensor 24 auf, der dafür konfiguriert ist, Prozeßvariablen 22 zu überwachen, die Fluiden, wie Schlämmen, Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen, in industriellen Verarbeitungsanlagen, wie Verarbeitungsanlagen für Chemikalien, Fruchtfleisch bzw. Papiermasse, Petroleum, Gas, Pharmazeutika, Nahrungsmittel und andere Fluide, zugeordnet sind. Prozeßvariablen solcher Fluide, die überwacht werden, umfassen Druck, Belastung, Temperatur, Durchfluß, Pegel, pH-Wert, Leitfähigkeit, Trübung, Dichte, Konzentration, chemische Zusammensetzung und andere Eigenschaften der Fluide. Der Kommunikationsbus 28 kann eine 4–20 mA aufweisende Stromschleife, die den Transmitter mit Energie versorgt, oder eine Feldbusverbindung, eine HART-Protokoll-Kommunikationsverbindung oder eine faseroptische Verbindung zu einer Steuereinrichtung, einem Steuersystem oder einer Ausleseeinheit (nicht dargestellt) sein. Bei Transmittern, die von einer Zweidraht-Kommunikationsschleife 28 mit Energie versorgt werden, muß die Leistung auf einem niedrigen Niveau gehalten werden, um in explosiven Atmosphären Sicherheit bereitzustellen. Energiesparende Schaltungen, wie Delta-Sigma-Schaltungen, sind besonders wünschenswert, wenn diese geringe Leistung verwendet wird.
Der Transmitter 20 weist eine Analog-Digital-Wandlerschaltung (A/D-Wandlerschaltung) 30 des als Delta-Sigma-Schaltung bekannten Typs auf. Hierin sollen Delta-Sigma-Schaltungen Schaltungen bezeichnen, die durch eine getaktete Steuereinrichtung gesteuert einen Abgleichstrom alternierender Polarität für einen Integrator erzeugen. Demgemäß weist die Delta-Sigma-A/D-Schaltung 30 einen Delta-Sigma-Modulator 48 mit einem Integratoreingang 36 auf, der so geschaltet ist, daß er ein Analogsignal V_DC vom Sensor 24 empfängt, das die überwachte Prozeßvariable darstellt. Ein Taktgeber 34 erzeugt bei einer Frequenz f_s eine Taktausgabe für eine Steuereinrichtung 32. Die Steuereinrichtung 32 ist mit dem Modulator 48 gekoppelt, um eine umgewandelte Digitalausgabe 38 zu erzeugen, die das Analogsignal V_DC digital darstellt. Bei manchen Anordnungen erzeugt der Ausgang 38 der Steuereinrichtung 32 zwei Impulszählwerte N1 und N2, so daß die Größe N1(N1 + N2) die erfaßte Prozeßvariable darstellt. Der Ausgang 38 der Delta-Sigma-A/D-Wandlerschaltung 30 ist mit einem Digitalprozessor 46 gekoppelt, der das Digitalsignal verarbeitet und das verarbeitete Signal in einem mit dem Kommunikationsbus 28 kompatiblen Format zur Übertragung am Ausgang 26 herrichtet. Bei manchen Anwendungen können eine Verschiebungsschaltung 40 und eine Referenzschaltung 52 mit dem Modulator 48 gekoppelt werden, um eine Rauschfrequenz gegenüber dem Grundband der Signale vom Sensor 24 zu verschieben. Eine solche Verschiebungsschaltung und eine solche Referenzschaltung sind in US 6 140 952 A vollständig beschrieben.
In 2 ist ein Abschnitt eines in US 6 140 952 A beschriebenen Delta-Sigma-Modulators 48 dargestellt. Der Modulator 48 weist einen Integrator 80 und Ladungspaketgeneratoren 82 auf. Wie in US 6 140 952 A erklärt ist, kann der Delta-Sigma-Modulator 48 mehrere Modulatorstufen aufweisen, die jeweils einen Integrator 80 und einen oder mehrere Ladungspaketgeneratoren 82 aufweisen. Jede Ladungspaketschaltung 82 ist mit differentiellen Eingängen 84 des modularen Differenzverstärkers 86 gekoppelt, um eine differentielle Ausgabe 88 abzuleiten. Die Eingaben und Ausgaben des Verstärkers 86 sind komplementäre Signale.
Wie in 2 dargestellt ist, laden und entladen Ladungspaketgeneratoren 90 und 91 Sensorkondensatoren 94 und 96 des Sensors 24. Die Sensorkondensatoren 94 und 96 sprechen jeweils auf die Prozeßvariable an, um während einer ersten Phase Φ₁ eine elektrische Ladung zu speichern, die die Prozeßvariable an jeweiligen Orten in der Verarbeitungsanlage repräsentiert. Sensorkondensatoren können beispielsweise differentielle Kondensatoren sein, die dafür eingerichtet sind, die Differenz der Prozeßvariable zwischen zwei Orten in der Anlage zu messen. Schalter 98 und 102 arbeiten so, daß sie während einer ersten Phase Φ₁ den Sensorkondensator 94 positiv aufladen und den Sensorkondensator 96 negativ aufladen. Schalter 100 und 104 übertragen die Ladung an den Kondensatoren 94 und 96 während einer zweiten Phase Φ₂ zu jeweiligen Eingängen des Verstärkers 86 der Integratorstufe 80. Zusätzlich wird während der zweiten Phase Φ₂ der Kondensator 94 auf V_P aufgeladen und der Kondensator 96 auf V_N aufgeladen. Folglich übertragen die Kondensatoren 94 und 96 während der ersten Phase Φ₁ des nächsten Zyklus (während die Kondensatoren 94 und 96 auf V_N bzw. V_P aufgeladen werden) Ladungen zu den jeweiligen integrierenden Kondensatoren 106 und 108 und den negativen und positiven Eingängen des Verstärkers 86. Wie insbesondere in 3 dargestellt ist, sind die Phasen Φ₁ und Φ₂ einander ausschließende Abschnitte eines Ladezyklus 60. Vorzugsweise endet jede Phase Φ₁ und Φ₂, bevor die nächste Phase beginnt.
Der Ladungspaketgenerator 92 weist einen Referenzkondensator 120 auf, der über einen Schalter 124 mit einer positiven Referenzspannung V_RP einer Referenzspannungsquelle 132 und über einen Schalter 126 mit einer negativen Referenzspannung V_RN der Quelle 132 gekoppelt ist. In ähnlicher Weise weist der Ladungspaketgenerator 93 einen Referenzkondensator 122 auf, der über einen Schalter 128 mit der positiven Referenzspannung V_RP und über einen Schalter 130 mit der negativen Referenzspannung V_RN gekoppelt ist. Die Schalter 124 und 128 werden betätigt, um während einer Phase jedes Zyklus zu leiten, und die Schalter 126 und 130 werden betätigt, um während der anderen Phase jedes Zyklus zu leiten, wobei es vom positiven oder negativen Wert der vorhergehenden Ausgabe y am Ausgang 88 während des vorhergehenden Zyklus abhängt, welches Schalterpaar arbeitet. Falls die Ausgabe y dementsprechend negativ ist (y), leiten die Schalter 124 und 128 während der Φ₁-Phase und die Schalter 126 und 130 während der Φ₂-Phase. Falls die Ausgabe y umgekehrt positiv ist (y), leiten die Schalter 124 und 128 während der Φ₂-Phase und die Schalter 126 und 130 während der Φ₁-Phase. Die Steuereinrichtung 32 (1) weist eine Schaltsteuereinrichtung 56 auf, die durch die Ausgabe 88 des Verstärkers 86 betätigt wird, um Steuersignale Φ₁, Φ₂, yΦ₁, yΦ₂, yΦ₁, yΦ₂ bereitzustellen. Folglich beträgt die während der ersten Phase Φ₁ zum Integrator 80 übertragene Ladung Q_Φ1 = (V_P – V_N)C_IN ± (V_RP – V_RN)C_REF und die während der Φ₂-Phase zum Integrator 80 übertragene Ladung Q_Φ2 = (V_N – V_P)C_IN ± (V_RN – V_RP)C_REF.
Die übertragene Gesamtladung ist eine abgeglichene Ladung, die die Differenz zwischen Q_Φ1 und Q_Φ2 darstellt. Q_OUT = Q_Φ1 – Q_Φ2 = 2(V_P – V_N)C_IN ± 2(V_RP – V_RN)C_REF, wobei C_IN = C₉₄ = C₉₆ ist und C_REF = C₁₂₀ = C₁₂₂ ist. Falls der maximale Bereich der von den Sensorkondensatoren 94 und 96 übertragenen Ladung demzufolge zwischen 0 und (V_RP – V_RN)C_REF liegt, liegt die Ausgabe des Delta-Sigma-Wandlers zwischen 0 Volt und V_RP, was nur die Hälfte des vollen Bereichs des Wandlers ist. Die in 4 dargestellte vorliegende Erfindung erweitert den Bereich der Ladungsübertragung auf den vollen Bereich des Wandlers.
Wie in 4 dargestellt ist, ist die Eingangsschaltung 50 mit dem aus den Kondensatoren 90 und 92 bestehenden Sensor 24 gekoppelt, um dem Integrator 80 eine Eingabe zuzuführen. Die aus den Ladungspaketgeneratoren 92 und 93 und den darin auftretenden Referenzkondensatoren 120 und 122 bestehende Referenzschaltung 52 ist mit dem Integrator 80 gekoppelt. Eine Abbildungs- bzw. Umsetzungsschaltung 58 bildet die Eingabe in den Integrator 80 auf den vollen Bereich des Integrators 80 ab. Die Ausgabe 88 des Integrators 80 wird der Delta-Sigma-Steuereinrichtung 32 zugeführt, die eine Schaltsteuereinrichtung 56 aufweist, um der Eingangsschaltung 50, der Referenzschaltung 52, der Abbildungsschaltung 58 und dem Integrator 80 Steuersignale Φ₁, Φ₂, yΦ₁, yΦ₂, yΦ₁, yΦ₂ zuzuführen.
In 5 ist der Delta-Sigma-Wandler aus 4 in näheren Einzelheiten dargestellt. Wie in 5 dargestellt ist, weist die Abbildungsschaltung 58 die Abbildungskondensatoren 134 und 136 und zugeordnete Ladungspaketgeneratoren 138 und 139 auf. Der Ladungspaketgenerator 138 weist Schalter 140 und 142 auf, die den Abbildungskondensator 134 mit der negativen Referenzspannung V_RN bzw. der positiven Referenzspannung V_RP der Referenzspannungsquelle 132 koppeln. In ähnlicher Weise weist der Ladungspaketgenerator 139 Schalter 144 und 146 auf, die den Abbildungskondensator 136 mit der Spannung V_RN bzw. der Spannung V_RP koppeln. Die Schalter 142 und 146 werden in jedem Zyklus so betätigt, daß sie während der Phase Φ₁ leiten, und die Schalter 140 und 144 werden in jedem Zyklus so betätigt, daß sie während der Phase Φ₂ leiten. Dementsprechend werden die Abbildungskondensatoren 134 und 136 anders als die Referenzkondensatoren 120 und 122, deren Ladung von der Polarität des Signals am Ausgang 88 des Verstärkers 86 abhängt, entgegengesetzt zu den jeweiligen Kondensatoren 94 und 96 geladen, um dadurch die Ladung an den jeweiligen Kondensatoren 94 und 96 zu vermindern. Folglich ist die auf den Integrator 80 übertragene Ladung Q_OUT = 2(V_P – V_N)C_IN ± 2(V_RP – V_RN)C_REF – 2(V_RP – V_RN)C_OS, wobei C_IN = C₉₄ = C₉₆, C_REF = C₁₂₀ = C₁₂₂ und C_MAP = C₁₃₄ = C₁₃₆ ist.
Die Kapazitätswerte der Referenzkondensatoren 120 und 122 und der Abbildungskondensatoren 134 und 136 und die Spannungswerte der Spannungsquellen 118 und 132 werden so gewählt, daß die von jedem der Referenzkondensatoren 120 und 122 und der Abbildungskondensatoren 134 und 136 übertragene Ladung die Hälfte der von jedem der Sensorkondensatoren 94 und 96 zum Differenzverstärker 86 übertragenen Ladung ist. Dies wird zweckmäßigerweise erreicht, indem die Spannungsquelle 118 gleich der Spannungsquelle 132 gesetzt wird und indem die Kapazität der Referenzkondensatoren 120 und 122 und der Abbildungskondensatoren 134 und 136 etwa auf die Hälfte der Nennkapazität von jedem der Sensorkondensatoren 94 und 96 gelegt wird. Daher weist jeder Referenz- und Abbildungskondensator eine Kapazität auf, die der Hälfte der erwarteten Kapazität jedes Sensorkondensators entspricht. Demgemäß gilt V_RP = V_P und V_RN = V_N und V_RP = V_P = –V_RN = –V_N und C_MAP = C_REF = C_IN/2. Wenn C_MAP und C_REF beide gleich C_IN/2 sind, wird die Mitte des Ladungspaketgenerator-Bereichs für die Integratorstufe des Delta-Sigma-Wandlers auf 0 Volt gelegt und wird der Bereich des Sensors auf den vollen Bereich des Wandlers zwischen –(V_RP – V_RN) und +(V_RP – V_RN) gelegt. Dementsprechend paßt die Abbildungsschaltung 58 den Ladungsfluß von der Eingangsschaltung 50 zur Integratorschaltung 80 so an, daß der analoge Eingangsbereich des Integrators entsprechend dem analogen Ausgangsbereich des Sensors 40 skaliert wird. Insbesondere führen die Ladungspaketgeneratoren 138 und 139 Ladungen zu, deren Polarität der Polarität der von den Sensor-Ladungspaketgeneratoren 90 und 91 zugeführten Ladungen entgegengesetzt ist und deren Wert die Hälfte des Werts der von den Sensor-Ladungspaketgeneratoren 90 und 91 zugeführten Ladung ist, um den analogen Eingangsbereich des Integrators 80 für den Sensor umzusetzen. Folglich verwendet die vorliegende Erfindung den vollen Bereich des Delta-Sigma-Wandlers ohne die Verwendung und die Ungenauigkeiten analoger Verstärkungs- und Verschiebungsschaltungen.
Wenngleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, daß Änderungen an der Form und den Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Delta-Sigma-Wandler, der ein Digitalsignal bereitstellt, das eine Prozeßvariable repräsentiert, welcher aufweist: eine Integratorschaltung mit einem analogen Eingangsbereich, die eine Integratorausgabe bereitstellt, eine Steuereinrichtung, die auf eine Ausgabe von der Integratorschaltung anspricht, um innerhalb eines digitalen Ausgangsbereichs eine digitale Ausgabe zu erzeugen, wobei der digitale Ausgangsbereich den analogen Eingangsbereich repräsentiert, wobei die Steuereinrichtung Steuersignale bereitstellt, wobei die Integratorschaltung auf die Steuersignale anspricht, um der Steuereinrichtung die integrierte Ausgabe zuzuführen, eine Sensor-Eingangsschaltung mit Sensorkondensatoren, die mit der Integratorschaltung gekoppelt ist und einen Sensor mit einem analogen Sensorbereich aufweist, wobei die Sensor-Eingangsschaltung auf die Steuersignale anspricht, um der Integratorschaltung ein abgeglichenes analoges Sensorsignal innerhalb des analogen Sensorbereichs zuzuführen, wobei das abgeglichene analoge Sensorsignal die Prozeßvariable repräsentiert, und eine Abbildungsschaltung mit Abbildungskondensatoren, die mit der Integratorschaltung gekoppelt ist und auf die Steuersignale anspricht, um den analogen Eingangsbereich auf den analogen Sensorbereich abzubilden, wobei die Abbildungskondensatoren entgegengesetzt zu den jeweiligen Sensorkondensatoren geladen sind, um dadurch die Ladung an den Sensorkondensatoren zu vermindern, und wobei die Abbildungsschaltung den Ladungsfluss von der Sensor-Eingangsschaltung zur Integratorschaltung so anpasst, dass der analoge Eingangsbereich der Integratorschaltung entsprechend dem analogen Sensorbereich skaliert wird.
Delta-Sigma-Wandler nach Anspruch 1, wobei die Abbildungsschaltung den Ladungsfluß von der Eingangsschaltung zur Integratorschaltung anpaßt, um den analogen Eingangsbereich zu skalieren.
Delta-Sigma-Wandler nach Anspruch 2, wobei die Abbildungsschaltung den analogen Eingangsbereich umsetzt.
Delta-Sigma-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Integratorschaltung mindestens zwei differentiell angeordnete Eingänge aufweist und der Sensor mindestens zwei Sensorkondensatoren aufweist, die auf die Prozeßvariable ansprechen, wobei die Sensor-Eingangsschaltung einen mit jedem Sensorkondensator gekoppelten ersten Ladungspaketgenerator aufweist, der dafür eingerichtet ist, jeweiligen der Integratorschaltungseingänge Ladungen entgegengesetzter Polarität zuzuführen, wobei die Abbildungs-Eingangsschaltung mindestens zwei Abbildungskondensatoren und einen mit jedem Abbildungskondensator gekoppelten zweiten Ladungspaketgenerator aufweist, wobei die zweiten Ladungspaketgeneratoren bezüglich der ersten Ladungspaketgeneratoren derart ausgebildet sind, um Ladung zu reduzieren, die den jeweiligen Integratorschaltungseingängen von den ersten Ladungspaketgeneratoren zugeführt wird.
Delta-Sigma-Wandler nach Anspruch 4, wobei jeder zweite Ladungspaketgenerator dafür eingerichtet ist, dem jeweiligen Integratoreingang eine Ladung zuzuführen, deren Polarität der Polarität der vom jeweiligen ersten Ladungspaketgenerator zugeführten Ladung entgegengesetzt ist und die etwa die Hälfte der vom jeweiligen ersten Ladungspaketgenerator zugeführten Ladung beträgt.
Delta-Sigma-Wandler nach Anspruch 4 oder 5, wobei der erste und der zweite Ladungspaketgenerator von einer Versorgungsspannung betrieben werden und jeder Abbildungskondensator eine Kapazität aufweist, die der Hälfte der Nennkapazität jedes Sensorkondensators entspricht.
Delta-Sigma-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welcher weiter eine Referenzschaltung aufweist, die mit der Integratorschaltung gekoppelt ist und auf die Steuersignale anspricht, um ein abgeglichenes Referenzsignal bereitzustellen.
Delta-Sigma-Wandler nach Anspruch 7, wobei die Referenzschaltung mindestens zwei Referenzkondensatoren und einen mit jedem Referenzkondensator gekoppelten dritten Ladungspaketgenerator aufweist, wobei die dritten Ladungspaketgeneratoren bezüglich der ersten Ladungspaketgeneratoren dafür eingerichtet sind, die Ladung zu ändern, die den jeweiligen Integratorschaltungseingängen von den ersten Ladungspaketgeneratoren zugeführt wird.
Delta-Sigma-Wandler nach Anspruch 8, wobei die Steuereinrichtung weiter eine Ladungspaketgenerator-Steuereinrichtung aufweist, um die dritten Ladungspaketgeneratoren auf der Grundlage der Integratorausgabe so zu betreiben, daß die Ladung selektiv erhöht oder verringert wird, die den Integratorschaltungseingängen von den ersten Ladungspaketgeneratoren zugeführt wird.
Delta-Sigma-Wandler nach Anspruch 9, wobei jeder zweite Ladungspaketgenerator dafür eingerichtet ist, dem jeweiligen Integratoreingang eine Ladung zuzuführen, deren Polarität der Polarität der vom jeweiligen ersten Ladungspaketgenerator zugeführten Ladung entgegengesetzt ist und die etwa die Hälfte der vom jeweiligen ersten Ladungspaketgenerator zugeführten Ladung beträgt, und wobei jeder dritte Ladungspaketgenerator dafür eingerichtet ist, dem jeweiligen Integratoreingang eine Ladung zuzuführen, die etwa die Hälfte der vom jeweiligen ersten Ladungspaketgenerator zugeführten Ladung beträgt.
Delta-Sigma-Wandler nach Anspruch 9 oder 10, wobei der erste, der zweite und der dritte Ladungspaketgenerator durch eine Versorgungsspannung betrieben werden und wobei jeder Abbildungskondensator und jeder Referenzkondensator eine Kapazität aufweist, die die Hälfte der Nennkapazität jedes Sensorkondensators beträgt.
Industrieller Prozeßsteuertransmitter, der für eine Kopplung mit einer Zentralstation durch eine Zweidraht-Kommunikationsverbindung ausgebildet ist, wobei der Transmitter aufweist: eine Sensor-Eingangsschaltung mit Sensorkondensatoren, die einen Sensor aufweist, der auf Steuersignale anspricht, um innerhalb eines analogen Sensorbereichs ein abgeglichenes analoges Sensorsignal bereitzustellen, das die Prozeßvariable repräsentiert, eine Integratorschaltung, die mit der Sensor-Eingangsschaltung gekoppelt ist und auf das Steuersignal anspricht, um eine Integratorausgabe bereitzustellen, die die Prozeßvariable innerhalb eines analogen Eingangsbereichs repräsentiert, eine Steuereinrichtung, die auf die Integratorausgabe anspricht, um innerhalb eines digitalen Ausgangsbereichs eine digitale Ausgabe zu erzeugen, wobei der digitale Ausgangsbereich den analogen Eingangsbereich repräsentiert, wobei die Steuereinrichtung die Steuersignale bereitstellt, eine Abbildungsschaltung mit Abbildungskondensatoren, die mit der Integratorschaltung gekoppelt ist und auf die Steuersignale anspricht, um den analogen Eingangsbereich auf den analogen Sensorbereich abzubilden, wobei die Abbildungskondensatoren entgegengesetzt zu den Sensorkondensatoren geladen sind, um dadurch die Ladung an den Sensorkondensatoren zu vermindern, und einen Transceiver, der mit dem Prozessor und der Kommunikationsverbindung gekoppelt ist, um Informationen vom Prozessor zur Zentralstation zu übertragen.
Industrieller Prozeßsteuertransmitter nach Anspruch 12, wobei die Abbildungsschaltung den Ladungsfluß von der Eingangsschaltung zur Integratorschaltung anpaßt, um den analogen Eingangsbereich zu skalieren.
Industrieller Prozeßsteuertransmitter nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei die Integratorschaltung mindestens zwei differentiell angeordnete Eingänge aufweist und der Sensor mindestens zwei Sensorkondensatoren aufweist, die auf die Prozeßvariable ansprechen, wobei die Sensor-Eingangsschaltung einen mit jedem Sensorkondensator gekoppelten ersten Ladungspaketgenerator aufweist, der dafür eingerichtet ist, jeweiligen der Integratorschaltungseingänge Ladungen entgegengesetzter Polarität zuzuführen, wobei die Abbildungs-Eingangsschaltung mindestens zwei Abbildungskondensatoren und einen mit jedem Abbildungskondensator gekoppelten zweiten Ladungspaketgenerator aufweist, wobei die zweiten Ladungspaketgeneratoren bezüglich der ersten Ladungspaketgeneratoren dafür eingerichtet sind, die Ladung zu reduzieren, die den jeweiligen Integratorschaltungseingängen von den ersten Ladungspaketgeneratoren zugeführt wird.
Industrieller Prozeßsteuertransmitter nach Anspruch 14, wobei jeder zweite Ladungspaketgenerator dafür eingerichtet ist, dem jeweiligen Integratoreingang eine Ladung zuzuführen, deren Polarität der Polarität der vom jeweiligen ersten Ladungspaketgenerator zugeführten Ladung entgegengesetzt ist und die etwa die Hälfte der vom jeweiligen ersten Ladungspaketgenerator zugeführten Ladung beträgt.
Industrieller Prozeßsteuertransmitter nach Anspruch 14 oder 15, wobei der erste und der zweite Ladungspaketgenerator durch eine Versorgungsspannung betrieben werden und jeder Abbildungskondensator eine Kapazität aufweist, die die Hälfte der Nennkapazität jedes Sensorkondensators beträgt.
Industrieller Prozeßsteuertransmitter nach einem der Ansprüche 12 bis 16, welcher weiter eine Referenzschaltung aufweist, die mit der Integratorschaltung gekoppelt ist und auf die Steuersignale anspricht, um ein abgeglichenes Referenzsignal bereitzustellen.
Industrieller Prozeßsteuertransmitter nach Anspruch 17, wobei die Referenzschaltung mindestens zwei Referenzkondensatoren und einen mit jedem Referenzkondensator gekoppelten dritten Ladungspaketgenerator aufweist, wobei die dritten Ladungspaketgeneratoren bezüglich der ersten Ladungspaketgeneratoren dafür eingerichtet sind, die Ladung zu ändern, die den jeweiligen Integratorschaltungseingängen von den ersten Ladungspaketgeneratoren zugeführt wird.