ДИНАМИЧЕСКИ РЕГУЛИРУЕМОЕ АЦ РАЗРЕШЕНИЕ
DYNAMICALLY ADJUSTED A/D RESOLUTION

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к передатчикам переменной процесса, которые используются в системах управления и контроля процесса. В частности, настоящее изобретение относится к динамической регулировке входного сигнала аналого-цифрового преобразователя в такой системе для того, чтобы повысить разрешение АЦ измерения, во время работы.
Передатчики переменной процесса используются для измерения параметров процесса в системе управления или контроля процесса. Основанные на микропроцессоре передатчики часто включают в себя датчик, аналого-цифровой преобразователь для преобразования выходного сигнала из датчика в цифровую форму, микропроцессор для компенсации оцифрованного выходного сигнала и выходную схему для передачи компенсированного выходного сигнала. В настоящее время данная передача обычно выполняется через контур управления процессом, такой как контур управления 4-20мА, или беспроводным образом.
Одним примерным параметром, который измеряется такой системой, является температура, которая считывается посредством измерения сопротивления резистивного температурного устройства (RTD, которое также иногда именуется платиновым резистивным термометром или PRT) или выходного сигнала напряжения термопары. Конечно, температура является только одним примерным параметром, и также может измеряться широкое разнообразие других параметров управления процессом.
Некоторые обычные АЦ преобразователи выполнены с фиксированным опорным напряжением и конфигурируемой регулировкой усиления разрешения. Каждая настройка усиления для конфигурируемой регулировки усиления разрешения соответствует опорной точке, которая является скалярной величиной приложенного опорного напряжения. Опорное напряжение используется АЦ преобразователем для установки разрешения (в вольтах на отсчет) АЦ преобразователя. Таким образом, разрешение АЦ преобразователя может быть изменено на основании ожидаемого уровня сигнала измеряемого аналогового входного сигнала.
Обычные системы контроля, в которых реализованы АЦ преобразователи, часто имеют конфигурируемую регулировку усиления разрешения, установленную таким образом, что АЦ преобразователь может измерить весь диапазон указанного датчика. Т.е. конфигурируемая регулировка усиления разрешения установлена для одного фиксированного разрешения, которое может вмещать весь диапазон датчика. Тем не менее, фактический входной сигнал часто может иметь значение (или меняться в диапазоне значений), для которого АЦ преобразователь может быть установлен в гораздо более высокое разрешение. Таким образом, установка регулировки усиления на установленное, фиксированное разрешение приводит к схеме измерения, которая не настроена для использования всех возможностей АЦ преобразователя.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Передатчик переменной процесса используется для измерения переменной процесса и при этом динамически изменяет разрешение АЦ преобразователя на основании измеренного значения аналогового входного сигнала. Это может быть выполнено посредством автоматической регулировки конфигурируемой регулировки усиления разрешения на основании значения измеряемого аналогового сигнала, с помощью нормализации измеряемого входного сигнала таким образом, что он центрируется в оптимальном окне разрешения АЦ преобразователя, или посредством регулировки опорного напряжения, обеспеченного АЦ преобразователю.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 является упрощенной блок-схемой передатчика переменной процесса, соединенного с датчиком.
Фиг.2 является графиком входного напряжения в зависимости от разрешения.
Фиг.3 является упрощенной блок-схемой системы, показанной на фиг.1, при этом АЦ преобразователь имеет конфигурируемую настройку разрешения.
Фиг.4 является упрощенной блок-схемой одного варианта осуществления, в котором входной сигнал нормализуется.
Фиг.5A и 5B являются принципиальными схемами одной реализации для нормализации входного сигнала.
Фиг.6 является упрощенной блок-схемой одного варианта осуществления динамического изменения АЦ разрешения посредством изменения опорного напряжения для АЦ преобразователя.
Фиг.7 является упрощенной блок-схемой последовательности операций, иллюстрирующей один вариант осуществления работы системы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Фиг.1 является упрощенной блок-схемой передатчика 10 в соответствии с одним вариантом осуществления. Передатчик 10 в варианте осуществления, показанном на фиг.1, включает в себя аналого-цифровой (АЦ) преобразователь 18, процессор 20 и программируемый компонент 22 разрешения. Передатчик 10 показан соединенным с датчиком 12, который считывает параметр управления процессом, указанный стрелкой 14. Передатчик 10 также показан соединенным с двухпроводным контуром 16 управления процессом, но он может быть соединен с соединением беспроводной передачи вместо этого или в дополнение. В одном варианте осуществления контур 16 управления процессом обеспечивает питание передатчику 10. Процессор 20 передает информацию через контур 16 управления процессом, а также принимает информацию от других схем и систем через контур 16 управления процессом. В качестве примера, контур 16 управления процессом может иллюстративно быть контуром управления процессом 4-20 мА и может работать, используя подходящий протокол связи. В качестве альтернативы, контур 16 управления процессом может быть заменен на беспроводное соединение, передающее информацию беспроводным образом, или использоваться в дополнение к нему, используя различные беспроводные способы или конфигурации.
Датчик 12 иллюстративно является датчиком переменной процесса, который принимает входной сигнал 14 от считываемого процесса. Датчик 12 может иллюстративно быть датчиком для считывания давления, температуры, pH, потока и т.д. Датчик 12 иллюстративно обеспечивает аналоговый выходной сигнал 24, указывающий считываемый параметр, АЦ преобразователю 18.
В настоящем описании датчик 12 описан в качестве датчика температуры. Тем не менее, также может использоваться любой другой подходящий датчик, и температура является лишь одним примером переменной или параметра, который может считываться.
Следует отметить, что выходной сигнал 24 из датчика 12 может быть иллюстративно обеспечен схеме (не показана), которая усиливает и фильтрует аналоговый сигнал датчика, по мере необходимости. Она может быть частью датчика 12 или отдельной схемой. В любом случае, усиленный и отфильтрованный сигнал 24 затем обеспечивается АЦ преобразователю 18. АЦ преобразователь 18 обеспечивает оцифрованный выходной сигнал, который является цифровым представлением аналогового сигнала 24, обеспеченного датчиком 12. Процессор 20, конечно, иллюстративно имеет связанную память и схему синхронизации и обеспечивает информацию, касающуюся считываемого параметра, через контур 16 управления процессом. Следует отметить, что процессор 20 может включать в себя схему ввода/вывода (I/O), или схема I/O может быть предусмотрена отдельно, которая передает информацию в цифровом формате по контуру 16 или в аналоговом формате, посредством управления электрическим током через контур 16. В любом случае информация, связанная со считываемым параметром, предоставляется через контур 16 управления процессом передатчиком 10.
Фиг.2 является графиком, иллюстрирующим зависимость между входным напряжением по отношению к опорному напряжению и разрешением АЦ преобразователя 18. Фиг.2 показывает, что АЦ преобразователь 18 может обеспечить выходной сигнал в трех разных зонах разрешения. Зоны разрешения включают в себя зону относительно высокого разрешения, среднюю зону разрешения (которая выдает цифровое значение с разрешением в вольтах на отсчет, которое ниже разрешения, чем в зоне высокого разрешения) и зону относительно низкого разрешения (которая выдает цифровое значение с разрешением, которое является еще более низким разрешением, чем в зоне среднего разрешения). Конкретная зона разрешения, в которой способен работать АЦ преобразователь 18, в одном примере, основана на уровне сигнала аналогового сигнала 24 и его отношении к опорному напряжению Vref, используемому АЦ преобразователем при выполнении его измерений. В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.2, АЦ преобразователь 18 может работать в зоне высокого разрешения, когда сигнал 24 находится между +Vref/3 и -Vref/3. АЦ преобразователь 18 может работать в зоне среднего разрешения, когда сигнал 24 находится между +/-Vref/3 и +/-Vref/2, и АЦ преобразователь 18 может только работать в зоне низкого разрешения, когда сигнал 24 находится между +/-Vref/2 и +/-Vref. Конечно, зависимость, показанная на фиг.2, и конкретные значения Vref/x являются только примерами.
Во многих системах известного уровня техники АЦ преобразователь 18 был выполнен с возможностью работы в зоне фиксированного разрешения, которая может вмещать весь указанный рабочий диапазон датчика 12. Т.е. если датчик 12 был выполнен с возможностью считывания температуры и предоставления выходного сигнала 24 между -Vref и +Vref/3, тогда АЦ преобразователь 18 должен быть выполнен с возможностью обеспечения своего выходного сигнала в самом низком разрешении. Это требуется, чтобы вместить полный указанный рабочий диапазон датчика 12.
Тем не менее, может случиться, что датчик 12 обычно работает в пределах более узкого диапазона, такого как диапазон 30, установленный на фиг.2. В этом случае наличие АЦ преобразователя 18, установленного на зону разрешения, которая является зоной самого низкого разрешения, приведет к ненужным ошибкам разрешения. По мере ужесточения требования к точности устройства, ошибка из-за неиспользования настройки максимального возможного разрешения, заданного входным сигналом, становится существенным фактором в суммарной ошибке системы.
Вследствие этого, фиг.1 показывает, что передатчик 10 также включает в себя программируемый компонент 22 разрешения. Программируемый компонент 22 разрешения предоставляет выходной сигнал на АЦ преобразователь 18, который меняет настройку разрешения АЦ преобразователя 18. Управление компонентом 22 осуществляется посредством процессора 20 на основании значения измеренного входного сигнала 24. Вследствие этого, по мере того как значение сигнала 24 достигает значения, соответствующего новой зоне разрешения (показанной на фиг.2), процессор 20 динамически регулирует разрешение АЦ преобразователя 18, чтобы оно согласовывалось с новой зоной разрешения. Таким образом, по мере того как датчик 12 предоставляет выходной сигнал 24 в диапазоне 30 (показанном на фиг.2), процессор 20 управляет компонентом 22, чтобы сохранять АЦ преобразователь в зоне высокого разрешения.
Тем не менее, по мере того как выходной сигнал 24, предоставляемый датчиком 12, достигает любых из зон среднего разрешения с любой стороны зоны высокого разрешения (вновь показанной на фиг.2), процессор 20 выполняет управление компонентом 22, чтобы динамически отрегулировать разрешение АЦ преобразователя 18 таким образом, чтобы оно находилось в зоне среднего разрешения. Аналогичным образом, по мере того как сигнал 24 перемещается в направлении другой зоны, процессор 20 может выполнить управление компонентом 22, чтобы вновь динамически отрегулировать разрешение АЦ преобразователя 18. Таким образом, настройка разрешения АЦ преобразователя 18 всегда находится в соответствующей зоне (в той, в которой она согласована с наилучшим разрешением, которое возможно получить и задано входным сигналом 24). Это увеличивает общее разрешение, с которым АЦ преобразователь будет обеспечивать свой выходной сигнал процессору 20, выше разрешения системы с одной фиксированной настройкой разрешения. Таким образом, передатчик 10 использует преимущество зон относительно высокого разрешения АЦ преобразователя 18, даже несмотря на то что весь рабочий диапазон датчика 24 включает в себя области вне зоны высокого разрешения. Кроме того, если измеренное значение 24 достигает зоны низкого разрешения, то разрешение АЦ преобразователя 18 просто регулируется, чтобы быть согласованным с этой зоной.
В одном варианте осуществления процессор 20 использует окно значений вокруг каждой границы между зонами разрешения. Когда сигнал 24 попадает в окно, приближаясь к границе зоны разрешения, процессор 20 может либо заранее изменить разрешение АЦ преобразователя 18 в соответствии с новой зоной, либо процессор 20 может ожидать до тех пор, пока сигнал 24 фактически не пересечет границу перед сменой разрешения. В другом варианте осуществления процессор 20 также может измерять скорость изменения сигнала 24 по мере его приближения к границе и использовать скорость изменения для определения того, как скоро также требуется изменить разрешение. Аналогичным образом, процессор 20 может реализовать области гистерезиса для переходов между разными настройками разрешения. Вследствие этого, если измеренный входной сигнал 24 датчика колеблется вокруг области перехода, которая является переходами от одной настройки разрешения к следующей, то гистерезис предотвратит нежелательную непрерывную смену процессором 20 настройки разрешения АЦ преобразователя 18. Размер заданного окна или области гистерезиса или конкретная используемая скорость изменения могут меняться в конкретных реализациях. Конечно, также могут быть выполнены другие модификации.
Следует отметить, что в целях описания фиг.1, программируемый компонент 22 разрешения показан в качестве компонента отдельного от АЦ преобразователя 18. Тем не менее, некоторые современные АЦ преобразователи 18 имеют компонент 22 встроенный в них, так что процессор 20 может просто обеспечивать выходной сигнал управления в отношении входного сигнала настройки разрешения преобразователя 18. Фиг.3 показывает упрощенную блок-схему такого варианта осуществления.
Элементы, показанные на фиг.3, аналогичны тем, что показаны на фиг.1, и аналогичные элементы пронумерованы аналогичным образом. Тем не менее, видно, что вместо отдельного программируемого компонента 22 разрешения, который используется для изменения разрешения АЦ преобразователя 18, передатчик 10 реализован с АЦ преобразователем 18, который просто имеет вход 40 настройки разрешения. Таким образом, процессор 20 просто обеспечивает выходной сигнал управления разрешением для динамической регулировки разрешения АЦ преобразователя 18, для входа 40 настройки разрешения АЦ преобразователя 18. Это меняет настройку разрешения АЦ преобразователя 18.
Фиг.4 является упрощенной блок-схемой другого передатчика 10 в соответствии с еще одним другим вариантом осуществления. В варианте осуществления, показанном на фиг.4, передатчик 10 включает в себя АЦ преобразователь и процессор 20. Тем не менее, вместо АЦ преобразователя 18 с входом настройки разрешения (таким как 40, показанным на фиг.3), передатчик 19 включает в себя компонент 42 нормализатора входного сигнала.
В варианте осуществления, показанном на фиг.4, АЦ преобразователь 18 имеет зону высокого разрешения, центрированную по отношению к конкретному измерению входного напряжения. Лишь в качестве примера, предполагается, что АЦ преобразователь 18 работает с такими зонами разрешения, как те, что показаны на фиг.2. Вследствие этого, до тех пор пока входной сигнал 24 находится внутри +/-Vref/3, АЦ преобразователь 18 может выполнять свое преобразование в зоне высокого разрешения, используя наивысшее разрешение, которое возможно получить посредством АЦ преобразователя 18. Вместо того чтобы повторно настраивать разрешение АЦ преобразователя 18, компонент 42 нормализатора входного сигнала нормализует входной сигнал 24 для того, чтобы иллюстративно сохранить его в пределах области высокого разрешения АЦ преобразователя 18. Т.е. компонент 42 вводит смещение в сигнал 24, чтобы сохранить его в пределах зоны высокого разрешения АЦ преобразователя 18.
Фиг.5A является упрощенной схемой, показывающей один вариант осуществления компонента 42 нормализатора входного сигнала в частично схематичном виде. Фиг.5A также показывает, что датчик 12 включает в себя, в качестве примера, резистивное температурное устройство 50 (RTD) или термопару 52. В варианте осуществления, показанном на фиг.5A, компонент 42 включает в себя пару переключателей 54 и 56, которыми управляет процессор 20. Компонент 42 также включает в себя резистивную цепь из резисторов 58, 60, 62 и 64, вместе со стабилитроном 66.
sensor
В варианте осуществления, показанном на фиг.5A, компонент 42 позволяет эффективно смещать вниз выходной сигнал нулевой точки датчика 12 на предварительно определенное значение. Если сигнал, обеспеченный датчиком 12, находится в пределах приемлемой зоны высокого разрешения, тогда процессор 20 управляет переключателями 54 и 56 таким образом, что переключатель 54 закрыт, а переключатель 56 открыт, как показано на фиг.5A. Это вызывает протекание тока I датчика в соответствии с путем, указанным стрелкой 68. АЦ преобразователь 18 может выполнять преобразование и предоставлять измеренный, преобразованный выходной сигнал процессору 20 с наивысшим разрешением.
sensor
Тем не менее, в случае когда сигнал датчика 12, выведенный на АЦ преобразователь 18, перемещается в зону более низкого разрешения, процессор 20 может выполнить управление переключателями 54 и 56, как показано на фиг.5B, так что переключатель 54 открыт, а переключатель 56 закрыт. Это вызывает протекание тока I датчика в соответствии со вторым путем, указанным стрелкой 70. Это эффективно опускает точку 0 входного сигнала датчика таким образом, что она находится в пределах зоны высокого разрешения окна напряжения, как показано на фиг.2. Конечно, следует отметить, что для того чтобы осуществлять подгонку к другим диапазонам датчика, также могут быть добавлены дополнительные резистивные делители напряжения и переключатели, а те что показаны, являются лишь примерными.
Фиг.6 является упрощенной блок-схемой еще одного другого варианта осуществления. На фиг.6, элементы, аналогичные тем, что показаны на предыдущих чертежах, пронумерованы аналогичным образом. Фиг.6 иллюстрирует вариант осуществления, в котором АЦ преобразователь 18 не предоставляет никакого средства для выбора разного усиления разрешения для своих измерений. В данном случае передатчик 10 включает в себя программируемое опорное напряжение 80, которое обеспечивает входной сигнал для входного сигнала Vref, который используется в качестве опорного напряжения в АЦ преобразователе 18 для выполнения АЦ преобразований. Процессор 20 управляет программируемым опорным напряжением на основании измеренного значения входного сигнала 24 датчика, так чтобы АЦ преобразователь 18 мог сохранять работу в зоне относительно высокого разрешения. В варианте осуществления разные значения опорного напряжения, предоставляемые АЦ преобразователю 18, вызывают выполнение АЦ преобразователем 18 своих преобразований на разных уровнях квантования. Таким образом, посредством изменения Vref, процессор 20 может менять уровень разрешения, используемый АЦ преобразователем 18.
Вследствие этого, в варианте осуществления, показанном на фиг.6, программируемое опорное напряжение 80 иллюстративно состоит из множества разных, выбираемых выводов напряжения, которые могут быть выбраны процессором 20. Каждый вывод соответствует разному уровню напряжения, который предоставляется, когда выбран, в качестве входного сигнала Vref АЦ преобразователю 18. Таким образом, процессор 20 может динамически регулировать уровень квантования (разрешение), с которым работает АЦ преобразователь 18, на основании значения измеренного входного сигнала 24.
Фиг.7 является упрощенной блок-схемой последовательности операций, иллюстрирующей один вариант осуществления работы передатчика 10. В варианте осуществления, показанном на фиг.7, передатчик 10 сначала измеряет уровень входного сигнала для входного сигнала 24 датчика. Это указано блоком 90. Затем процессор 20 определяет соответствующую настройку разрешения на основании измеренного уровня входного сигнала датчика посредством определения того, в какой зоне разрешения лежит сигнал 24. Это указано блоком 92. Затем процессор 20 устанавливает разрешение АЦ преобразователя в соответствии с настройкой разрешения, которая согласуется с зоной разрешения, которую он определил в блоке 92. Это указано блоком 94. Конкретный способ, с помощью которого процессор 20 осуществляет управление передатчиком 10 для динамической регулировки разрешения АЦ преобразователя 18, будет зависеть от конкретного варианта осуществления, используемого для данной регулировки. Некоторое количество примерных вариантов осуществления рассмотрено выше в отношении фиг.1-6. Следует иметь в виду, что фиг.7 является лишь одним примерным способом работы передатчика 10.
Несмотря на то что настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники распознают, что могут быть выполнены изменения по форме и в деталях, не отступая от сущности и объема изобретения.