专利名称：多路复用器泄漏电流的检测和补偿的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多路复用器，更具体地涉及一种用于检测输入通道之间的泄漏电流的多路复用器结构。
背景技术：
多路复用器是一种提供从多个输入选择的输出的设备。因为允许多个设备共享更加昂贵的资源(例如模数转换器)，多路复用器是有益的。通过这种方式，与针对每一个设备采用分离的模数转换器不同，可以将单独的模数转换器用于多个设备。对由多路复用器采用的多个开关(例如金属氧化物半导体器件、光耦合器等)进行控制(例如，断开和接通)，以选择所需的输入(例如通道)来在多路复用器的输出提供。 理想地，断开时的开关在所述多个通道的每一个之间提供完全隔离。实际上即使当断开时， 所述开关也允许在通道之间泄漏少量的电流。将这种不希望的电流称作“泄漏电流”，其结果可能对于在多路复用器的输出处提供的信号完整性有不利影响。在许多应用中，泄漏电流是微弱的，并且不会显著地影响多路复用器输出的完整性。然而，诸如温度和器件-器件电势(即故意或者无意地将多路复用器的输入器件保持处于明显不同的电势)之类的因素单独地或者结合起来增加了与多路复用器采用的开关相关联的泄漏电流。在许多应用(例如过程控制应用)中，即使由多路复用器提供的信号完整性中的较小变化也可以导致明显的应用错误。因此，检测泄漏电流的存在和/或响应于检测到的泄漏电流来补偿多路复用器提供的输出信号将是有益的。
发明内容
多路复用的输入/输出(I/O)系统检测所选择的输入通道上的泄漏电流。所述系统包括泄漏电流检测多路复用器，连接用于提供从多个输入通道之一选择的输出，并且用于提供对与所选择的输入通道相关联的泄漏电流进行指示的泄漏输出。响应于超出阈值的泄漏输出，控制器提供通知，指示与所选择的输入通道相关联的完整性损失。
图1是根据本发明实施例的用于提供泄漏电流检测/补偿的输入/输出(I/O)系统的方框图。图2A和2B是示出了根据本发明的泄漏电流检测多路复用器的更详细实施例的电路图。图3A和:3B是示出了泄漏电流和由多路复用器提供的完整性量度之间的相关性以及用于指示过多泄漏电流的界限的曲线。图4是更加详细地示出了根据本发明实施例的泄漏电流检测多路复用器的电路图。
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图5是更加详细地示出了根据本发明实施例的泄漏电流检测多路复用器的电路图。
具体实施例方式总的来说，本发明是一种多路复用的输入/输出系统，所述多路复用的输入/输出系统提供与多路复用器相关联的泄漏电流的检测和/或补偿。具体地，本发明采用的多路复用器关于每一个输入通道包括至少一个泄漏电流感测电阻器，以及测量泄漏电流感测电阻器两端的电压所必须的附加总线和开关。基于泄漏电流感测电阻器两端的测量电压，可以估计与具体通道相关联的泄漏电流，并且将其用于确定由多路复用器提供的输出的完整性是否已被所检测的泄漏电流所危及。响应于对与具体的一个和/或多个通道相关联的潜在完整性损失进行指示，可以提供警告信号。除了检测泄漏电流的存在之外，本发明可以基于所检测的泄漏电流提供对由多路复用器提供的输出信号的补偿。这种补偿对于由泄漏电流引入到输出信号中的误差进行校正。这种方法的益处是不管导致典型的多路复用器不可操作的条件(例如高温、大的器件-器件电势)如何，都会保持信号完整性。图1是根据本发明实施例的输入/输出(I/O)系统的方框图。系统100包括泄漏电流检测多路复用器12 (下文中的多路复用器1 、模数转换器14和控制器16。多路复用器12与多个输入通道Ch_l、Ch_2. . . Ch_3(统称为“输入通道”)，每一个与多个传感器装置 ISaUm3和18c(统称为“传感器装置18”)之一分别相连。每一个输入通道可以由一个或多个输入线路(即端子)组成。例如，传感器装置18a可以是双引线热电耦。同样地，多路复用器12将包括关于传感器装置18a的两个输入端子。其他类型的传感器装置采用各种引线结构。同样地，多路复用典型地设计用于适应各种传感器类型，通常关于每一个通道采用四个输入端子。多路复用器12包括多个开关(参考图2A、2B、4和5更加详细地描述其实施例)， 通过控制器16选择性地控制(即断开和接通)所述开关以确定将多个输入通道的哪一个提供给多路复用器12的公共输出。为了选择具体的输入通道(例如，输入通道Ch_l)，将与所选择的通道相关联的开关接通、并且将在所选择的输入通道处提供的输入提供给多路复用器12的公共输出。与其余未选择的输入通道(例如，输入通道Ch_2、Ch_3)相关联的开关保持断开，以将未选择的输入通道与所选择的输入通道相隔离。相邻传感器(例如传感器18a和18b)之间电势差(标记为“Vs_s”)的存在可以对相应输入通道之间串扰或泄漏电流的存在做出贡献。泄漏电流使在所选择的输入通道处提供的输入信号失真，并且如果失真明显，将导致对相应传感器测量到的过程变量的错误解释。如以下更加详细地描述的，根据本发明实施例的多路复用器12的结构允许检测与多个输入通道的一个或多个相关联的泄漏电流。将所检测的泄漏电流(标记为“leak_det”) 与由所选择的输入通道(标记为“kl_Ch”)提供的传感器输出一起提供给模数转换器14。 将所检测的泄漏电流的数字指示提供给控制器16，以确定是否应该发送对与所选择的输入通道相关联的完整性损失进行指示的警报或通知，和/或以允许控制器16基于所检测的泄漏电流向由所选择的输入通道提供的信号提供补偿。图2A和2B是示出了根据本发明的泄漏电流检测多路复用器(分别标记为多路复用器2 和多路复用器22b)的详细实施例的电路图。在图2A所示的实施例中，连接多路复用器22a以用于从多个输入通道接收传感器数据，示出了其中的两个输入通道(即，输入通道Ch_l和Ch_2)。多路复用器2 包括多个输入端子Ch_la、Ch_lc、Ch_2a和Ch_2c，多个开关S_la、S_lb、S_lc、SJa、S_2b和S_2c，多个泄漏电流感测电阻器R_lb和R_2b，以及多个输出端子kl_Ch_a、Sel_Ch_b和Sel_Ch_c，所述输出端子构成了多路复用器22a的公共输出通道。对由多路复用器2 采用的组件进行标记以指示与所述组件相关联的输入通道和输出端子。例如，与输入通道Ch_l相关联的、(经由开关S_la)被连接用于在输出端子 Sel_Ch_a处提供输出的输入端子被标记为Ch_la。与通道Ch_l相关联的、(经由开关S_lc) 被连接用于在输出端子kl_Ch_c提供输出的另一个输入端子标记为Ch_lc。因为其(经由开关S_lb)与输出端子kl_Ch_b相连，将与输入通道Ch_l相关联的泄漏感测电阻器标记为R_lb。对与输入通道Ch_2相关联的组件类似地进行标记，即输入端子ChJa和Ch_2c， 开关S_h、S_2b和S_2c，以及泄漏电流电阻器R_2b。输入端子ChJa和Ch_2c分别通过开关SJa和S_2c与输出端子Sel_Ch_a和Sel_Ch_c相连。泄漏感测电阻器R_2b经由开关 S_2b与输出端子kl_Ch_b相连。为了便于描述多路复用器22a，这里将传感器18描述为是双端热电耦装置，每一个装置包括分别与相应输入端子相连的高阻引线Mi和低阻引线Rl (例如传感器装置18a 与输入端子Ch_la和Ch_lc相连)。典型的热电耦还可以包括使用其他一些热敏器件(诸如热敏电阻或二极管)的人工冷节点(artifact cold junction)，以在仪器处测量输入连接的温度，然而为了讨论的目的，所示简单结构就足够了。为了选择具体的输入通道以在多路复用器22a的公共输出通道处提供，将与所选择的输入通道相关联的每一个开关都接通。如图2A所示，将开关S_la、S_lb和S_lc接通以选择输入通道Ch_l。相反，将与未选择的通道相关联的开关断开以将所选择的通道和未选择的通道隔离。理想地，断开的开关代表无限大的电阻，所述无限大的电阻有效地防止了任何电流流过未选择的通道。然而从实际的观点来看，断开的开关具有基于开关的个体特性以及诸如与开关相关联的温度之类的外界因素而变化的有限电阻。与传感器-传感器电势差(示出为“Vs-s”)的存在相结合，可以通过如图2A所示的断开的开关对泄漏电流进行感应，其中泄漏电流ia、ib和ic分别流过断开的开关S2-A、S2-B和S2-C。因为每一个通道与公共输出相连(输出端子kl_Ch_a、Sel_Ch-b和kl_Ch_c)，泄漏电流ia、ib和ic流过断开的开关SJa、S_2b和S_2c，并且分别通过接通的开关S_la、S_lb和S_lc来提供。所得到的泄漏电流ia、ib和ic流过热电耦引线Rh_l和Rl_l，结果是对由输入端子Ch_la和Ch_lc处的热电耦提供的电势差做出修改(假设与引线Rh_l和相关联的是不相等的电阻)的压降。结果，由多路复用器22a(在输出端子
处)提供的表示感测到的温度的输出将包括由于泄漏电流导致的一些失真。通过添加泄漏感测电阻器(例如关于输入通道Ch_l提供的泄漏感测电阻器R_lb) 和附加的总线和输出端子(例如输出端子kl_ch_b)来测量泄漏感测电阻器R_lb双端的压降，提供了由多路复用器2 进行的泄漏电流检测。为了确定与具体通道相关联的泄漏电流，接通与所选择的通道相关联的多个开关，包括与泄漏感测电阻器相关联的开关，并且在多路复用器22a的相应输出端子处提供与每一个总线相关联的电压。
例如，为了测量与通道Ch_l相关联的泄漏电流，接通开*S_la、S_lb和S_lc (在多路复用器22中包括的所有其余开关保持断开)，并且以在输出端子kl_Ch_b和
c处提供的电压差的方式来测量电流感测电阻器R_lb双端的电压。电流感测电阻器R_lb 双端的电压差与对电阻器R_lb的电阻值的知识相结合允许确定泄漏电流ib。在该实施例中，不测量流到端子Ch_la中的电流，并且只在一定程度上知道流入到端子Ch_lc中的电流泄漏电流ib可以归因于泄漏电流ic (其总和确定了流入到端子Ch_lc中的实际泄漏电流)。然而，为了检测传感器完整性损失(即，与由所选择的输入通道提供给公共输出通道的传感器数据相关联的完整性损失，在这种情况下在输出端子Sel_Ch_a和kl_Ch_c处提供)，与通过总线之一的泄漏电流的幅度有关的知识典型地是足够的。将在输出端子Sel_Ch_a、Sel_Ch_b和Sel_Ch_c处提供的电压值提供给A/D转换器14，所述A/D转换器14将模拟电压值转换为数字值。A/D转换器14向控制器16提供数字值，控制器16对所提供的值加以解释。例如，双端子热电耦装置在所述端子处提供电压差，所述电压差反映了测量温度。控制器16将对在(分别与输入端子Ch_la和Ch_lc相连的)输出端子Sel_Ch_a* Sel_Ch_c处提供的电压加以解释，以确定传感器装置1 测量的温度。此外，控制器16基于检测的泄漏电流(由在输出端子Sel_Ch_a*Sel_Ch_C之间提供的电压差指示)来确定所检测的泄漏电流是否已经对由多路复用器2 提供的输出的完整性造成危害。这可以包括将测量的泄漏电流与阈值进行比较、或者向用户或控制室报告所感测的泄漏电流。在其他实施例中，控制器16可以对由传感器提供的信号进行补偿以考虑到所述泄漏电流的影响，但是通过知道经过所选择通道的每一个输入端子的泄漏电流，改进了精确的补偿(如参考图4和图5所述的)。可以关于每一个输入通道执行类似的操作。取决于应用，表示相对昂贵的操作的 A/D转换器14和控制器16可以只是周期性地查看与多个输入的每一个相关联的泄漏电流。 因为增大泄漏电流的这些因素(例如温度和传感器-传感器电势)典型地在缓慢变化，这一般是可接受的。然而在其他应用中，连续监视泄漏电流的存在可能是有益的。图2B是更加详细地示出了泄漏电流检测多路复用器(标记为多路复用器22b以与参考图2A所述的多路复用器2 进行区分)的另一个实施例的电路图。多路复用器22b 包括关于参考图2A所示的多路复用器1 描述的相同组件，包括多个输入端子Ch_la、 Ch_lc、Ch_2a 和 Ch_2c，多个开关 S_la、S_lb、S_lc，、S_2a、S_2b 和 S_2c’，多个泄漏电流感测电阻器R_lb和RJb以及多个输出端子Sel_Ch_a、Sel_Ch_b和Sel_Ch_c。该实施例与图2所示实施例之间的区别在于开关S_lc’和S_2c’的连接(撇号指示实施例之间的示意性区别)。在图2A中，开关S-Ic的第一侧与输入端子Ch_lc相连，而第二侧与输出端子％l_Ch_c相连。在该实施例中，开关S-lc’的第一侧连接在开关S_lb 和电流泄漏电阻器R_lb之间。开关S-lc’的第二侧仍然与输出端子kl_Ch_c相连。同样地，开关S_2c’的第一侧连接在开关S_2b和电流泄漏电阻器R_2b之间。这种方法的益处在于流到端子Ch_lc中的泄漏电流的主要部分对于泄漏电流ib 有贡献(与泄漏电流ib和ic的组合相反)，可以基于在电流泄漏电阻器R_lb两端测量到的压降来测量泄漏电流ib。假设泄漏电流很大一部分是由于较大传感器-传感器电势差Vs-s 的存在，通过将开关S_2c’的第一侧连接在开关S_2b的相对侧上，主要的电势差将落在断开的开两端(由于与断开开关相关联的尽管不是无限大但是相对较大的阻抗)。结
8果，将开关S_2c’的第一侧与比开关S_2c的第一侧的电势明显要低的节点相连(如图2A 所示)，并且流过断开的开关S_2c’的泄漏电流ic的幅度明显小于流过断开的开关S_2b的泄漏电流ib。结果，基于在泄漏感测电阻器R_lb两端测量到的电压差而估计的泄漏电流更加精确地描绘了流到输入端子Ch_lc中泄漏电流。在该实施例中，提供到输入端子Ch_la的泄漏电流仍然未知，但是再一次地，可以基于与输入端子Ch_lc相关联的测量到的泄漏电流进行估计。图3A和;3B是示出了传感器-传感器电压和温度与泄漏电流幅度之间的相关性的曲线，以及如何将泄漏电流阈值用于确定传感器完整性的损失的示例。图3A和图;3B是基于关于图2A描述的电路图的原型，但是其原理对于关于图2B所述的实施例也有效。图3A示出了传感器-传感器电势和温度如何影响泄漏电流。y轴表示电流幅度(例如纳安(nA)单位，χ轴表示与多路复用器相关联的环境温度(例如摄氏度单位) (即所述温度不是必须表示由传感器感测的温度值，只表示与多路复用器相关联的环境温度)。每一条线表示关于改变中的传感器-传感器电势VS-S的幅度(分别标记为‘-600V’、 ‘-100V，、‘0V，、，50V，、iIOOV'和 ‘600V，)而感测的泄漏电流。在 30 η A 禾口-30 η A(标记为“泄漏界限”)处示出了阈值界限，所述阈值界限对感测到的过程变量(ρν)的完整性受到危害的那一点处的泄漏电流幅度进行识别。基于感测的过程变量超过限定的规范界限(假设为15 μ V和-15 μ V)的那一点(如图3所示)来确定这些阈值。如图3Α所示，泄漏电流随着温度增加并且随着传感器-传感器电势Vs-s的增加而增加。具体地，当传感器-传感器电势Vs-s等于600V(由标记为“600V”的线表示)时， 泄漏电流与环境温度达到75°C时的泄漏界限相匹配，并当环境温度达到85°C时超过泄漏界限。超过所述泄漏界限指示了与感测的过程变量相关联的误差已经超过了规范界限(如图3B所示)，使得已经对传感器信号的完整性造成了危害。图:3B示出了通过增加传感器-传感器电势Vs-s并且升高温度产生的泄漏电流如何不利地影响感测的过程电压，并且因此影响感测的过程变量的完整性。y轴表示引入到感测的过程变量中的误差值(微伏(μ V)单位)，χ轴使用参考图3Α采用的相同数值范围来表示与多路复用器相关联的环境温度(摄氏度)。再次，每一条线表示关于改变传感器-传感器电势 Vs-s 的幅度(分别标记为 ‘-600V，、‘-100V，、‘-50V，、‘0V，、，50V，、‘ 100V， 和‘600V’ )而测量的过程变量误差。将规范界限(标记为“pv”界限)定义为指示已经对感测的过程变量的完整性造成危害的那一点(例如15μν和-15μν)。在这种仿真中，感测的过程变量中的误差在75°C和|600|VWP 600V*-600V)时超过规范界限。如图3A所示， 在该温度和传感器-传感器电势下产生的泄漏电流成为泄漏电流阈值(也如图3A所示)。 这样，超过所限定的阈值的泄漏电流指示由感测的过程电压所定义的完整性损失。基于泄漏电流将如何影响传感器完整性有关的知识来确定关于具体传感器的泄漏界限。可以基于已知的与采用的传感器类型有关的信息来估计泄漏电流界限，所述信息包括传感器的阻抗和与每一个引线相关联的差分阻抗，或者可以通过向传感器施加已知电流并且测量得到的电压(按照与将电流施加至两引线电阻温度装置(RTD)相同的方式) 以确定具体传感器的阻抗，来确定泄漏电流界限。知道传感器的电阻(例如关于热电耦装置，知道与热电耦的每一个引线相关联的电阻率比)确定了泄漏电流对于信号完整性的影响。例如，关于热电耦，端子之间的电阻率之比越大，泄漏电流对于传感器完整性的影响越突出。图4是示出了根据本发明的泄漏电流检测多路复用器(这里标记为24)的另一个实施例的电路图。在图4所示的实施例中，再次连接多路复用器M以接收来自多个输入通道的传感器数据，示出了其中的两个输入通道(输入通道Ch_l和ChJ)。再次地，通过与相应输入通道的每一个相连的双端器件的假设来简化描述。多路复用器M包括多个输入端子Ch_la、 Ch_ld、Ch_2a 和 Ch_2d，多个开关 S_la、S_lb、S_lc、S_ld、S_2a、S_2b、S_2c 和 S_2d，多个泄漏感测电阻器R_lb、R_lc、R_2b和R_2c以及构成多路复用器M的公共输出通道的多个输出端子 kl_Ch_a、Sel_Ch_b> Sel_Ch_Co对多路复用器M采用的组件再次进行标记以指示与所述组件相关联的输入通道和输出端子。例如，将与输入通道Ch_l相关联的、(经由开关S_la)被连接以在输出端子 Sel_Ch_a处提供输出的输入端子标记为Ch_la。将与输入通道Ch_l相关联的、(经由开关 S_ld)被连接以在输出端子提供输出的另一个输入端子标记为Ch_ld。将与 (分别经由开关S_lb和S_lc)连接到输出端子Sel_Ch_b和Sel_Ch_c的输入通道Ch_l相关联的泄漏感测电阻器分别标记为R_lb和R_lc。与参考图2A和2B所述的实施例相反，该实施例包括与多个输入端子的每一个相关联的泄漏感测电阻器。尽管该实施例导致与多路复用器M相关联的复杂度增加，附加的总线和相关联的泄漏感测电阻器的益处在于能够知道每一个输入端子处的泄漏电流的能力。可以将通过每一个输入端子的泄漏电流的知识用于补偿在所选择的输入通道上提供的传感器信号。例如，在图4所示的示例中，将开*S_la、S_lb、S_lc和S_ld接通以选择输入通道Ch_l。与未选择的通道相关联的开关保持断开。将由传感器18a提供的传感器输入提供为分别在输出端子和kl_Ch_d处的电压差。基于泄漏感测电阻器R_lb两端的压降来确定流到输入端子Ch_l中的泄漏电流ib，将所述压降测量为输出端子 Sel_Ch_d之间的电压差。这样，图4所示的实施例提供了与提供给关联于具体通道的两个输入端子(例如输入端子Ch_la和Ch_ld)的泄漏电流有关的信息。本实施例不测量泄漏电流ia和id，并且只在一定程度上知道提供给输入端子 Ch_la和Ch_ld的实际泄漏电流，即测量的泄漏电流ib和ic对于其余总线可以有贡献。三端或四端子传感器装置与特定输入通道相连的应用可能要求知道通过那些附加总线的泄漏电流(如图5所示)。然而，流到端子Ch_la和Ch_ld中的泄漏电流的主要部分分别对泄漏电流ib和ic有贡献，而与泄漏电流ia和ib以及泄漏电流ic和id的组合相反。分别基于泄漏电阻器R_lb和R_lc两端所测量到的压降来知道泄漏电流ib和ic。再次地，这分别对开关S_2b和S_2c两端的大电势以及开关SJa和S_2d两端相对小的电势做出贡献， 其结果是相对小的泄漏电流ia和id。作为其结果，基于泄漏感测电阻器R_lb和R_lc两端测量的电压差而估计的泄漏电流精确地描绘了流到输入端子Ch_la和Ch_ld中的泄漏电流。计算泄漏电流对于输入端子Ch_la和Ch_ld之间电压的影响要求知道高侧电阻(Rh_l)和低侧电阻(Rl_l)。在一个实施例中，热电耦双端的常规双线欧姆测量允许单独地确定高侧电阻和低侧电阻之间的比率，所述常规双线欧姆测量与对器件类型的知识相结合来测量与器件相关联的总电阻，这确定了高侧电阻和低侧电阻之间的比率。要向具有已知高侧电阻和低侧电阻的热电耦装置增加的补偿由以下的示例性等式来限定Vcomp = _ib*Rh_l+ic*Rl_l 等式 1使用等式1计算的电压补偿考虑了对流过高压侧电阻器Rh_l的泄漏电流有贡献的压降以及对流过低侧电阻器的泄漏电流ic有贡献的压降。为了检测由于泄漏电流的存在导致的传感器完整性损失，知道与输入端子之一处的泄漏电流有关的信息一般是足够的。利用与流到输入通道的每一个端子中的泄漏电流有关的信息、以及与高压侧电阻Rh_l和低压侧电阻有关的知识，可以补偿泄漏电流对于输入端子Ch_la和Ch_ld处提供的电压的影响。通过A/D转换器14将由多路复用器M提供的输出转换为数字值并且提供给控制器16，所述输出包括表示传感器信号(例如输出端子Sel_Ch_d之间的电压差) 的输出以及表示相应泄漏感测电阻器两端的压降(例如，输出端子kl_Ch_a和Sel_Ch_b 之间以及输出端子Sel_Ch_C*Sel_Ch_d之间的电压差)的输出。基于所提供的输出，控制器16计算由与所选择的通道相连接的传感器所测量的过程变量(在这种情况下，通过热电耦测量的温度)，并且基于计算的泄漏电流来补偿测量的传感器信号(例如，如等式1所示)。这种方法的益处在于不管是否存在对传感器信号的完整性造成危害的泄漏电流，本发明都能够提供补偿来校正检测到的泄漏电流的存在。可以关于每一个输入通道执行类似的操作。取决于应用，都表示相对昂贵的操作的A/D转换器14和控制器16只可以周期性地查看与多个输入的每一个相关联的泄漏电流，将前次计算的补偿信号施加给所述传感器信号。因为增大泄漏电流的因素(例如温度和传感器-传感器电势)典型地缓慢变化，这一般是可接受的。然而在其他应用中，关于每一个所选择的通道来监视的泄漏电流可以是有益的。通过连续地更新提供给传感器信号的补偿，这改善信号的精度。图5是更加详细地示出了泄漏电流检测多路复用器(这里标记为多路复用器沈) 的另一个实施例的电路图。与关于图4所述的多路复用器相比较，多路复用器沈包括与每一个通道相关联的附加总线和附加泄漏感测电阻器，用于测量进入多路复用器沈的输入端子的泄漏电阻器。多路复用器沈包括多个输入端子Ch_lb、Ch_lf、ChJb和Ch_2f，多个开关 S_la、S_lb、S_lc、S_ld、S_le、S_lf、S_2a、S_2b、S_2c、S_2d、S_2e 禾口 S_2f，多个泄漏感测电阻器R_la、R_lc、R_ld、R_le,R_2a, R_2c、R_2d和R_2e，以及组成公共输出通道的多个输出端子 Sel_Ch_a、kl_Ch_b、Sel_Ch_cJel_Ch_cUel_Ch_e 和 Sel_Ch_f。再次对组件加以标记以指示与组件相关联的输入通道和输出端子。附加总线允许多路复用器沈提供与每个通道采用四个端子的传感器相关联的泄漏电流检测。例如，尽管这里将传感器18a示出为是热电耦装置，也可以使用电阻随温度变化的电阻温度装置(RTD)来代替所述传感器。RTD装置可以是三端装置或四端装置。在四端装置中，经由两个端子将电流提供给RTD装置。其余两个端子是高阻路径，用于测量响应于所提供的电流在RTD两端产生的电压。利用已知的电流，将测量的电压用于确定RTD的电阻，并且因此确定装置的相应温度。在该实施例中，和泄漏电流与每一个总线相关联的前述实施例相反，只对每一个输入端子处提供的泄漏电流加以标记。因此，将泄漏电流il和i2提供在端子Ch_2b和 Ch_lb之间，并且将泄漏电流i3和i4提供在端子Ch_2f和Ch_lf之间。为了选择具体的输入通道来提供多路复用器沈的公共输出通道，接通与所选择的输入通道相关联的每一个开关。在图5所示的示例中，接通开关S_la、S_lb、S_lc、S_ld、 S_le和S_lf以选择通道Ch_l。相反地，断开(或保持断开)与未选择通道相关联的开关以将选择的通道与未选择的通道隔离。如上所述，泄漏电流可以在选择的通道和未选择的通道之间形成(develop)。在该实施例中，泄漏电流可以在多个总线的每一个之间形成，但是在与开关S_lb和Sl_f相关联的总线中，泄漏电流一般是微弱的。例如，开关S_2f连接在开关SJe和电阻器RJe之间。当断开开关SJe时(即高阻抗)，将传感器-传感器电压Vs-s的主要部分提供在开关S_2e两端，使得开关S_2f具有最小的压降。结果，经由开关S_2f向开关S_lf提供最小的泄漏电流。这也适用于开关S_2b，向开关S_lb提供很少或者几乎不提供泄漏电流。紧记这种现象，可以通过分别测量泄漏感测电阻器R_la、R_lc、R_ld和R_le两端的电压来精确地确定泄漏电流i 1、i2、i3和i4。可以通过经由输出端子Ch_Sel_a和Chk 1_ b测量电流感测电阻器R_la任一侧上的电压来确定泄漏电流il。将泄漏感测电阻器R_la 两端的测量电压与对电阻器R_la的电阻值的知识相结合允许确定泄漏电流il。同样地，通过经由输出端子Ch_Sel_b和Ch_Sel_c测量电流感测电阻器R_lc任一侧上的电压来确定泄漏电流i2。电阻器R_ld和R_le类似地用于测量流到输入端子Ch_lf中的泄漏电流i3 和i4。将泄漏电流il和i2相合并以确定流入到输入端子Ch_lb中的泄漏电流，将泄漏电流i3和i4相合并以确定流入到输入端子Ch_lf中的泄漏电流。如上所述，将在输出端子Sel_Ch_a、Sel_Ch_b> Sel_Ch_c、Sel_Ch_d、Sel_Ch_e 禾口 Sel_Ch_f处提供的电压值提供给A/D转换器14，转换为数字值，并且提供给控制器16(例如图1所示的控制器16)进行分析。例如，传感器值是基于在输出端子kl_Ch_b和 Ch_f之间提供的电压差。泄漏电流il是基于在输出端子Sel_Ch_a和Sel_Ch_b之间提供的电压差，并且泄漏电流i2、 3和i4是基于在泄漏感测电阻器R_lc、R_ld和R_le两端测量的相应电压差。基于所提供的输出，控制器16对通过与选择的通道相连接的传感器测量的过程变量(例如通过传感器装置18测量的温度)进行计算，并且确定泄漏电流的幅度是否已经对多路复用器输出的完整性造成了危害。知道流入到每一个端子的泄漏电流的幅度是有益的，因为其允许控制器16更好地确定泄漏电流对于感测到的过程变量的影响。此外，知道流入到两个输入端子中的泄漏电流使得控制器可以计算增加至由所选择的传感器提供的输出的补偿信号(例如电压)，以便对提供给传感器装置18a的相应引线的泄漏电流的影响进行补偿。附加的总线允许关于包括多个端子的输入通道(例如与RTD 装置相连的输入通道)测量泄漏电流。这种方法的益处在于不管是否存在将对传感器信号的完整性造成危害的泄漏电流，本发明能够提供补偿来对所检测的泄漏电流的存在进行校正。在典型实施例中，控制器16采用以下等式来计算将要施加至传感器输出的补偿，该传感器输出由具有引线阻抗Rh_l和的热电耦提供。如关于等式1所讨论的，在热电耦装置的情况下，要求知道高侧电阻Rh_i值和低侧电阻值以进行补偿计算。Vcomp = -((il+i2)*Rh_l+i2*R_lc) + ((i3+i4)*Rl_l+i3*R_ld))等式 2
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如等式2所示计算的电压补偿考虑了泄漏电流对以下的影响可对泄漏电流i 1和 i2有贡献的高侧电阻器两端的压降和可对泄漏电流i2有贡献的感测电阻器R_lc两端的压降、以及可对泄漏电流i3和i4有贡献的低侧电阻器两端的压降和可对泄漏电流i3有贡献的感测电阻器R_ld两端的压降。可以关于每一个输入通道执行类似的操作。取决于应用，表示相对昂贵的操作的 A/D转换器14和控制器16可以只是周期性地查看与多个输入的每一个相关联的泄漏电流， 将之前计算的补偿信号施加到传感器新哈。因为增大泄漏电流的这些因素典型地缓慢变化，这一般是可接受的。在其他应用中，监视关于每一个选择的通道的泄漏电流可以是有益的。这通过连续地更新提供给传感器信号的补偿改进了信号的精度。尽管已经参考具体实施例描述了本发明，本领域普通技术人员应该认识到可在不脱离要求权利的本发明范围的情况下可以进行形式和细节上的变化。例如，可以将本发明的多路复用器配置为与除了关于图2A、2B、4和5所述的简单双端热电耦之外的装置通信。 一些装置要求关于每一个输入通道的附加输入端子。作为其结果，多路复用器将包括与每一个输入端子相连的附加总线以及和与具体通道相关联的每一个输入进行通信的附加输出端子。为了测量与一个或多个端子相关联的泄漏电流，将要求关于一个或多个输入端子的附加泄漏感测电阻器。也将要求附加的总线，以便测量每一个所提供的泄漏感测电阻器两端的压降。此外，每一个实施例描述了作为独立组件的多路复用器、A/D转换器和控制器，但是本领域普通技术人员将认识到可以将这些组件作为单独的元件结合在一起。例如，可以使用专用集成电路(ASIC)或类似装置来实现由这些组件的每一个执行的功能。
权利要求
1.一种配置用于检测泄漏电流的多路复用器，所述多路复用器包括多个输入通道，每一个输入通道能够可操作地连接到多个输入器件之一； 公共输出通道，连接到所述多个输入通道的每一个； 多个总线，将所述多个输入通道的每一个与公共输出通道相连接； 与每一个输入通道相关联的多个开关，所述多个总线的每一个包括所述多个开关之一，其中，所述多个开关的选择性控制确定了在公共输出通道上提供所述多个输入通道的哪一个；以及连接到与所述多个总线之一的至少一个泄漏感测电阻器，其中，所述多个总线和开关配置用于在公共输出通道处提供来自与所选择的输入通道相关联的输入器件的感测数据以及所述泄漏感测电阻器两端的测量电压，所述测量电压对与所选择的输入通道相关联的泄漏电流进行指示。
2.根据权利要求1所述的多路复用器，还包括其中，所述多个输入通道的每一个均包括第一输入端子和第二输入端子；以及公共输出通道包括第一输出端子、第二输出端子和第三输出端子。
3.根据权利要求2所述的多路复用器，其中，与每一个输入通道相关联的多个开关包括第一开关，用于将所述第一输入端子选择性地连接到所述第一输出端子； 第二开关，用于将所述第二输入端子选择性地连接到所述第三输出端子；以及第三开关，用于将所述泄漏感测电阻器选择性地连接在所述第二输入端子和所述第二输出端子之间，其中，将所述泄漏感测电阻器两端的电压提供为所述第二输出端子和所述第三输出端子之间的电压差。
4.根据权利要求3所述的多路复用器，其中，所述第二开关具有连接在所述第二输入端子和所述第三开关之间的第一侧以及连接到所述第三输出端子的第二侧。
5.根据权利要求3所述的多路复用器，其中，所述第二开关具有连接在所述第三开关和所述泄漏感测电阻器之间的第一侧。
6.根据权利要求1所述的多路复用器，还包括其中，所述多个输入通道的每一个均包括多个输入端子； 所述公共输出通道包括多个输出端子；以及所述至少一个泄漏感测电阻器连接在与每一个输入通道相关联的所述多个输入端子的每一个和所述多个输出端子之一之间，其中，所述多个输出端子提供在与所选择的输入通道相关联的每一个泄漏感测电阻器的两端测量的电压，所述测量的电压对与所述多个输入端子的每一个相关联的泄漏电流进行指示。
7.根据权利要求6所述的多路复用器，还包括其中，所述多个输入端子包括第一输入端子和第二输入端子；以及所述多个输出端子包括第一输出端子、第二输出端子、第三输出端子和第四输出端子。
8.根据权利要求7所述的多路复用器，其中，与每一个输入通道相关联的多个开关包括第一开关，用于将所述第一输入端子选择性地连接到所述第一输出端子； 第二开关，用于将第一泄漏感测电阻器选择性地连接在所述第一输入端子和所述第二输出端子之间，其中，基于所述第一输出端子和所述第二输出端子之间的电压差来确定流入到第一端子中的第一泄漏电流；第三开关，用于将所述第二输入端子选择性地连接到所述第三输出端子；以及第四开关，用于将第二泄漏感测电阻器选择性地连接在所述第二输入端子和所述第四输出端子之间，其中，基于所述第三输出端子和所述第四输出端子之间的电压差来确定流入到第二端子中的第二泄漏电流。
9.根据权利要求6所述的多路复用器，还包括其中，所述多个输入端子包括第一输入端子和第二输入端子；以及所述多个输出端子包括第一输出端子、第二输出端子、第三输出端子、第四输出端子、 第五输出端子和第六输出端子。
10.根据权利要求9所述的多路复用器，其中，与每一个输入通道相关联的多个开关包括第一开关，用于将所述第一输入端子选择性地连接到所述第一输出端子； 第二开关，用于将第一泄漏感测电阻器选择性地连接在所述第一输入端子和所述第二输出端子之间，其中，基于所述第一输出端子和所述第二输出端子之间的电压差来确定流入到第一端子中的第一泄漏电流；第三开关，用于将第二泄漏感测电阻器选择性地连接在所述第一输入端子和所述第三输出端子之间，其中，基于所述第二输出端子和所述第三输出端子之间的电压差来确定流入到第一端子中的第二泄漏电流。第四开关，用于将所述第二输入端子选择性地连接到所述第四输出端子； 第五开关，用于将第三泄漏感测电阻器选择性地连接在所述第二输入端子和所述第五输出端子之间，其中，基于所述第四输出端子和所述第五输出端子之间的电压差来确定流入到第二端子中的第三泄漏电流；以及第六开关，用于将第四泄漏感测电阻器选择性地连接在所述第二输入端子和所述第六输出端子之间，其中，基于所述第四输出端子和所述第六输出端子之间的电压差来确定流入到第二端子中的第四泄漏电流。
11.一种多路复用的输入/输出I/O系统，包括泄漏检测多路复用器，用于提供从多个输入通道之一选择的传感器输出以及对与所选择的输入通道相关联的泄漏电流进行指示的泄漏输出；以及控制器，用于当对泄漏电流进行指示的输出超过阈值时产生通知，所述阈值指示与所选择的输入通道相关联的完整性损失。
12.根据权利要求11所述的多路复用的I/O系统，其中，所述泄漏检测多路复用器包括与所述多个输入通道的每一个相关联的多个输入端子，所述泄漏输出指示与所述多个输入端子的至少一个相关联的泄漏电流。
13.根据权利要求11所述的多路复用的I/O系统，其中，所述泄漏检测多路复用器包括与所述多个输入通道的每一个相关联的多个输入端子，所述泄漏输出指示与关联于具体输入通道的多个输入端子的每一个相关联的泄露电流。
14.根据权利要求13所述的多路复用的I/O系统，其中，所述控制器基于相对于所述多个输入端子的每一个而提供的泄漏输出来计算补偿信号，以及将所述补偿信号与所述传感器输出相加，以产生考虑检测到泄漏电流存在的已补偿的传感器输出。
15.根据权利要求14所述的多路复用的I/O系统，其中，所述控制器还基于与连接到所选择的输入通道的传感器的类型有关的信息以及与连接到所选择的输入通道的传感器相关联的电阻值来计算补偿信号，以确定所监视的泄漏电流对于由多路复用器提供的传感器输出的影响。
16.根据权利要求11所述的多路复用的I/O系统，其中，所述泄漏检测多路复用器包括至少一个泄漏感测电阻器，连接到所述多个输入通道的每一个，其中，所述泄漏输出表示与所选择的输入通道相关联的泄漏感测电阻器两端的电压。
17.—种配置用于检测泄漏电流的多路复用器，所述多路复用器包括多个输入通道，能够可操作地连接到多个输入器件，所述多个输入通道的每一个均包括多个输入端子，所述多个输入端子用于将每一个输入通道与所述输入器件之一相连；公共输出通道，连接到所述多个输入通道的每一个，所述公共输出通道具有多个输出端子；多个总线，将所述多个输入通道的每一个与公共输出通道的输出端子相连接；多个开关，与每一个输入通道相关联，所述多个总线的每一个包括所述多个开关之一， 其中，所述多个开关的选择性控制确定了在公共输出通道上提供所述多个输入通道的哪一个；以及与所述多个输入通道的每一个相关联的多个泄漏感测电阻器，其中，所述泄漏感测电阻器连接在与每一个输入通道相关联的多个输入端子的每一个和多个输出端子之一之间； 以及其中，所述多个输出端子提供在所选择的输入通道的输入端子处接收到的信号以及在与所选择的输入通道相关联的泄漏感测电阻器的每一个两端测量的电压，所述测量的电压对与所述多个输入端子的每一个相关联的泄漏电流进行指示。
18.根据权利要求17所述的多路复用器，还包括模数转换器，用于转换在所述输出端子处提供的输出，所述输出包括对泄漏到与所选择的通道相关联的多个输入端子的每一个中的泄漏电流进行指示的测量电压；控制器，用于接收由所述模数转换器提供的输出，其中，所述控制器基于所述测量的电压确定与所述多个输入端子的每一个相关联的泄漏电流。
19.根据权利要求18所述的多路复用器，其中，所述控制器基于检测到的与所述多个输入端子的每一个相关联的泄漏电流来确定是否产生对与所选择的输入通道相关联的完整性损失进行指示的通知。
20.根据权利要求18所述的多路复用器，其中，所述控制器基于检测到的与所述多个输入端子的每一个相关联泄漏电流来计算补偿信号，将所述补偿信号与传感器输出相加以考虑所检测的泄漏电流对于在所选择的输入通道上提供的传感器输出的影响。
21.根据权利要求20所述的多路复用器，其中，所述控制器基于连接到所选择的输入通道的传感器的类型以及与连接到所选择的输入通道的传感器相关联的电阻值，计算所检测的泄漏到每一个输入端子中的泄漏电流对于在所选择的输入通道上提供的传感器输出的影响。
全文摘要
多路复用的输入/输出(I/O)系统检测所选择的输入信道上的泄漏电流。所述系统包括泄漏检测多路复用器，连接用于提供从多个输入信道之一选择的输出。此外，所述泄漏检测多路复用器提供与所选择的输入信道相关联的测量的泄漏电流作为输出的一部分。基于检测的泄漏电流，可以进行与检测的泄漏电流是否对多路复用器输出造成危害有关的确定。此外，可以将检测的泄漏电流用于补偿由多路复用器提供的输出，以考虑泄漏电流的存在对于所选择信道的影响。
文档编号H03K17/693GK102474252SQ201080026925
公开日2012年5月23日 申请日期2010年8月24日 优先权日2009年9月4日
发明者安德鲁·詹姆斯·布隆科兹卡, 杰森·哈洛德·鲁德, 查尔斯·埃德温·格茨辛格尔 申请人:罗斯蒙德公司