[发明专利]电气隔离信号调节系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种电气隔离信号调节系统(galvanically isolatedsignal conditioning system)，并且，更具体地，涉及这样一种电气隔离信号调节系统，其采用MEMS开关快速电容器(flying capacitor)。

背景技术

在例如其中期望在所监视的设备的潜在地非常高的电压和信号调节电路的较低的电压之间的隔离的数据获取应用中，经常采用例如差分放大器的信号调节电路。

差分放大器对其两个输入之间的电势差进行放大。可在从电流感测应用中感测电阻器上的简单的电阻电压降到标准的电阻桥或测压元件的输出的很多应用中找到差分信号。通常，所感测的差分电压相当小；通常在微伏到可能数百毫伏的量级。

通常，与每一个差分电压相关联的是共模电压(common modevoltage)。该共模电压可具有比差分信号高得多的量级。在涉及例如0伏或接地的某个公共电势时，所感测的差分信号的每一侧可处于远高于或远低于公共的0伏或接地的电压电势。所感测的差分信号的两侧所公用的此电压被称为共模电压。通常，此共模电压不包含关于测量信号的有用信息，因此，理想地，差分放大器应当仅放大其两个输入上的信号之间的差，并忽略或排除共模电压。依赖于应用，此共模电压可能高达几百伏、或甚至更高。其相对于例如接地或0伏的公共点，还可能为正或为负。

此外，在例如处理控制的某些行业中，有必要提供所感测的信号和测量电路之间的电气隔离。换句话说，在具有相关联的共模电压的所感测的信号和可具有通常为0伏的不同的共模电压的后续的信号调节电路之间，可能不存在交流或直流路径。

为实现能够满足过去的所有这样的需求的输入信号调节系统，公知的方法已经采用被称为快速电容器技术的技术。在此方法中，通过光控开关(optically controlled switch)或继电器，而将电容器从跨越信号源切换到跨越差分放大器输入。通过这样的手段，完全移除了输入共模电压，并且，仅将差分输入信号呈现给差分放大器。此方法可产生这样的解决方案，其由于机械继电器(mechanical relay)而耗费印刷电路板或印刷线路板的相对大的面积。已成功的其它技术为使用变流器(current transformer)的技术、以及基于霍尔效应变流器的技术。变流器方法的缺点包括较大的物理尺寸和重量(尤其是在所测量的电流增大时)、高成本、不能测量直流电流和电压、以及有限的精度。霍尔效应方法的缺点包括使用开环传感器的低精度、对于用来对隔离侧供电的隔离电源的需要、由于霍尔效应元件而造成的偏差、以及用于闭环传感器的高成本和大的物理尺寸。

不基于快速电容器技术的其它方法通常基于驱动模拟输入、模拟输出的隔离放大器的差分放大器。隔离放大器通常基于变压器，其采用磁耦合来实现共模电压隔离和信号传送二者。从具有充分连续的额定隔离电压的隔离电源对差分放大器和隔离放大器的隔离侧供电。此方法的缺点包括大的物理尺寸、高成本、对于用来对隔离侧供电的隔离电源的需要、以及较差的精度。

另一个方法在于采用用来对模拟输入电压进行数字化的、例如delta-sigma调制器的模数转换器。随后，跨越隔离势垒(isolationbarrier，其为光势垒，或者更常见地，磁势垒)而传送来自delta-sigma调制器的数字位流，并在势垒的远端对其解码，以产生表示模拟输入的串行输出数据流，或者，更常见地，对所传送的数据流进行解码，并将其从数字域转换到模拟域，以在所述势垒的输出侧产生模拟电压。此方法的缺点包括对于用来对隔离侧供电的隔离电源的需要、对于对数据流进行滤波以提取所感测的信号的需要、潜在地为射频干扰(RFI)的原因的高频时钟和数据信号、随时间和温度的前端零点漂移(offset drift)和增益漂移问题、以及相对昂贵的低漂移感测电阻器。

发明内容

因此，此发明的目的在于，提供改进的电气隔离信号调节系统。

此发明的另一个目的在于，提供这样的改进的电气隔离信号调节系统，其使用具有快速电容器的MEMS开关器件而实现电气隔离。

此发明的另一个目的在于，提供这样的改进的电气隔离信号调节系统，其尺寸和重量很小，在物理上不会随着所测量的电流而尺寸变大，成本较低，精确，并且可测量交流和直流电流和电压、且不需要特殊的电源。