專利名稱:信息調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及在煉油、石油化學(xué)、煉鋼、及造紙等工業(yè)中遇到的多種工業(yè)生產(chǎn)過程的控制設(shè)備中使用的信號調(diào)節(jié)器(Signal conditioner)(也叫信號變換器(Signal converter))。
在煉油、石油化學(xué)、煉鋼及造紙等工業(yè)的生產(chǎn)過程里要處理原料和使用燃料。在這些過程,在工廠的不同部位的溫度、流率(flow rate)、壓力、液面水位(liguid level)、以及其他參數(shù)由傳感器來測量。通過控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)(actuator)(如閥門)等工廠輔助設(shè)備使上述參數(shù)保持在適當(dāng)范圍內(nèi)。這對于以統(tǒng)一質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來生產(chǎn)商業(yè)產(chǎn)品是很重要的。為了提供這種控制,一種主要由計(jì)算機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛接受。
圖24顯示出上面提到的信號調(diào)節(jié)器在上述控制系統(tǒng)中的位置。圖中給出信號調(diào)節(jié)器4用于接收信號,另一個(gè)信號調(diào)節(jié)器5用于發(fā)送信號。首先來描述這些信號調(diào)節(jié)器的作用。接收信號調(diào)節(jié)器4接收來自傳感器(transmitter)6的輸出信號SA,并對它進(jìn)行算術(shù)處理,以轉(zhuǎn)換成易于被主要由計(jì)算機(jī)構(gòu)成的控制單元1來處理的形式。發(fā)送信號調(diào)節(jié)器5將來自控制單元1的控制信號轉(zhuǎn)換成適于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男盘朣B,例如轉(zhuǎn)換成圖6所示的4到20毫安的電流信號。
在過程控制系統(tǒng)領(lǐng)域,由測量得到的信號SA以及用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)7的信號SB是通常使用的兩個(gè)信號。這些信號的電流一般在4到20毫安范圍內(nèi)。在這些信號中,4毫安代表0%,而20毫安代表100%。例如,當(dāng)由測量產(chǎn)生4毫安信號SA,則稱所測壓力為0;當(dāng)產(chǎn)生的信號SA為20毫安時(shí),則稱所測壓力給出滿量程讀數(shù)。如果用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號SB為4毫安,則閥門完全關(guān)閉。如果信號SB為20毫安,則閥門完全打開。用4毫安代表0%而不用零毫安代表0%的理由在于要把切斷傳輸線路產(chǎn)生0毫安電流與0%區(qū)分開。通常,可將這種4毫安至20毫安的信號看作是低頻信號,它隨著被處理量或執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制量而緩慢變化。
現(xiàn)在參考圖24來描述信號調(diào)節(jié)器的現(xiàn)有技術(shù)。傳感器6裝在位于過程控制系統(tǒng)中的管道(tube)內(nèi)。例如,傳感器6測量管中所含液體的壓強(qiáng),并把壓強(qiáng)值變換成模擬電信號SA。接收信號調(diào)節(jié)器4對傳感器6輸入的模擬信號SA進(jìn)行算術(shù)處理,將信號變換成易于被控制單元1處理的形式。調(diào)節(jié)器4的輸出被模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)2變換成數(shù)字形式提供給控制單元1。
現(xiàn)在給出兩個(gè)由接收信號調(diào)節(jié)器4對模擬信號進(jìn)行算術(shù)操作的例子。其例一是由傳感器6測量壓強(qiáng),該傳感器將所測得的壓強(qiáng)值轉(zhuǎn)換成電信號SA,例如在4到20毫安之間。對于主要由計(jì)算機(jī)構(gòu)成的控制單元1而言,只有數(shù)字編碼信號(下之中簡稱作數(shù)字信號)才能被它所理解的。4至20毫安的模擬信號是不能被控制單元所理解。通常,應(yīng)對模-數(shù)轉(zhuǎn)換器2提供0到5伏的電壓信號。如果對它加一個(gè)4到20毫安的電流,它不能將該電流變換成數(shù)字形式。所以,接收信號調(diào)節(jié)器4對其輸入的模擬信號或者說4到20毫安的電流信號SA進(jìn)行算術(shù)處理,變換成1到5伏的電壓信號。
其例2這里傳感器6是一個(gè)溫度傳感器,是使用電熱耦構(gòu)成的傳感器單元,它產(chǎn)生幾毫伏的熱電動(dòng)勢(力)作為信號SA。因?yàn)檫@個(gè)熱電動(dòng)勢是一個(gè)小電壓,轉(zhuǎn)換器2不能把它作為輸入信號精確地轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。再有,熱電動(dòng)勢的幅度與溫度沒有線性關(guān)系,所以信號SA本身不直接代表溫度。接收信號調(diào)節(jié)器4將來自熱電耦的熱電動(dòng)勢放大到能被轉(zhuǎn)換器2處理的適當(dāng)電平。然后,信號SA,或者說熱電動(dòng)勢,被轉(zhuǎn)換成與溫度有線性關(guān)系的信號。這一過程叫做線性化。
控制單元1根據(jù)經(jīng)由接收調(diào)節(jié)器4提供給它被測信號完成算術(shù)操作,以適當(dāng)?shù)乜刂破溥^程。所得到的數(shù)字編碼信號被送到數(shù)/模轉(zhuǎn)換器3,在那里信號被轉(zhuǎn)換成模擬量形式。將生成的模擬信號饋送到發(fā)送信號調(diào)節(jié)器5,在那里對模擬信號進(jìn)行算術(shù)處理,將其轉(zhuǎn)換成4到20毫安的被發(fā)送信號SB。這個(gè)信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)7。例如一個(gè)閥門來控制適當(dāng)?shù)牧魉僦怠?br>
對接收信號調(diào)節(jié)器4配有一個(gè)電源(圖24中未畫出)。具體地說,傳感器6一般需要一個(gè)電源(例如24伏)來運(yùn)行它本身。接收信號調(diào)節(jié)器4也需要配有一個(gè)電源。
如上述構(gòu)成的現(xiàn)有技術(shù)的信號調(diào)節(jié)器有下述缺點(diǎn)(1)必須備有很多種類型的信號調(diào)節(jié)器。特別是需要有多種傳感器6和執(zhí)行機(jī)構(gòu)7以便適當(dāng)?shù)乜刂圃摴S。例如,要將測量溫度的傳感器、測量流速的傳感器、以及測量壓強(qiáng)的傳感器與工廠中各種具體位置聯(lián)系在一起。將它們各個(gè)測得的值變換成具有不同形式的各自的輸出信號,例如毫伏級電壓、4到20毫安的電流、以及10到15毫安的電流。所以,為了將所使用的各種模擬信號經(jīng)過上述算術(shù)處理后變換成同一種信號,例如1到5伏的電壓,接收信號調(diào)解器4就需要分別適用于這些傳感器的輸出的各個(gè)信號形式。此外,一個(gè)傳感器需要一個(gè)24伏直流(DC)電源,另一個(gè)傳感器需要4毫安的恒流源,等等。結(jié)果,各種電源以及各種輸出形式的組合數(shù)量是太大了。這樣,就必須使信號調(diào)節(jié)器4對于不同的組合有同一類型。同樣,還需要配備相當(dāng)多種類型的發(fā)送信號調(diào)節(jié)器5,因?yàn)橛煽刂茊卧?提供的控制信號要分別與所連接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求的信號形式相匹配。就是說,在現(xiàn)有技術(shù)中,必須分別配備各種接收信號調(diào)節(jié)器4和各種發(fā)送信號調(diào)節(jié)器5。
(2)現(xiàn)有的信號調(diào)節(jié)器缺乏靈活性而且不易于修改。在過程控制領(lǐng)域,技術(shù)指標(biāo)是會(huì)被改變的。然而,如果處理一個(gè)模擬輸入信號的電路的輸入條件(condition)和輸出條件改變了,那么該電路的設(shè)計(jì)必須改變或者某些部件必須替換,以適應(yīng)輸入輸出條件的改變。就是說,現(xiàn)有技術(shù)的信號調(diào)節(jié)器4或5不能適應(yīng)電路的修改。由于這一原因,每當(dāng)輸入或輸出條件變化時(shí),必須配備專用的硬件裝置。因此,它們不能迅速地適應(yīng)技術(shù)指標(biāo)的變化。
(3)現(xiàn)有技術(shù)的信號調(diào)節(jié)器不適于制造成集成電路(IC)的形式。因?yàn)榇嬖谥罅康牟考?,所以不能?shí)現(xiàn)微型化。在過去,電測量得到的模擬信號以及由傳感器6提供的模擬信號或來自控制單元1的模擬信號都經(jīng)過算術(shù)處理,以轉(zhuǎn)換成所需形式的輸入信號。雖然已經(jīng)存在對模擬信號進(jìn)行算術(shù)操作的模擬集成電路,但需要輸入電阻、反饋電阻、電容以及其他外加部件與這些集成電路相連,因此不可能顯著減少部件的數(shù)量。就是說,如果將它們制成集成電路,得不到什么好處。因此,必須完成對模擬信號算術(shù)操作的現(xiàn)有信號調(diào)節(jié)器不適合于制造成集成電路形式。
(4)現(xiàn)有技術(shù)的信號調(diào)節(jié)器不能合適地適應(yīng)于具有通訊功能的傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。近年來,提出了一種要求,要求傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有通訊功能,以提供更適當(dāng)?shù)倪^程控制。我們現(xiàn)在來描述一種具有通訊功能的傳感器。通常的傳感器測量溫度、流速、壓強(qiáng)、液面高度(liquid level)或其他類似的量,并將其變換成4至20毫安的低頻信號。具有通訊功能的傳感器攜帶有該傳感器當(dāng)前測量范圍的信息,該信息是過程控制系統(tǒng)發(fā)出的由調(diào)制波送到傳感器的。利用多路傳輸技術(shù)將這種調(diào)制級與上述低頻信號一起送到控制單元1。這就是說,該傳感器具有智能功能。這種調(diào)制可通過頻率調(diào)制、頻移鍵控(FSK)、或其他方法來實(shí)現(xiàn)。
為了適應(yīng)產(chǎn)生載有多路通訊信息的信號的這種傳感器,其接收信號調(diào)節(jié)器4必須配備解調(diào)器。類似地,發(fā)送信號調(diào)節(jié)器5必須有一個(gè)調(diào)制器,以使其適應(yīng)于能夠接收載有多路通訊信息的信號的那種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如在上述第(1)項(xiàng)中已經(jīng)描述過的,必須提供多種類型。此外,如果對于可能具有或可以能不具有多路通訊信息的各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同組合都予以考慮,那么信號調(diào)節(jié)器的種類真是太多了。因此,它們不適合于工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供的信號調(diào)節(jié)器的種類少,比如說只有一種,但卻能夠適用于各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明的另一目的是所提供的信號調(diào)節(jié)器當(dāng)輸入輸出條件改變時(shí)其本身能適應(yīng)于修改,不需要改變硬件而只改變軟件就可以了。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種信號調(diào)節(jié)器,它的大部分能被制成集成電路形式,使附加在集成電路外部的元器件大量減少。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供的信號調(diào)節(jié)器,種類少,(比如說只有一種),但卻能夠適用于載有多路通訊信息的傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu),也能適用于不載有多通訊信息的傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
因?yàn)橛懈鞣N傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)與信號調(diào)節(jié)器相連,必須選擇適于來自的連傳感器的輸出信號形式以及適于所連執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入信號形式的信號轉(zhuǎn)換功能。根據(jù)本發(fā)明的信號調(diào)節(jié)器具有完成主要功能的共同硬件部分。這些功能被軟件所修改。
新的信號調(diào)節(jié)器的接收器部分將來自傳感器的每個(gè)輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。然后,對所得到的數(shù)字信號進(jìn)行各種算術(shù)操作,以分離和提取出輸入信號中包含的量值及通訊信息,這些量值是由測量得到的。算術(shù)操作的內(nèi)容能在控制單元指令的指揮下由軟件來改變。
根據(jù)本發(fā)明,只需配備少數(shù)幾種信號調(diào)節(jié)器,也就是說,只用少數(shù)幾種硬件就能適應(yīng)于相當(dāng)多種類的傳感器,敏感器件(sensor)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
通過下文結(jié)合附圖所作的詳細(xì)描述,將能更好地了解信號調(diào)節(jié)器,從而將易于理解本發(fā)明的其他目的和許多伴隨的優(yōu)點(diǎn)。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種信號調(diào)節(jié)器的框圖;
圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一種信號調(diào)節(jié)器的框圖;
圖3是圖1和圖2所示信號調(diào)節(jié)器中使用的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的框圖;
圖4中的(a)和(b)為多路信號的波形圖;
圖5中的(a)和(b)是說明FSK(頻移被控)調(diào)制的圖;
圖6表示由測量得到的信號;
圖7表示模-數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效能與頻率的關(guān)系;
圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一種信號調(diào)節(jié)器的框圖;
圖9是圖8所示電源部分92及圖1、2、8所示輸入電路51的幾個(gè)具體實(shí)例的電路圖;
圖10是與圖9類似的電路圖,但在圖10中,原在圖9中所示的開關(guān)SW3已切換到另一個(gè)狀態(tài),同時(shí)還作了一些修改;
圖11與圖9相似,但作了某些修改;
圖12與圖11相似,但作了某些修改;
圖13與圖10相似,但作了某些修改;
圖14是根據(jù)本發(fā)明的又一種信號調(diào)節(jié)器;
圖15是圖14所示電源部分92及其周圍部分的電路圖;
圖16是圖15所示電路內(nèi)部各部位產(chǎn)生的信號的時(shí)序圖;
圖17是圖15所示電路的一種修改圖;
圖18是根據(jù)本發(fā)明的又一種信號調(diào)節(jié)器的方框圖;
圖19的(a)和(b)給出產(chǎn)生電壓輸出信號的傳感器和敏感部件的波形圖;
圖20表示圖8所示DC/DC轉(zhuǎn)換器的操作;
圖21是圖1所示ADC52周圍電路的一種修改圖;
圖22是圖21所示電路中各個(gè)部位產(chǎn)生信號的時(shí)序圖;
圖23表示圖21所示電路中兩個(gè)低通濾波器的衰減特性;
圖24表示信號調(diào)節(jié)器在一個(gè)控制系統(tǒng)中的位置;
圖25是圖1、8、14、18中所示DAC69的方框圖。
現(xiàn)參考圖1,圖1中給出本發(fā)明的一個(gè)信號調(diào)節(jié)器。這個(gè)調(diào)節(jié)器(由參考數(shù)的50代表)包括控制單元1、傳感器6以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)7,它們與結(jié)合圖24所描述過的對應(yīng)部分相似。這個(gè)信號調(diào)節(jié)器50結(jié)合了圖24所示的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)2的功能、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)3的功能、接收信號調(diào)節(jié)器4的功能以及發(fā)送信號調(diào)節(jié)器5的功能。
這個(gè)信號調(diào)節(jié)器50還包括輸入端口P1、P2、P7、P8及輸出端口P3、P4、P5、P6。相應(yīng)于圖24所示接收信號調(diào)節(jié)器4和模數(shù)轉(zhuǎn)換器2的接收電路,位于輸入終端P1、P2與輸出終端P3、P4之間。發(fā)送電路部分相應(yīng)于圖24所示的發(fā)送信號調(diào)節(jié)器5和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)3,位于輸入終端P7、P8和輸出終端P5、P6之間。有一條線(圖中未畫出)從圖1所示的信號調(diào)節(jié)器連接到傳感器6,以向它提供直流電源。需指出的是,在圖1中未畫出電源部分。執(zhí)行機(jī)構(gòu)7由外電路68提供電流。如果所述電流為4毫安,則產(chǎn)生4到20毫字的輸出信號。
接收電路部分接收來自傳感器6的輸出信號和通訊信息,并將其送到控制單元1。傳感器6的輸出信號指出測量得到的值?,F(xiàn)在來描述這一接收電路部分的結(jié)構(gòu)。接收電路部分有一個(gè)輸入電路51,它的作用是將電流變換成電壓,并變換阻抗。將電流變換成電壓的電路可以由例如一個(gè)電阻來實(shí)現(xiàn)。變換阻抗的功能可以由運(yùn)算放大器來得到。具體地說,在這個(gè)模擬電路51中,經(jīng)過一個(gè)電阻R將傳感器6提供的電流信號SA轉(zhuǎn)換成電壓,它又被圖21所示的可變增益放大器放大。這個(gè)運(yùn)算放大器的增益是根據(jù)控制單元1的指令來改變的。當(dāng)傳感器6是一個(gè)帶有熱電耦換能元件的測溫儀器時(shí),作為電流-電壓轉(zhuǎn)換器的電阻R(圖21)在控制單元1的指令控制下與該電路斷開。然后,通過操作圖21所示的開關(guān)136,將可變增益放大器的增益切換到較高值。根據(jù)本發(fā)明,對輸入電路51只安排了最小功能,也就是說,它只有放大功能。下文中描述的數(shù)字信號處理部分將完成算術(shù)操作。
在描述的一新設(shè)備時(shí),假定由測量得到的值或執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號以及通訊信息是被多路組合的(multiplexed),并假定該多路組合信號在控制站點(diǎn)10(見圖24)和過程控制系統(tǒng)之間傳送。這種多路組合可以是圖4(a)所示的頻分制多路組合,也可以是圖4(b)所示的時(shí)分制多路組合。在圖4(a)所示的頻分制多道組合中,F(xiàn)SK調(diào)制波與4至20毫安的低速信號迭加在一起,該低速信號指示出由測量得到的值。在圖4(b)所示時(shí)分制多路組合中,將時(shí)間分成許多時(shí)隙(slot)。例如,F(xiàn)SK調(diào)制波在t1和t2之間以及t3和t4之間的時(shí)間內(nèi)被傳送,而低速信號在t2和t3之間的時(shí)間周期內(nèi)被傳送。頻移鍵控(FSK)是一種信號傳送方法,其中用兩個(gè)不同的頻率f0和f1來代表二進(jìn)制零和二進(jìn)制一,用以代表要傳送的信息,如圖5所示。
在圖1中,給出了頻分制多路組合的被傳遞信號的波形。ADC(模-數(shù)轉(zhuǎn)換器)52將輸入電路51提供的每個(gè)被多路組合的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼信號SC。例如,圖4(a)所示合成波形m的振幅的每個(gè)瞬時(shí)值被ADC52順序轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼信號SC。所以,數(shù)字編碼信號SC含有的信息(例如A1和A2)指示了測量得到的值以及由FSK調(diào)制波攜帶的信息(圖5(a))。
前面提到的數(shù)字信號處理部分61分別從數(shù)字編碼信號SC中提取出低速分量和被調(diào)制信號分量(或者說高速信號分量)。對這兩個(gè)提取出來的分量進(jìn)行數(shù)字信號處理,從中提取出測量得到的值以及被傳送的信息。作為一個(gè)例子,數(shù)字信號處理部分61由數(shù)字帶通濾波器53、數(shù)字解調(diào)器54、數(shù)字低通濾波器55、測量部分56以及其他部分組成。例如,測量部分56由數(shù)字計(jì)算單元58、存貯器59、表60以及其他部分組成。解調(diào)器54提取被傳送的信息。測量部分56提取由測量得到的值。按剛才的描述所構(gòu)成的數(shù)字信號處理部分61能構(gòu)成一個(gè)數(shù)字信號處理器或類似設(shè)備。部件53-60的特性和功能可以被修改,例如,可由軟件來修改。
在上述數(shù)字信號處理部分61的后面加有接口64,它接收處理部分61的輸出信號S1和S2,并把信號S1和S2送到控制單元1。也就是說,接口64使信號處理部分61和控制單元1的數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)傳輸方法彼此匹配,從而使數(shù)據(jù)S1和S2從處理部分傳送到控制單元。例如,接口從數(shù)字解調(diào)器54接收串行數(shù)據(jù)S1,將其變換成并行數(shù)據(jù)S3送出。在圖1中,對每種數(shù)據(jù)S3和S4只有一個(gè)信號線,并且對每種數(shù)據(jù)S3和S4只有一個(gè)光耦合器(photocoupler)65或66。在實(shí)踐中,對每種數(shù)據(jù)組合使用多條信號線和多個(gè)光耦合器。
光耦合器65和66是一種隔離裝置,它防止來自過程控制系統(tǒng)的過大信號直接加到控制單元1上。光耦合器65產(chǎn)生一個(gè)接收信號S5,指示被傳送的信息。光耦合器66發(fā)送出一個(gè)測量信號S6,指示出由測量得到的值。
該設(shè)備還包括一個(gè)發(fā)送電路部分,它接收來自控制單元1的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號S9和一個(gè)傳輸信號S8,并把它們送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)7。信號S9指示被傳送的信息,而信號S8指示將執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制達(dá)到的量值?,F(xiàn)在來描述這一傳輸功能部分的結(jié)構(gòu)。光耦合器75和76的操作及優(yōu)點(diǎn)與光耦合器65和66相似。具體地說,這些光耦合器將信號S8和S9從控制單元1傳送給接口78并在它們之間提供電隔離。接口78在操作和優(yōu)點(diǎn)方面也與上述接口64相似。就是說,接口78使得數(shù)據(jù)類型和從控制單元1向第2個(gè)數(shù)字信號處理部分70傳送數(shù)據(jù)的傳送方法之間相互匹配,從而允許數(shù)據(jù)S8和S9從控制單元1傳送到信號處理部分70。其結(jié)果是圖1所示數(shù)據(jù)S10和S11從接口78的輸入/輸出(I/O)端73和74提供給數(shù)字信號處理部分70。雖然圖中給出的數(shù)據(jù)S10和S11有模擬波形,實(shí)際上它們是數(shù)字編碼信號。
該第2數(shù)字信號處理部分70接收來接口78的兩個(gè)數(shù)字編碼信號S10和S11,并對它們進(jìn)行算術(shù)處理部分70將數(shù)字編碼信號S11與另一個(gè)數(shù)字編碼信號S12相加(SUM up),產(chǎn)生一個(gè)組合的數(shù)字編碼信號S13。數(shù)字信號S11指示對控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作程度的一個(gè)量(相當(dāng)于4至20毫安)。而數(shù)字信號S12代表被調(diào)制信號的幅度。例如,這個(gè)數(shù)字信號處理部分70包括一個(gè)數(shù)字調(diào)制器72和一個(gè)數(shù)字加法器71。
數(shù)字調(diào)制器72根據(jù)輸入信號S10的二進(jìn)制狀態(tài)(即1或0)來產(chǎn)生指示頻率f1和f0信號振幅的每個(gè)瞬時(shí)值的數(shù)字代碼信號(見圖5)。更具體地說,如果假定的信號S10為狀態(tài)1,則調(diào)制器72產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字代碼值指示頻率為f1的信號振幅瞬時(shí)值。如果信號S10取狀態(tài)0,那么調(diào)制器72產(chǎn)生的數(shù)字代碼值指示頻率為f0的信號的振幅瞬時(shí)值。
在圖1的實(shí)例中,將執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號S9或S11直接送到數(shù)字加法器71,而沒有作任何數(shù)字處理。也可以用某種裝置先對該信號進(jìn)行數(shù)字處理。例如,在某些情況下,控制單元1產(chǎn)生指示執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控制量(0到100%)的信號S9由數(shù)字處理部分70中包括的一個(gè)邏輯塊(圖中未畫出)將該信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)于4到20毫安的數(shù)字編碼信號。
數(shù)字調(diào)制器72進(jìn)行FSK調(diào)制。例如圖1所示接收信號S10產(chǎn)生信號S12。雖然圖1中所示的這個(gè)信號S12取模擬量形式,實(shí)際上它是一個(gè)數(shù)字編碼信號,指示出圖1所示信號波形S12振幅的瞬時(shí)值。數(shù)字加法器71產(chǎn)生數(shù)字信號S12和S11之和,即產(chǎn)生一個(gè)頻分制多路組合信號S13。這個(gè)第二數(shù)字信號處理部分70可由數(shù)字信號處理器或類似部件構(gòu)成,其構(gòu)成方式與第一數(shù)字信號處理部分61相似。部件71和72的特性和功能可由軟件來改變。
一個(gè)DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換器)69將來自數(shù)字信號處理部分70的每個(gè)多路組合信號變換成模擬信號S14。就是說,變換器69將數(shù)字編碼信號S13變換成合成模擬波形m,如圖4所示。這個(gè)模擬信號m包含的信息有例如相應(yīng)于圖4所示電平(Level)A1和A2的信息,指示執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控制量;還包含例如相應(yīng)于圖5的由FSK調(diào)制波傳送的信息。
輸出電路68是一個(gè)模擬電路,它將信號S14轉(zhuǎn)換成電流信號SB。通常,來自DAC69的輸出信號S14為電壓信號。
送到加法器71的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號S11相應(yīng)于電流4至20毫安。所以,在來自輸出電路68的輸出信號SB中,F(xiàn)SK調(diào)制波是迭加在4至20毫安低速信號上的。輸出信號SB的波形示于圖1。
在執(zhí)行機(jī)構(gòu)7中包含的接收電路7a接收信號SB,并提取出對要執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制的量(4至20毫安的電流),用以推動(dòng)最后控制裝置76,例如,一個(gè)閥門。該接收電路也用于解調(diào)和提取被傳送的信息。執(zhí)行機(jī)構(gòu)7的動(dòng)作范圍(range)是根據(jù)包含在被傳送的信息中的指令來選擇的。
現(xiàn)在來描述以這種方式構(gòu)成的圖1所示設(shè)備的操作。首先,描述包含部件51、52和62的接收電路部分。不論與調(diào)節(jié)器相連的傳感器6帶有通訊功能或不帶通訊功能,該新型信號調(diào)節(jié)器50都能適當(dāng)?shù)毓ぷ鳌,F(xiàn)在假定所連的傳感器帶有通訊功能。
更具體地說,傳感器6將測量得到的值(例如由測量得到的壓力值)轉(zhuǎn)換成4至20毫安的低速信號。用FSK調(diào)制信號對結(jié)果產(chǎn)生的低速信號進(jìn)行多路復(fù)用(或者說構(gòu)成了通訊信息)。并從其輸出端發(fā)送出所產(chǎn)生的信號。作為一例,其通訊方式是半雙工(halfdupex)FSK傳送(1200波特)。
輸入電路51有一電阻R(見圖9和圖21)。以多路組合方式保持測量所得信號及通訊信息的電流信號SA通過這一電阻R并轉(zhuǎn)換成電壓信號。這個(gè)電壓信號被輸入電路51中包含的放大器131放大成適當(dāng)?shù)碾妷核?圖21)。這個(gè)被放大的信號被送到ADC52,它將每個(gè)輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式,然后送到數(shù)字信號處理部分61。
在數(shù)字信號處理單元61,數(shù)字帶通濾波器53用于從引入的數(shù)字編碼信號SC中提取出所需要的高頻分量(或者說通訊信息分量)。數(shù)字低通濾波器55用于提取低頻分量(或者說由測量得到的值)。濾波器53和55的濾波特性可由軟件來調(diào)節(jié)。例如,當(dāng)載有通訊信息的信號SA中所包含的調(diào)制波處于不同頻段時(shí),可以調(diào)整濾波特性而不必修改硬件。圖1所示帶通濾波器53的作用是提取高頻分量,它由高通濾波器構(gòu)成。
然而,并不象圖1所示實(shí)例那樣,而是有多種通訊信息要被傳送,所以,基于下列理由,有必要使用帶通濾波器。設(shè)有兩種通訊信息y1和y2要被傳送。將信息y1調(diào)制成的信號所在頻段的中心頻率例如為fy1。將另一個(gè)信息y2調(diào)制成的信號所在頻段中心頻率為fy2。所以需要帶阻濾波器來分別提取具有頻帶fy1和fy2的信號。
數(shù)字解調(diào)器54對來自帶通濾波器53的高頻分量進(jìn)行解調(diào),結(jié)果產(chǎn)生有如圖1和5(a)所示波形S1的數(shù)字編碼信號?,F(xiàn)在來描述解調(diào)操作之一例。在解調(diào)器54中包含的一個(gè)過零點(diǎn)(zerocrossing)檢測器,將來自帶通濾波器53的信號與零點(diǎn)相比較。然后,從穿過零點(diǎn)期間解調(diào)出FSK被調(diào)制信號。將以這種方式解調(diào)出來的通訊信息S1以送到控制單元1,其間經(jīng)過了接口64的I/O62,還經(jīng)過了光耦合器65。
測量部分56對來自低通波波器55的數(shù)字低頻分量進(jìn)行算術(shù)操作,得到由測量得到的值。這些算術(shù)操作是由數(shù)字計(jì)算單元58實(shí)現(xiàn)的。算術(shù)操作所必須的數(shù)據(jù)及這些操作過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器59中。測量部分56有表60。當(dāng)需要將具有非線性關(guān)系的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成具有線性關(guān)系的數(shù)據(jù)時(shí),便參考表60。例如,可將熱電偶的熱電動(dòng)勢與溫度的關(guān)系放到這個(gè)表中,通過參考表60,便可以直接由熱電動(dòng)勢之值給出溫度值。數(shù)字計(jì)算單元58能完成乘法、計(jì)算平方、取平均、以及其他算術(shù)運(yùn)算。這些算術(shù)功能可以由已知技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。例如,使用取平均功能,能得到來自傳感器6的信號SA的低頻分量(圖4(a)中的A1和A2)平均值。指示測量值的數(shù)字編碼信號S2經(jīng)由接口64的I/O63被傳送到控制單元1,也送到光耦合器66。
下面描述包含有部件68、69、70、78的發(fā)送器電路部分。控制單元1將傳送信號S8和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號S9分別經(jīng)由光耦合器75和76送到接口78。信號S8和S9是數(shù)字編碼信號。傳送信號S8指示出被傳送的信息??刂菩盘朣9指示出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)7控制要達(dá)到的量。結(jié)果,由一系列被傳送數(shù)據(jù)組成的信號S10(圖1所示)被從接口78的I/O73送到數(shù)字調(diào)制器72。調(diào)制器72響應(yīng)信號S10,產(chǎn)生數(shù)字編碼信號S12,信號S12指示被調(diào)制波的振幅。雖然所示信號S12為模擬波形,實(shí)際上,是代表被調(diào)制波振幅瞬時(shí)的數(shù)字編碼信號。
同時(shí),接口78的I/O74向第二數(shù)字處理部分70提供信號S11,信號S11為執(zhí)行機(jī)構(gòu)指示控制要達(dá)到的量。如果由控制單元1所產(chǎn)生的數(shù)字編碼信號作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號S9正好對應(yīng)于4至20毫字電流,則數(shù)字信號處理部分70可以向加法器71直接提供輸入信號S11而不必對其進(jìn)行算術(shù)處理。然而,如果控制單元1產(chǎn)生的信號S9僅指示出執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控制的量(即從0%至100%),那么在數(shù)字信號處理部分70中包含的算術(shù)運(yùn)算塊(未畫出)將信號S9轉(zhuǎn)換成相應(yīng)于4至20毫安信號的數(shù)字編碼信號。
數(shù)字加法器71產(chǎn)生信號S12與S11之和,并得出頻分多路組合信號S13。DAC69將來自數(shù)字信號處理部分70的每個(gè)多路組合的數(shù)字編碼信號S13轉(zhuǎn)換成含有兩類信息的模擬信號S14。一種信息指出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)7控制所要達(dá)到的量,它由例如對應(yīng)于圖4中A1和A2的低頻分量構(gòu)成。另一類信息是由FSK調(diào)制波攜帶的通訊信息,它由例如圖5(b)所示的高頻分量構(gòu)成。
輸出電路68將該信號S14轉(zhuǎn)換成電流信號SB并發(fā)出這一信號。因?yàn)樘峁┙o加法器71的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號S11對應(yīng)于4至20毫安電流,故輸出電路68產(chǎn)生的信號SB有圖1所示的波形。在這個(gè)信號SB中,F(xiàn)SK調(diào)制波迭加在4至20毫安低頻信號上。
在執(zhí)行機(jī)構(gòu)7中包括的接收電路7a接收信號SB并以4至20毫安的電流來啟動(dòng)最終控制部件7b。接收電路7a還通過解調(diào)過程從被傳輸信號的高頻分量中提供出通訊信息,并將執(zhí)行機(jī)構(gòu)7的量程(range)改變成由通訊信息指示的量程。
雖然圖1所示信息調(diào)節(jié)器50裝備了接收電路和發(fā)送電路兩部分,但調(diào)節(jié)器也可以只有其中之一。圖2所示信號調(diào)節(jié)器就只裝備有接收電路部分。
在上述實(shí)例中,多路組合信號是頻分制調(diào)制的。顯然,該新型信號調(diào)節(jié)器也以時(shí)分制多路復(fù)用信號(圖4(b))來傳送和接收測量值和通訊信息。具體地說,在圖4(b)中的t1和t2之間以及t3和t4之間的時(shí)間段內(nèi)從數(shù)字解調(diào)器54得到信號S1。在圖4(b)所示t2和t3之間的時(shí)間段內(nèi)從測量部分56得到信號S2。在結(jié)合圖1所作的描述中,終端P1和P2之間提供的信號是以調(diào)制波進(jìn)行多路組合的4至20毫安低頻信號。然而,如果傳感器6依靠一個(gè)由熱電耦(thermocouple)構(gòu)成的敏感器件,則產(chǎn)生一個(gè)微弱的熱電動(dòng)勢作為信號SA。這里產(chǎn)生這種微弱電壓信號SA的敏感器件與信號調(diào)節(jié)器相連,控制單元1向信號調(diào)節(jié)器50提供一個(gè)指令信號,使電阻與輸入電路51切斷聯(lián)系,這里的電阻R本是用于電流-電壓轉(zhuǎn)換的。于是,在輸入電路51中包含的可變增益放大器的增益也相應(yīng)地轉(zhuǎn)換到較高增益檔(見圖21)。
下面來描述圖1所示模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)52。模數(shù)轉(zhuǎn)換器可分成兩大類瞬時(shí)轉(zhuǎn)換器(flash converter)和逐級近似轉(zhuǎn)換器(successive-approximation converter)。瞬時(shí)轉(zhuǎn)換器使用2″比較器,它將輸入電壓直接轉(zhuǎn)換成最接近于輸入電壓的編碼數(shù)字值。這類ADC利用跟蹤(tracking)模-數(shù)轉(zhuǎn)換。具體地說,是這樣跟蹤數(shù)字代碼的,即使得來自參考數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與這個(gè)輸入信號最接近。
如果在ADC52中對這兩類模數(shù)轉(zhuǎn)換器都用上,則該新型設(shè)備便能減少其種類,并易于制成集成電路(IC)形式。然而,如果在傳送含有多路組合通訊信息的信號的信號調(diào)節(jié)器中利用過采樣(oversampled)模數(shù)轉(zhuǎn)換器,則能獲得極大的好處(如下文所述)。所以,下面來描述過采樣ADC。
近年來,在過程控制領(lǐng)域,為測量來自傳感器6的低于100赫茲的低頻分量(如圖4中的A2),已要求有14比特量級的分辨力。另一方面,與所測分量多路組合在一起的通訊信號(見圖4)頻率一般為10千赫數(shù)量級。6比特的分辨力被認(rèn)為足以測量通訊信號,因?yàn)橹灰軐0和f1彼此區(qū)分開來便能讀出通訊信號的內(nèi)容(如圖5所示)。
因此,需要一個(gè)在100赫茲具有14比特分辨力并在10千赫具有6比特分辨力的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器作為圖1所示設(shè)備中的ADC52。圖7給出轉(zhuǎn)換比特(二進(jìn)制位)數(shù)或者分辨力與該ADC的輸入信號頻率的關(guān)系。通常,在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換成二進(jìn)位(比特)的數(shù)目與頻率成倒數(shù)關(guān)系。就是說,二者的關(guān)系由圖7中的線L給出。如果具有給定設(shè)計(jì)的一個(gè)ADC其特征如圖7中點(diǎn)B2所指出的那樣,則表明該轉(zhuǎn)換器能以A3比特來轉(zhuǎn)換頻率在O和f3之間模擬信號,另一個(gè)ADC的特性由點(diǎn)B3指出。
所以,如果不采取措施,則要求一個(gè)ADC在10千赫茲處有14比特并具有點(diǎn)B6指出的特性,也就是同時(shí)滿足點(diǎn)B1(在10千赫分辨力為6比特)和點(diǎn)B5(在100赫茲分辨力為14比特)。然而,這個(gè)需要在10千赫有14比特的ADC的特性要大優(yōu)于一般達(dá)到的特性曲線L(圖7)。如果按瞬時(shí)式轉(zhuǎn)換器或逐級漸近式轉(zhuǎn)換器形式來生產(chǎn)這類ADC,那么設(shè)備就會(huì)變得昂貴的龐大。
本發(fā)明是使用一種過采樣ADC作為ADC52,從而解決了上述的昂貴及龐大這兩個(gè)問題。概括地說,一個(gè)過采樣ADC為低頻信號分量提供3倍的過采樣率。因此,能以高精度實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。對于高頻信號分量,過采樣率降低,因而模數(shù)轉(zhuǎn)換精度也降低了。就是說,根據(jù)本發(fā)明,用單個(gè)過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器能同時(shí)實(shí)現(xiàn)100赫茲處的14比特分辨力和10千赫茲處的6比特分辨力。
下面更詳細(xì)地描述的這一點(diǎn)。圖3給出一種平常的過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu),它相應(yīng)于圖1中由虛線包圍的塊90。通常,一個(gè)過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器為∑-△調(diào)制制器52及濾級器53、55的組合(見圖3),這些濾波器與調(diào)制器52的輸出端相連。在本說明書中,假定調(diào)制器52對應(yīng)于圖1所示ADC52,從而圖3中的電路可以與圖1中的電路相對應(yīng)。
現(xiàn)在來描述圖3所示電路的操作,圖1所示輸入電路51的輸出信號SG被送到圖3所示前置濾波器81。這個(gè)濾波器濾掉高于奈奎斯特(Nyquist)頻率(即采樣率的二分之一)的頻率分量,以防止采樣的造成的褶迭(foldover)噪聲。濾波器81的輸出被開關(guān)SW2采樣。過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)之一是其采樣率設(shè)置得足夠高,也就是說至少為來自最終測量的主體的信號頻率的10倍。一個(gè)模擬加法器82產(chǎn)生的預(yù)測波形之差。積分器83對加法器82的輸出進(jìn)行積分。來自積分器83的輸出被比較器84量化。比較器84的輸出,經(jīng)過由D觸發(fā)器構(gòu)成的1-時(shí)鐘延遲單元85,被送到1-比特DAC86。圖3中虛線所指示的塊52一般稱作∑-△調(diào)制制器。這個(gè)調(diào)制器使其輸入信號SG受到∑-△調(diào)制,并產(chǎn)生被調(diào)制的信號。受到∑-△調(diào)制的信號SF與經(jīng)瞬時(shí)式或逐級近式模數(shù)轉(zhuǎn)換高所得到的數(shù)字信號有某種差異,但這個(gè)∑-△調(diào)制的信號SF仍是將輸入信號SG變換成數(shù)字代碼而得到的。因此,在本說明中做定圖3所示∑-△調(diào)制器52對應(yīng)于圖1所示ADC52。
現(xiàn)在來描述上文中所述的“某種差異”。如果圖1所示ADC52由瞬時(shí)式ADC或逐級近似式ADC構(gòu)成,那么它的輸出信號SC是以1∶1關(guān)系對應(yīng)于輸入信號SG的數(shù)字編碼信號。輸出信號通過帶通濾波器53和低通濾波器55以提取高頻分量SD和低頻分量SE。與此不同,如果采用過采樣ADC,則圖3所示∑-△調(diào)制器的輸出信號SF是輸入信號SG經(jīng)過∑-△調(diào)制而得到的。這樣,輸出信號與輸入信號SG沒有1∶1關(guān)系。在過采樣ADC中,對應(yīng)于輸入信號SG的數(shù)字編碼信號只是在∑-△調(diào)制信號SF通過數(shù)字濾波器之后才得到的。更具體地說,圖3所示帶通濾波器53產(chǎn)生數(shù)字編碼信號SD,它以1∶1關(guān)系對應(yīng)于輸入信號SG的高頻分量,而低通濾波器55輸出的數(shù)字編碼信號SE以1∶1關(guān)系對應(yīng)于低頻分量。圖3所示帶通濾波器53和低通濾波器55與圖1中的相應(yīng)部件完全相同。
簡言之,將圖5所示高頻分量轉(zhuǎn)換成6比特?cái)?shù)字編碼所得到的信號SD,例如是將∑-△調(diào)制的信號SF通過帶通濾波器53提取出來的。同樣,將測量產(chǎn)生的低頻分量轉(zhuǎn)換成14比特?cái)?shù)字代碼而得到的信號SE,例如是將這個(gè)被調(diào)制的信號通過低通濾波器55提取出來的。
具體地說,當(dāng)利用了低通濾波器55時(shí),4至20毫安的低頻分量以大過采樣率來采樣并進(jìn)行算術(shù)處理。所以量化誤差小。數(shù)字化數(shù)據(jù)精確。就是說,模數(shù)轉(zhuǎn)換精度(例如14比特分辨力)是由過采樣率決定的。所以,隨著信號頻率降低其過采樣率增大。結(jié)果,模擬信號以較高分辨力轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。
另一方面,∑-△調(diào)制器52的輸出也能利用帶通濾波器53轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼信號。然而,量化誤差大,因?yàn)楦哳l信號分量以上過采樣率采樣和進(jìn)行算術(shù)處理。然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。結(jié)果,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的精度低。這樣,高頻分量以例如6比特精度進(jìn)行轉(zhuǎn)換。以這種方式,在過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器中,例如對于高頻分量的B1點(diǎn)(見圖7),在10千赫茲的轉(zhuǎn)換精度為6比特,而在100赫茲,例如圖7中對低頻分量的B5點(diǎn),其轉(zhuǎn)換精度為14比特。
在到此的描述的實(shí)例中,用一個(gè)過采樣ADC作為接收電路部分的ADC52。通過使用過采樣DAC作為傳輸電路部分的DAC69,可以得到類似的好處,即能夠經(jīng)濟(jì)地獲得所需要的功能。圖22給出一個(gè)普通的過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器。∑-△調(diào)制器的結(jié)構(gòu)與圖3所示∑-△調(diào)制器相似。
在結(jié)合圖1、2、3所描述的實(shí)例中,提供了兩個(gè)濾波器??梢蕴峁└嗟臑V波器來選擇不同頻率的多種信息。在這種情況下,如前所述,不能使用高通濾波器作為濾波器53,必須使用帶通濾波器。在上述實(shí)例中,通訊信息由FSK調(diào)制方式來傳送。要指出的是調(diào)制方式并不限于FSK調(diào)制。
在結(jié)合圖1和圖2所做的描述方式中,假定傳感器6經(jīng)由3線傳輸路徑與信號調(diào)節(jié)器50相聯(lián)。具體地說,除了圖中畫出的線101和102,還有一個(gè)電源線(未畫出)從信號調(diào)節(jié)器50連到傳感器6。圖1所示信號調(diào)節(jié)器50的電源部分被略掉了。
圖8給出的結(jié)構(gòu)中傳感器6經(jīng)由2個(gè)傳輸路經(jīng)91連接。圖8所示結(jié)構(gòu)與圖1所示結(jié)構(gòu)類似,只是信號調(diào)節(jié)器50與傳感器6通過2線傳輸路經(jīng)91相連,而增加了電源部分92、DC/DC轉(zhuǎn)換器93、控制電路94以及光耦合器96。要說明的是,圖1中的數(shù)字處理部分61和70、接口64和78都分別由各自的功能塊代表,而在圖8中這些功能由單一方框代表。
現(xiàn)在來描述圖8所示信號調(diào)節(jié)器50。DC/DC轉(zhuǎn)換器發(fā)3將直流電壓VM(加在終端P12和P13之間的)轉(zhuǎn)換成直流電壓差值Vcc,并輸出這一電壓。這個(gè)轉(zhuǎn)換器93可以是通常結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器。例如,轉(zhuǎn)換器93由開關(guān)SW5、變壓器T、整流二極管D1、平滑電容C1以及其他部件構(gòu)成。
控制電路94根據(jù)控制單元1提供的信號S16來控制DC/DC轉(zhuǎn)我器93的輸出電壓Vcc振幅??刂齐娐?4接收來自數(shù)字信號處理部分61的信號S2,該信號S2是由測量得到的。作為一個(gè)實(shí)例,如果在傳感器6中發(fā)生短路,則信號S2認(rèn)為是異常值。一旦檢測到這種情況,則輸出電壓Vcc迅速減小,以防止不希望的功率損失(power loss,漏電)。
現(xiàn)在來描述控制輸出電壓Vcc值方法的一例??刂齐娐?4控制DC/DC轉(zhuǎn)換器93的開關(guān)SW5的閉合時(shí)間與斷開時(shí)間之比,如圖20所示。于是使向變壓器T提供的電功率受到控制。在變壓器T的次級一側(cè)產(chǎn)生的電壓隨這一比值而變化。
圖20給出開關(guān)SW5的閉合狀態(tài)和斷開狀態(tài)。當(dāng)實(shí)線升高時(shí),開關(guān)SW5為閉合。在圖20(a)的情況里,得到了最大輸出電壓Vcc。當(dāng)開關(guān)SW5閉合該時(shí)間比增大時(shí),輸出電壓Vcc減小。如果閉合狀態(tài)數(shù)目控制在一個(gè)比率3/8,如圖20(c)所示,則輸出功率被限制在滿功率的3/8。
電源部分92從DC/DC轉(zhuǎn)換器93接受恒直流電壓Vcc,并在其輸出終端P10產(chǎn)生一個(gè)電壓,例如24伏,這個(gè)電壓接受控制電路94提供的控制信號S17的控制。就是說,控制信號S17指示從電源部分92輸出電壓(伏特)還是輸出電流(毫安)。
假定傳感器6能在高頻通訊信息上載有測量所得到的值,例如4至20毫安,如結(jié)合圖4所描述的那樣,并能發(fā)送出含有這個(gè)值的信息。
輸入電路51有一個(gè)(例如)電阻R,設(shè)置在輸入終端P1和公共電位之間。由傳感器6提供的4至20毫安低頻信號以及迭加在低頻信號上的高頻信號由該電阻R轉(zhuǎn)換成電壓信號。通過放大器放大這個(gè)電壓信號,以產(chǎn)生適當(dāng)幅度的信號SG。放大器輸出送到ADC52。
在圖8的結(jié)構(gòu)中,由電源部分92經(jīng)2線傳輸路徑91中的一線提供電壓或電流給傳感器6,而傳感器6發(fā)出的信號,即測量得到的值以及通訊信息,經(jīng)由另一線提供給輸入電路51。
圖9給出圖8所示電源部分92和輸入電路51或輸出電路68的一個(gè)具體實(shí)例。在圖9中,幾乎所有部件都是通常使用的,開關(guān)SW3在兩個(gè)不同狀態(tài)之間切換。在一種狀態(tài),這一結(jié)構(gòu)的功能是向傳感器6提供電功率。同樣,它也作為接收來自傳感器6的傳送信號的接收電路51。在另一種狀態(tài),這種結(jié)構(gòu)用作輸出電路68,向執(zhí)行機(jī)構(gòu)7發(fā)送輸出信號SB。
具體參考圖9,一個(gè)傳輸路徑與一對外部終端T1和T2相連。輸入電路111接收流經(jīng)傳輸路徑的電流,或者在終端T1和T2之間流過的電流。在這一實(shí)例中,電阻R連在終端T2與公共電位之間。利用所得到的電壓降來取得所接收的信號。這個(gè)輸入電路111對應(yīng)于圖1中的輸入電路51,可以不用電阻元件R而用其他元件。
穩(wěn)定器(regulator)112設(shè)計(jì)成既可用于恒流方式向外部終端T1和T2產(chǎn)生恒定電流,也可以用于恒壓方式向這些終端產(chǎn)生恒定電壓。穩(wěn)定器112由三極管q1和放大器U1構(gòu)成,放大器U1的輸出端與三極管Q1的基極相連。該三極管Q1的集電極與直流電壓Vcc相連,而其發(fā)射極與外終端T1相連。
方式轉(zhuǎn)換電路113由一個(gè)設(shè)置裝置114、一個(gè)信號輸出裝置115以及開關(guān)SW3組成。這個(gè)轉(zhuǎn)換電路113根據(jù)與外部終端T1和T2連接的場地設(shè)備地種類,將穩(wěn)定器112在恒壓方式和恒流方式之間切換。
設(shè)置裝置114根據(jù)圖8所示控制單元1的指令,或與開關(guān)SW3的觸點(diǎn)a1相連,或與觸點(diǎn)a2相連。這樣,穩(wěn)定器112便或在恒流方式下操作或在恒壓方式下操作。
信號輸出裝置115根據(jù)設(shè)置裝置114所設(shè)置的工作方式可以向放大器U1的一個(gè)輸入端(+)提供一個(gè)給定幅度的信號,或者不提供作為一例,信號輸出裝置115由一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。
分壓電阻R1和R2連在輸出終端T1和公共電位之間。由輸入電路111的電阻R接收的信號出現(xiàn)在信號取出終端T4。施加信號終端T3與穩(wěn)定器112的放大器U1的一個(gè)輸入端(+)相連。一個(gè)要傳送給傳感器6或執(zhí)行機(jī)構(gòu)7(如圖8所示)的信號,從控制電路94施加在這個(gè)施加信號終端T3。
當(dāng)將圖9的電路作為圖8所示輸出電路68來工作時(shí),所述的要傳送的信號是信號S14,它是由控制單元1發(fā)出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號S9造成的,或者是由通訊信息S8造成的。在這種情況下,圖9所示信號輸出裝置115也作為圖8所示的DAC69。
如果圖9所示電路用于提供電功率并且也用于輸入電路51,所述要傳送的信號的組成是向所連接的傳感器6提供電源的一個(gè)電壓(比如說24伏)或電流(比如說4毫安),以及控制單元1傳送給傳感器6的通訊信息S8(見圖8和圖14)。
開關(guān)SW3的公共端與放大器U1的另一輸入端(-)相連。觸點(diǎn)a1與分壓電阻R1和R2的結(jié)點(diǎn)相連。觸點(diǎn)a2與輸入電路11的電阻R的一端相連。開關(guān)SW3由設(shè)置裝置114來啟動(dòng)。
當(dāng)開關(guān)SW3與觸點(diǎn)a1相連時(shí),分壓電阻R1作為放大器U1的反饋電阻。放大器U1的輸入端(-)經(jīng)電阻R2與公共電位相連。其結(jié)果是穩(wěn)定器112以恒壓方式工作,由1+(R1/R2)給定其放大率。
另一方面,當(dāng)開關(guān)SW3與觸點(diǎn)a2相連時(shí),由于下述理由,穩(wěn)定器工作在恒流輸出方式。只要放大器U1的工作正常放大器U1的兩個(gè)輸入端(+)和(-)實(shí)際上處于等電位。設(shè)e為放大器U1的兩個(gè)輸入端(+)和(-)之間建立的電壓。設(shè)Vout為穩(wěn)定器112的輸出電壓。則下述關(guān)系成立Vout=A·e這里A為穩(wěn)定器112的開環(huán)增益,通常為80dB。由于輸出電壓Vout為例如24伏,則由上述等式計(jì)算出的e大約為0伏。所以,如果從圖8中的控制電路94向終端T3提供一個(gè)恒定電壓Eo,則通過開關(guān)SW3的觸點(diǎn)a保持向電阻R提供這個(gè)恒定電壓。這樣,便保持在電阻R上通過一個(gè)電流,其大小由Iin=Eo/R給定。因?yàn)檫@個(gè)電流Iin是從終端T2提供的,該恒定電流Iin被送到在終端T1和T2之間連接的傳感器。以這種方式構(gòu)成的圖9電路可以在第一種方式或第二種方式下工作。在第一種方式下,向傳感器6提供電源,圖9中的電路作為接收來自傳感器6的傳送信號的輸入電路51。在第二種方式下,該電路作為向執(zhí)行機(jī)構(gòu)7發(fā)出輸出信號的輸出電路68工作。下面分別描述這兩種工作方式。
〔第一種方式向傳感器6提供恒定電壓,并且圖9電路用作接收來自傳感器6的電流信號的電路。〕圖10給出建立這個(gè)第一工作方式的連接圖?,F(xiàn)在來描述圖10所示各部件與圖8所示各部件的關(guān)系。圖10的外部終端T1對應(yīng)于圖8的終端P10。圖10的外部終端T1對應(yīng)于圖8的終端P10。圖10的外部終端T2以應(yīng)于圖8的終端P1。圖10中由穩(wěn)定器112、電阻R1、R2、開關(guān)SW3、以及方式切換電路113所組成的部分對應(yīng)于圖8中的電源部分92。圖10的輸入電路111對應(yīng)于圖8的輸入電路51。圖10所示電源電壓Vcc對應(yīng)于圖8所示來自DC/DC轉(zhuǎn)換器93的輸出電壓Vcc。
傳感器6連在圖10所示的外部終端T1和T2之間,經(jīng)由傳輸路徑91發(fā)出電流信號Iin。設(shè)置裝置114將開關(guān)SW3與觸點(diǎn)a1相連。這樣,被分壓電阻R1和R2分出來的電壓反饋到穩(wěn)定器112的放大器U1的一個(gè)輸入端(-)。穩(wěn)定器112在恒壓輸出方式下工作。信號輸出裝置115將給定的電壓信號Vi送到放大器U1的另一個(gè)輸入端(+)。這樣,在外部終端T1和公共電位之間產(chǎn)生的輸出電壓Vout保持為恒定電壓,例如24伏,相應(yīng)于由穩(wěn)定器112給出的電壓信號Vi。就是說,在終端T1出現(xiàn)的輸出電壓Vout由式Vout=Vi·{1+(R2/R1)}給定。
傳感器根據(jù)過程控制量來控制流經(jīng)傳輸路徑91的電流,從而在終端T2加上了一個(gè)過程控制信號。具體地說,該過程控制信號,或者說電流Iin,經(jīng)傳輸路徑91傳送,流經(jīng)輸入電路111的電阻R,于是產(chǎn)生一個(gè)對應(yīng)于過程控制量的電壓Eout。這個(gè)信號Eout是從接收信號取出終端T4提取出來的,并由放大器(未畫出)放大從而產(chǎn)生出適當(dāng)幅度的電壓信號SG。該放大器輸出的信號被提供給圖8中的ADC52。
〔第二種方式圖9中的電路用作向執(zhí)行機(jī)構(gòu)7發(fā)送電流信號的電路。就是說,該電路作為輸出電路68?!硤D11給出建立這第二種方式的連接圖?,F(xiàn)在來描述圖11所示部件與圖8所示部件的關(guān)系。圖11中的外部終端T1對應(yīng)于圖8中的終端P5。圖11中的外部終端T2對應(yīng)于圖8中的終端P6。圖11中由穩(wěn)定器112、電阻R1、R2、開關(guān)SW3、以及方式切換電路113構(gòu)成的部分時(shí)應(yīng)于圖8中的輸出電路68。圖11中的信號輸出裝置115對應(yīng)于圖8中的DAC69。圖11中所示電源電壓Vcc對應(yīng)于圖8所示來自DC/DC轉(zhuǎn)換器93的輸出電壓Vcc。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)7通過傳輸路徑95連接在外部終端T1和T2之間。設(shè)置裝置114將開關(guān)SW3連到觸點(diǎn)a2。這樣,電阻R作為一個(gè)反饋電阻連到穩(wěn)定器112的放大器U1的一個(gè)輸出端(-)。穩(wěn)定器112工作在恒流輸出方式。在這種狀態(tài),要傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)7的信號Vs被加到終端T3,它與放大器U1的另一輸入端(+)相連。這樣,穩(wěn)定器112根據(jù)信號Vs來控制輸出電流Iout,這個(gè)電流Iout被從外部終端T1送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)7。這一輸出電流Iout由式Iout=Vs/R給定。
這樣,不論圖9中的電路工作在上述第一種方式還是第二種方式,該電路都能使用相同的主要部件。而且,能通過操作方式轉(zhuǎn)換電路113可以很容易地實(shí)現(xiàn)工作方式的轉(zhuǎn)換。
在上述實(shí)例中,典型的傳感器6和執(zhí)行機(jī)構(gòu)7是相互連接的(interconneced)。在該范圍內(nèi),將產(chǎn)生電壓信號的傳感器或敏感元件和由該電壓信號驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)加到上文描述的部件當(dāng)中。圖9所示電路能適應(yīng)于加入這些傳感器、敏感元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的情況。下面來描述在這種狀況下完成的操作。
〔工作方式圖9的電路作為接收來自傳感或敏感元件發(fā)出的電壓信號的輸入電路。〕這些傳感器如敏感元件的實(shí)例示于圖19(a)和(b)。圖19(a)表示采用由熱電耦構(gòu)成的敏感元件的情況。該熱電耦向圖9的外部終端T1和T2加一個(gè)幾毫伏的電壓Vp。該熱電耦不需要供電。
圖19(b)表示使用一個(gè)電位計(jì)(potentiometer)作為傳感器的情況。根據(jù)過程控制量來驅(qū)動(dòng)電位計(jì)的滑動(dòng)觸點(diǎn)。在這種情況下,必須將來自信號調(diào)節(jié)器的恒定電流Iout(通常為4毫安)提供給電位計(jì)。結(jié)果,電位計(jì)向外部終端T1和T2提供由式Vp=rp Iout給定的電壓,這里rp是電位計(jì)的電阻。當(dāng)把熱電耦或電位計(jì)與外部終端T1和T2相連時(shí),圖9電路的連接和設(shè)計(jì)如圖12所示。
首先來描述當(dāng)圖19(a)所示熱電耦與圖12中的外部終端T1和T2相連時(shí)所完成的操作。在這種情況下,熱電耦與信號調(diào)節(jié)器相連??刂齐娐?使方式設(shè)置裝置114將開關(guān)SW3與觸點(diǎn)92相連。這樣,電阻R作為反饋電阻與穩(wěn)定器112的放大器U1的一個(gè)輸入端(-)相連。信號輸出裝置115將信號Vis加到放大器U1的另一輸入端(+),以切斷(cut off)穩(wěn)定器112。由于三極管Q1被偏置截止(biosed off),故沒有從外部終端T1向熱電耦供電。以這種方法,從與外部終端T1相連的終端T5處取出了由圖19(a)的熱電耦經(jīng)由傳輸路徑91發(fā)出的電壓信號,以此作為電壓Vout,Vout=Vp(R1+R2)/(R+R1+R2)在終端T5出現(xiàn)的電壓Vout被可變增益放大器(由圖21中的131表示)放大并送到圖8所示ADC52。
下面描述當(dāng)圖19(b)所示電位計(jì)與圖12中的外部終端T1和T2相連時(shí)所完成的操作。在這種情況下,電位計(jì)與信號調(diào)節(jié)器相連。與使用熱電耦時(shí)的情況相同,設(shè)置裝置114在控制單元1的控制下將開關(guān)SW3與觸點(diǎn)a3相連。信號輸出裝置115將電壓Vis加到放大器U1的輸入端(+)。Vis電壓值由式Vis=4毫安R給出。就是說,穩(wěn)定器112作為提供4毫安的電流的恒流源。于是,電位計(jì)將電壓(Vp=rp 4毫安)加到外部終端T1和T2上。與使用熱電耦時(shí)的情況相同,從終端T5取出該電壓Vp作為電壓Vout。
上述從終端T5取出的電壓Vout代表來自熱電耦式電位計(jì)的輸出信號Vp。這樣,圖9的電路能適應(yīng)于熱電耦或電位計(jì)等產(chǎn)生電壓信號的傳感器或敏感元件,而不需要改變基本電路結(jié)構(gòu),只要以簡單的直接方式操作設(shè)置裝置114即可。
〔工作方式圖9的電路作為向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供恒定電壓控制信號的輸出電路68。〕為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)7,必須向它加一個(gè)電壓信號(例如Vout=1至5伏)。圖9中的電路連接成圖13所示的樣子。執(zhí)行機(jī)構(gòu)7(例如它在電壓信號1至5V驅(qū)動(dòng)下工作)連接在圖13所示外部終端T1和T2之間。在這種情況下,設(shè)置裝置114在來自圖8所示控制單元1的指令的控制下將開關(guān)SW3一觸點(diǎn)a1相連。被電阻R1和R2分壓的電壓反饋到放大器U1的輸入端(-),于是穩(wěn)定器112以恒壓方式工作。因?yàn)殡妷篤s經(jīng)終端T3加到放大器U1的另一輸入端(+),來自穩(wěn)定器112的輸出電壓Vout由式Vout=Vs·{1+(R1/R2)}給出。就是說,來自控制電路94(圖8)的一個(gè)電壓信號加到終端T3(圖13)上,例如上述Vout假定為5伏。
在到此為止所做的描述中,作了假定R<<RA,這里的RA是執(zhí)行機(jī)構(gòu)7的內(nèi)電阻。由于電阻R是不能忽略的,在電阻R的兩端之間建立的電壓被從終端T4取出(見圖13)用以校正加到放大器U1輸入端(+)的電壓Vs值。這樣,圖9的電路能以同樣的電路結(jié)構(gòu)通過直接操作設(shè)置114來處理電壓信號。
圖14給出一種連接實(shí)例,在該實(shí)例中將低頻信號(如DC電源信號或測量所得信號)與被調(diào)制波或通訊信息的組合信號通過二線傳輸路徑91傳送出去。現(xiàn)在來描述圖14的結(jié)構(gòu)與圖8的結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。圖14的結(jié)構(gòu)中沒有使用圖8中的輸出電路68。圖14中來自DAC69的輸出S14被送到電源部分92。
現(xiàn)在參考圖9來描述圖14中的電源部分92的相互連接。圖14中的控制電路94將信號S17加到圖9中的終端T3。DAC69對應(yīng)于圖9中的信號輸出裝置115。圖8所示的相互連接能在控制單元1指令控制下容易地改變成圖14所示的相互連接。當(dāng)然,圖14中所示電路部件與圖8中的電路部件是相同的。
現(xiàn)在來描述圖14所示信號調(diào)節(jié)器50的工作狀況。圖14中的傳感器6必須由直流電源提供一個(gè)恒定電壓,例如24伏。假定圖14中的傳感器6能夠接收通訊信息M1,這個(gè)通訊信息是由迭加在這個(gè)24伏電壓上的高頻波或者說調(diào)制波攜帶的。還假定傳感器6能向輸入電路51發(fā)出一個(gè)4至20毫安低頻信號與通訊信息M2的組合信號,該通訊信息由高頻信號與通訊M2的組合信號,該通訊信息由高頻信號或調(diào)制波攜帶,而該低頻信號是由測量得到的。由信號調(diào)節(jié)器50向傳感器6發(fā)出的通訊信息M1之一例是關(guān)于修改傳感器6的測量范圍的指令。由傳感器6發(fā)送給信號調(diào)節(jié)器50的通訊信息M2之一例是響應(yīng)上述通訊信息M1指出測量范圍的信息。
在這種情況下,圖14中的電源部分92在控制單元1的控制下連接成圖10所示的樣子。穩(wěn)定器112由外部終端T1發(fā)出一個(gè)恒定直流電壓(Vout=24伏)??刂茊卧?產(chǎn)生被傳送信號S8。例如,它發(fā)了數(shù)字信息M1,指出傳感器6的測量范圍L1。
被傳送信號S8,或通訊信息,是由控制單元1產(chǎn)生的,指示測量范圍L1,將該信號經(jīng)由光耦合器75和接口78提供給數(shù)字信號處理部分70。然后,將該信號變成數(shù)字調(diào)制信號S12,在處理部分70(見圖1)內(nèi)部代表通訊信息M1。將信號S12經(jīng)加法器71送給DAC69。
DAC69將數(shù)字調(diào)制的數(shù)字編碼信號轉(zhuǎn)換成模擬信號形式,例如結(jié)合圖5描述的FSK調(diào)制波。將所生成的模擬信號送給電源部分92。用于產(chǎn)生24伏直流的電壓信號Eo被送到電源部分92的放大器U1的輸入端(+),其連接方式如圖10所示。同樣,DAC69,即信號輸出裝置115,將高頻信號(圖5(b)送到同一輸入端(+)。結(jié)果,將迭加有圖5(b))送到同一輸入端(+)。結(jié)果,將迭加有圖5(b)所示高頻信號的恒定24伏直流電壓通過傳輸線102由終端P10(圖14)提供給傳感器6。
傳感器6通過傳輸線102提供的24伏直流來供電。傳感器對迭加在直流上的被調(diào)制波進(jìn)行解調(diào),并將其量程設(shè)置成通訊信息M1所指示的測量范圍L1。傳感器6將在該范圍內(nèi)測量出的值轉(zhuǎn)換成4至20毫安的低頻信號,并將電流Iin送到圖10所示外部終端T2。電流Iin是將指示設(shè)定測量范圍的高頻信號或調(diào)制波信號迭加到低頻信號上而成的。通過電阻R將這個(gè)含有這兩類信號組合的電流Iin轉(zhuǎn)換成電壓信號,并出現(xiàn)在終端T4。然后,該電壓信號被放大器(未畫出)放大并送給ADC52。
該信號通過ADC52之后,光耦合器65產(chǎn)生一個(gè)高頻信號S5,指示傳感器6設(shè)定的測量范圍。光耦合器66產(chǎn)生測量信號S6,指示由傳感器6得到的值。這一操作過程已經(jīng)結(jié)合圖1詳細(xì)描述過了。
當(dāng)信號調(diào)節(jié)器50如圖14所示連接時(shí),只要通過二條傳輸線將控制單元1或信號調(diào)節(jié)器50與傳感器6互連,便能同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流電源的供給、測量值的傳送、以及雙向通訊。再有,可以將結(jié)構(gòu)修改成圖14所示的結(jié)構(gòu)而不需要對圖8的結(jié)構(gòu)增加電路部件。能夠根據(jù)來自控制單元1的控制信號容易地完成這種修改。
也許難于理解這一結(jié)構(gòu)的工作過程,因?yàn)楸仨毻瑫r(shí)參考圖14和圖10。為此,我們將圖14和圖10的主要部分繪成圖15。下面參考圖15更詳細(xì)地說明為什么只要通過二條傳輸線將控制單元1或信號調(diào)節(jié)器50與傳感器6互連便能同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流電源的供給、測量值的傳送、以及雙向通訊。
在圖15中,電源輸出控制器120接收來自圖14所示DAC69的輸出信號S14,輸出信號S14是高頻的被傳輸信號??刂破?20進(jìn)行控制,例如根據(jù)S14信號控制來自可變直流電源Es的輸出電壓E。控制器120例如運(yùn)算放大器U2構(gòu)成。信號S14被加到一個(gè)輸入端(-)。加到放大器U2另一輸入端(+)的是電壓信號Eo,它決定電源Es的輸出電壓值E。這個(gè)電壓信號Eo等效于圖10中加到終端T3的信號Eo。
可變直流電源Es由三極管Q3和Q4組成,它們的集電極分別與電源Vcc及公共電位相連。三極管Q3和Q4的發(fā)射極與一個(gè)傳輸路徑91相連。這個(gè)電源Es等效于圖10所示三極管Q1。圖15中所示電源電壓Vcc與圖10所示電源電壓Vcc相同。
傳送塊80由傳感器6和電壓變化檢測器121組成。在圖1、8、14中所示的傳感器6中沒有畫出圖15所示的電壓變化檢測器121。檢測器121中含有一個(gè)微處理器,從信號調(diào)節(jié)器50所加的直流電壓E中提取所包含的高頻分量或信號S14,并根據(jù)信號S14指示的信息M1來控制傳感器6。
傳感器6根據(jù)場地測量值發(fā)出4至20毫安的低頻電流。電壓變化檢測器121將高頻信號或被調(diào)制信號迭加到傳感器6產(chǎn)生的低頻電流上,并將結(jié)果信號回送給信號調(diào)節(jié)器50,該高頻信號中含有對信號調(diào)節(jié)器50所發(fā)信息M1的響應(yīng)信息2。
電阻R把信息Iin作為電壓信號VR提取出來,信號Iin是該傳輸路徑91傳送的。這個(gè)電阻R等效于圖10所示電阻R。
把由這個(gè)電阻R得到的電壓VR加到低通濾波器55和率通濾波器53上。低通濾波器55產(chǎn)生4至20毫安信號SE,信號SE指示測量得到的值。帶通濾波器53產(chǎn)生高頻信號分量SD(圖1)。在圖15中,略去了圖1、8、14中給出的對來自電阻R的信號進(jìn)行放大的放大器以及ADC52。
現(xiàn)在參考圖16來描述圖15所示結(jié)構(gòu)的工作過程。圖16(a)給出圖15所示信號S14。在這一實(shí)例中,信號在正負(fù)兩方向上變化。運(yùn)算放大器U2接收圖16(a)所示信號S14以及恒定電壓信號Eo,并根據(jù)這二者之差來控制可變直流電源Es的輸出電壓E。這樣,由電源Es送到傳輸路徑91上的輸出電壓E能根據(jù)高頻信號S14來改變,而這個(gè)信號S14是如圖16(b)所示那樣產(chǎn)生的,其電壓幅度由Vd1表示。由可變直流電源發(fā)出的電壓E可由下式給出E=Eo+Vd1(1)傳輸塊80根據(jù)過程控制量來改變流經(jīng)傳輸路徑91的電流Iin。這個(gè)被傳送的電流Iin根據(jù)圖16(c)所示過程控制量以模擬方式在譬如4至20毫安范圍內(nèi)變化。這個(gè)電流Iin經(jīng)由傳輸路徑91送到信號調(diào)節(jié)器50,并流入電阻R。在電阻R上由被傳送電流Iin產(chǎn)生電壓信號VR,如圖16(d)所示。該電壓信號VR可由下式給出
VR=R·Iin (2)由等式(1)和(2),可以給出加到與雙線傳輸路徑91相連的傳輸塊80上的電壓VLVL=E-VR=Eo+Vd1-R Iin (3)這個(gè)電壓VL假定其波形和圖16(e)所示。這樣,加到傳輸塊80上的電壓VL隨高頻信號S14變化。在塊80中包含的電壓變化檢測器121檢測出電壓VL的變化,并提取出來自信號調(diào)節(jié)器50的高頻信號S14。于是,讀出了由該信號S14指示的信息M1,并根據(jù)信息M1來控制傳感器6。在傳輸塊80上產(chǎn)生的電壓VL很高,如果流過的傳輸電流Iin假定達(dá)到了它的最大值,例如20毫安,就能保持一個(gè)足夠高的額定電壓,以操作傳輸塊80。
由傳輸塊80傳送到信號調(diào)節(jié)器的高頻調(diào)制信號S20,或者說通訊信號,在正負(fù)兩方向改變被傳送電流Iin,例如圖16(c)所示那樣。這個(gè)高頻信號S20引起了電阻R上建立的電壓VR的變化。對應(yīng)于過程控制量的,從傳輸塊80送出的低頻信號或指示測量值的信號,通過低通濾波器55,造成圖16(f)所示信號SE,在圖中從濾波器55發(fā)出的信號SE取模擬量波形形式。但實(shí)際上信號SE為數(shù)字編碼信號,代表模擬波形的每個(gè)瞬時(shí)幅值。
從傳輸塊80發(fā)出的高頻被調(diào)制信號S20,或通訊信號,通過帶通濾波器53,在那里提取出圖16(g)所示信號SD。在圖16(g)中,收濾波器53產(chǎn)生的信號SD表現(xiàn)為模擬波形。但實(shí)際上它是數(shù)字編碼信號,代表模擬形每個(gè)瞬時(shí)幅度值。
在圖15的結(jié)構(gòu)中,加入了電阻R,與雙線傳輸路徑91串聯(lián),因此,加到傳輸塊80上的電源電壓VL相應(yīng)地減小。具體地說,加到傳輸塊80上的電壓VL由式VL=E-Iin·R (4)給出。所以,有必要設(shè)計(jì)一個(gè)電子電路,以保證在傳輸電流Iin達(dá)到其最大值(例如20毫安時(shí)也能維持正常工作。圖17所示結(jié)構(gòu)解決了這一問題。在圖17中,電阻R連在放大器U3的輸出端和輸入端(-)之間。放大器U3的輸入端(+)與公共電位相連。在這種結(jié)構(gòu)中,放大器U3的輸入端(-)能被認(rèn)為是公共電位或者虛擬(virtual)接地點(diǎn)。這樣,我們有VL=E通過將執(zhí)行機(jī)構(gòu)7連在終端P10和P1之間(經(jīng)由雙線傳輸路徑95)而不改變圖14所示信號調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu),便能夠?qū)?至20毫安的實(shí)際控制信號從控制單元1送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)7。與此同時(shí),能在控制單元1和執(zhí)行機(jī)構(gòu)7之間實(shí)現(xiàn)雙向通訊。當(dāng)圖18的電路結(jié)構(gòu)在工作時(shí),電源部分92與圖11所示結(jié)構(gòu)相連。在這種情況下,開關(guān)SW3與觸點(diǎn)a2相連,于是電源部分92在恒流輸出狀態(tài)下工作。
現(xiàn)在參考圖11來描述圖18所示電源部分92的連接。圖11所示終端T3與圖18所示控制電路94相連。在這種情況下,來自控制電路94的信號S17為0,即S17=0。圖18所示DAC69對應(yīng)于圖11中的信號輸出裝置115。就是說,只有來自信號輸出裝置115或圖18中DAC69的信號S14被加到圖11的放大器U1的輸入端(+)。
如前所述,這個(gè)信號S14是一個(gè)模擬電壓信號,在其中,對應(yīng)于4至20毫安電流的低頻電壓信號與代表通訊信息M1的被調(diào)制高頻電壓信號多道組合在一起。信息M1是從控制單元1傳給執(zhí)行機(jī)構(gòu)7的。在圖18中,通訊信息M1產(chǎn)生于來自控制單元1的信號S8。
圖11所示穩(wěn)定器112在恒流輸出方式下運(yùn)行。設(shè)V14為信號S14的電壓。由穩(wěn)定器112產(chǎn)生的電流Iout由下式給出Iout=V14/R結(jié)果,如圖18中所描述的,電源部分92產(chǎn)生的信號中有低頻電流分量ia(相應(yīng)于4至20毫安)和高頻電流分量ib(相應(yīng)于通訊信息)迭加在一起。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)7由輸入的低頻電流分量ia來驅(qū)動(dòng)。接收電路7a在終端P1產(chǎn)生被調(diào)制信號Vin,信號Vin含有關(guān)于響應(yīng)輸入通訊信息M1和信息M2。
被調(diào)制信號Vin被送到輸入電路51。數(shù)字信號處理部分61通過完成上述操作而提取出代表信息M2(見圖1)的信息S1。代表信息M2的信號S5被送到控制單元1。
在圖18的結(jié)構(gòu)中,執(zhí)行機(jī)構(gòu)7送出的信號Vin只含有通訊信息,所以在數(shù)字處理部分61中包含的兩個(gè)濾波器53及55中只有濾波器53是工作的。
圖21所示電路結(jié)構(gòu)與圖1中電路結(jié)構(gòu)的該部分相似它從接收信號SA的輸入端P1開始,到數(shù)字解調(diào)器54和數(shù)字濾波器55的輸出端為止。解調(diào)器54發(fā)出通訊信息S1。濾波器55的輸出是信號SE,它指示出測量得到的值。在圖1中,帶通濾波器53(它能用高通濾波器代替)與低通濾波器55并聯(lián)。而在圖21中兩個(gè)數(shù)字低通濾波器132和133為串聯(lián)。即使使用圖21的結(jié)構(gòu),也能夠分別提取出低頻信號SE和高頻通訊信息S1。
仍參考圖21,輸入端P1對應(yīng)于圖1中的輸入端P1。電阻通過開關(guān)136連在輸入端P1和公共電流之間。該開關(guān)136在圖1的控制單元1控制下閉合和斷開。向該輸入端P1提供的信號為指示圖22(a)所示測量值的低頻信號ea與高頻通訊信號eb的迭加。假定圖22(a)中的低頻信號ea及通訊信號eb中包含的頻率分量所在的頻率范圍低于圖23所示頻率fw。
通常,可變增益放大器131將電阻R上建立的電壓放大到某一電壓水平,例如1伏,以便能容易地由電子電路的下一級處理。放大器131的放大程度由圖1的控制單元1來控制。
可變增益放大器131的輸出加到∑-△調(diào)制器52上,在那里將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。調(diào)制器52是一個(gè)過采樣模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。因?yàn)橐呀?jīng)結(jié)合圖3對該調(diào)制器作過描述,這里就不再描述了。調(diào)制器52的采樣率保持在一個(gè)給定的頻率,例如1兆赫茲。調(diào)制器52的輸出送到低通濾波器132。
低通濾波器132計(jì)算由∑-△調(diào)制器產(chǎn)生的多個(gè)(例如32個(gè))順序數(shù)字代碼的動(dòng)均值。具體地說,調(diào)制器52產(chǎn)生數(shù)字代碼,其法為1或0,頻率為1兆赫茲,即間隔為1微秒。低通濾波器132將32個(gè)順序數(shù)字代碼相加,然后用32來除這個(gè)計(jì)算值,得到平均值。對每個(gè)輸入代碼信號重復(fù)這一系列運(yùn)算。這樣,便計(jì)算出數(shù)字代碼的動(dòng)均值。
以這種方式工作的低通濾波器132表現(xiàn)出圖23所示衰減特性140。來自濾波器132的輸出信號(記為S30)是一個(gè)數(shù)字編碼信號(圖22(b)),含有指示測量值的低頻信號ea及高頻通訊信號eb。
圖23所示濾波器特性140的拐角頻率fw之值可以改變,作法是用不同的值來代替上述的值“32”。可根據(jù)來自控制單元1的信號進(jìn)行這種修改??刂茊卧?能對拐頻率設(shè)置成這樣的值(例如32),使其送到終端P1的高頻信號eb不被低通濾波器132切掉。
后一個(gè)低通濾波器133接收來自前一個(gè)低通濾波器132的輸出數(shù)據(jù),計(jì)算來自運(yùn)算一個(gè)低通濾波器132的例如8個(gè)順序數(shù)字代碼的動(dòng)均值。具體地說,后一個(gè)濾波器133將來自∑-△調(diào)制器52的256個(gè)(32×8=256)順序數(shù)字代碼求和并用256除該計(jì)算值。就是說,后一個(gè)濾波器133取256個(gè)數(shù)字代碼的動(dòng)均值,所以這個(gè)濾波器只提取出其頻率低于低通濾波器132所提取信號的頻率的那些信號。
這后一個(gè)低通濾波器133的運(yùn)作過程如前文所描述,它的衰減特性(4)如圖23所示,其拐角頻率由fu表示。就是說,后一個(gè)濾波器133的輸出信號SE是圖22(c)所示數(shù)字編碼信號,它不包含高頻信號eb,而且只包含代表測量值的低頻信號ea。這后一個(gè)濾波器133的特性也可以由控制單元1容易地加以修改,其作法與前述相同。結(jié)果,后一個(gè)低通濾波器133產(chǎn)生的低頻分量是加到輸入端P1的信號SA中所包含的那些低頻分量(或表示測量值的信號;例如,4至20毫安的電流)。
同樣,由數(shù)字比較器134和數(shù)字解調(diào)器135得到高頻分量或通訊信息。數(shù)字比較器134將圖22(b)所示信號S30與圖22(c)所示信號SE相比較。比較器134產(chǎn)生信號S31,每當(dāng)信號S30穿過信號SE時(shí),信號S31的代碼值便發(fā)出變化。信號S31指示出圖22(b)所示信號eb的周期。數(shù)字解調(diào)器135能檢測郵高頻信號eb的頻率,也就是說能根據(jù)周期解調(diào)出通訊信息,S1。
圖21所示電路結(jié)構(gòu)中兩個(gè)低通濾波器串聯(lián),產(chǎn)生如下好處一個(gè)數(shù)字低通濾波器在硬件結(jié)構(gòu)上比數(shù)字帶通濾波器和數(shù)字高通濾波器簡單,能用比后兩種濾波器數(shù)量少的電路部件來構(gòu)成。就是說,圖21所示結(jié)構(gòu)使這種新型信號調(diào)節(jié)器容易地制成集成電路形式。以這種方式,將高頻通訊信息S1從解調(diào)器135中取出,而將表示測量值的低頻信號SE從后一個(gè)低通濾波器133取出。
由上面的描述,可看出本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)只要準(zhǔn)備少數(shù)幾種信號調(diào)節(jié)器或少數(shù)幾種硬件便有可能適應(yīng)于多種傳感器和多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
現(xiàn)在來詳細(xì)說明這一點(diǎn)。通過輸入電路51,將傳感器或敏感元件提供的信號轉(zhuǎn)換成超過其一水平的電壓信號。這個(gè)電壓信號被ADC52全部轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。所以,由ADC52得到了與傳感器或敏感元件的輸出信號相對應(yīng)的數(shù)字信號,而不論是哪一種傳感器或敏感元件與該信號調(diào)節(jié)器相連。這樣,由ADC52產(chǎn)生的數(shù)字信號中包含3指示測量值的信息以及通訊信息。數(shù)字信號處理部分61和70對ADC52提供的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字算術(shù)操作,從而提取出測量值和通訊信息,而這些算術(shù)操作能適應(yīng)于所連傳感器的種類。由數(shù)字信號處理部分61和70所完成的數(shù)字算術(shù)操作的內(nèi)容可由軟件來改變。
簡單地說,根據(jù)本發(fā)明,每個(gè)傳感器或敏感單元的輸出都轉(zhuǎn)換成了數(shù)字形式。然后對產(chǎn)生的數(shù)字信號進(jìn)行適用于所連傳感器或敏感元件類型的數(shù)字算術(shù)操作。這樣,便提取出了測量所得到的值及通訊信息。由于數(shù)字算術(shù)操作的內(nèi)容能由軟件來修改,因此,所發(fā)明的信號調(diào)節(jié)器能以其少數(shù)幾種來適應(yīng)于多樣的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
圖9所示電源部分92,能切換到圖10至13所示不同功能的各種電路,而共同使用的是圖9中幾乎所有的電路元件。這一點(diǎn)也能使少數(shù)幾種信號調(diào)節(jié)器適應(yīng)于各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
迄今,本申請人已備有多種信號調(diào)節(jié)器。根據(jù)本發(fā)明,它們?nèi)磕苡蓛H僅一種硬件所代替。因此,本發(fā)明有很大優(yōu)越性。
(2)不論所連傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)有無通訊功能,信號都能被適當(dāng)把傳送和接收。
(3)以往設(shè)備的模擬信號處理部分可以用本發(fā)明的數(shù)字信號處理部分61和70所代替。數(shù)字信號處理部分61、70、ADC52、以及DAC69為數(shù)字電路,適于容易地制成集成電路形式。這使信號調(diào)節(jié)器能夠小型化。
當(dāng)用過采樣ADC代替圖1所示ADC52和用過采樣DAC來代替DAC69時(shí),更易于以集成電路形式制造這些部件。一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)需要配備前置濾波器81來避免采樣引起的重疊噪聲。這個(gè)濾波器81是由諸如電容器等模擬元件做成的。所以,即使ADC制成集成電路形式,這個(gè)模擬前置濾波器81的大體積仍是個(gè)問題。然而,在這采樣系統(tǒng)中,信號以相當(dāng)高的速率采樣,于是可以用小個(gè)電容及類似元件來制造。就是說,過采樣轉(zhuǎn)換器適于包含在一個(gè)集成電路中。
(4)在這個(gè)新設(shè)備中,接收電路部分和傳送電路部分都對輸入信號進(jìn)行數(shù)字算術(shù)操作以得到所需信號。因此,如果輸入或輸出條件改變了,可以由軟件來修改這些數(shù)字算術(shù)操作的內(nèi)容。從而使新設(shè)備能迅速適應(yīng)于條件的改變。
(5)在圖14和圖15所示電路中,通過將控制電路1或信號調(diào)節(jié)器50與傳感器6只用雙傳輸線互連,便能同時(shí)實(shí)現(xiàn)直流供電、測量值傳送以及雙向通訊。
權(quán)利要求
1.通過傳輸路徑與傳感器相連的一種信號調(diào)節(jié)器,該信號調(diào)節(jié)器和控制單元之間平穩(wěn)地傳送信號,所述信號調(diào)節(jié)器包括供電裝置,通過傳輸路徑向傳感器提供直流電源;輸入電路,接收來自傳感器的輸出信號,并將其變換成超過給定電平的模擬電壓信號;模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置,將輸入電路產(chǎn)生的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號;第一數(shù)字濾波器,從數(shù)字信號中提取低速信號分量;第二數(shù)字濾波器,從數(shù)字信號中提取高速信號分量;測量部分,對所提取的低速信號分量進(jìn)行數(shù)字處理,以得到測量值;解調(diào)裝置,對所提取的高速信號分量進(jìn)行數(shù)字處理,以得到通訊信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的信號調(diào)節(jié)器,其中所述的傳輸通道由二根傳輸線構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求3的信號調(diào)節(jié)器,其中所述的電源部分包括穩(wěn)定器,它能工作在恒流方式或恒壓方式,在恒流方式下該穩(wěn)定向與所述雙傳輸線之一相連的外部終端提供恒定電流,在恒壓方式下該穩(wěn)定器向外部終端提供恒定電壓;以及方式切換裝置,它根據(jù)與外部終端相連的傳感器的種類,在恒定方式和恒流方式之間切換穩(wěn)定器的工作方式。
4.通過兩條傳輸線與傳感器相連的一種信號調(diào)節(jié)器,該調(diào)節(jié)器允許信號在傳感器和控制單元之間平穩(wěn)地傳送,所述信號調(diào)節(jié)器包括供電裝置,它通過兩根傳輸線向傳感器提供直流電壓,并能根據(jù)含有由控制單元向傳感器傳送的通訊信息的高頻信號來改變該直流電壓;輸入電路,它接收來自傳感器的輸出信號,并將它轉(zhuǎn)換成超過給定電平的模擬電壓信號;模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置,用于將輸入電路產(chǎn)生的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號;第一數(shù)字濾波器,用于從所述數(shù)字信號中提取低速信號分量;第二數(shù)字濾波器,用于從所述數(shù)字信號中提取高速信號分量;測量裝置,用于對所提取的低速信號進(jìn)行數(shù)字處理。以取得測量所得到的值;以及解調(diào)裝置,用于對所提取的高速信號分量進(jìn)行數(shù)字處理,以取得傳感器向控制單元傳送的通訊信息。
5.通過一個(gè)傳輸路徑與傳感器相連的信號調(diào)節(jié)器,該信號調(diào)節(jié)器允許在傳感器和控制單元之間平穩(wěn)地傳送信號,所述信號調(diào)節(jié)器包括數(shù)字調(diào)制裝置,它接收表示從控制單元向執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳送的通訊信息的第一數(shù)字信號,并產(chǎn)生第二數(shù)字信號,該第二數(shù)字信號對應(yīng)于表示通訊信息的被調(diào)制信號幅度的每個(gè)瞬時(shí)值;加法器,它產(chǎn)生第三數(shù)字信號與所述第二數(shù)字信號之和,該第三數(shù)字信號對應(yīng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)受控制的程度;數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置,接收來自加法器的輸出信號,并將其轉(zhuǎn)換成模擬信號;輸出電路,接收來自所述數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置的模擬輸出信號,放大該模擬信號,并將放大的信號送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的信號調(diào)節(jié)器,其中所述的傳輸路徑由雙傳輸線構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的信號調(diào)節(jié)器,其中所述的輸出電路包括穩(wěn)定器,它能工作在恒流方式或恒壓方式,在恒流方式下該穩(wěn)定器向與所述雙傳輸線之一相連的外部終端提供恒定電流,在恒壓方式下該穩(wěn)定器向外部終端提供恒定電壓;以及方式切換裝置,它根據(jù)與外部終端相連的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的種類,在恒壓方式和恒流方式之間切換穩(wěn)定器的工作方式。
8.通過兩條傳輸線與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連的一種信號調(diào)節(jié)器,該信號調(diào)節(jié)器允許信號在執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制單元之間平穩(wěn)地傳送,所述信號調(diào)節(jié)器包括供電裝置,它通過這兩根傳輸線向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供一個(gè)直流電流,并能根據(jù)含有由控制單元向執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳送的通訊信息的高頻信號來改變該直流電流;輸入電路,它接收來自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號,并將其轉(zhuǎn)換成超過一定水平的模擬信號;模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置,它將來自輸入電路的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號;數(shù)字濾波器,它從所述數(shù)字信號中提取高速信號分量;解調(diào)裝置,用于對所提取的高速信號分量進(jìn)行數(shù)字處理,以取得從執(zhí)行機(jī)構(gòu)向控制單元傳送的通訊信息。
全文摘要
本發(fā)明為由接收部分、傳輸部分和電源部分裝備起來的一種信號調(diào)節(jié)器。這些部分的主要功能是數(shù)字化的。對于不同功能使用共同的電路部件、少數(shù)幾種信號調(diào)節(jié)器(每種是一塊硬件)就能適用于各種傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
文檔編號H04L27/10GK1064166SQ91111200
公開日1992年9月2日 申請日期1991年11月29日 優(yōu)先權(quán)日1990年11月30日
發(fā)明者稻生清春, 長谷川芳尾, 藤野健治, 今村誠, 小塞貴紀(jì), 林俊介, 安井均 申請人:橫河電機(jī)株式會(huì)社