АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ОБНАРУЖЕНИЕМ ОШИБОК, СВЯЗАННЫХ С ВЫХОДОМ ЗА ПРЕДЕЛЫ ДИАПАЗОНА Российский патент 2008 года по МПК H03M1/10 

Уровень техники

Мультиплексированные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) имеют входные штырьковые выводы для принятия множества аналоговых входных сигналов и выдают цифровые выходные сигналы, которые являются представлением аналоговых входных сигналов. Цифровые выходные сигналы подаются на микроконтроллер, который использует цифровые выходные сигналы для выработки выходного сигнала микроконтроллера, являющегося функцией аналоговых входных сигналов. Как правило, АЦП и микроконтроллер являются частью передатчика управления технологическим процессом, и выходной сигнал микроконтроллера представляет технологический параметр, в который введена поправка на температуру, напряжения питания и т.д., причем все это является аналоговыми входными сигналами.

В электрической схеме могут возникать различного рода неисправности. Одна неисправность, которая может возникнуть, - это короткое замыкание между соседними входными штырьковыми выводами мультиплексора. Другая неисправность, которая может возникнуть, - это нарушение в работе АЦП, которое приводит к тому, что один из бит цифрового выходного сигнала застревает либо на высоком уровне (1), либо на низком уровне (0).

Когда системы АЦП используются в контрольно-измерительных приборах системы безопасности (КИП СБ), существует потребность выявить, когда возникает такая неисправность, и обеспечить выходной сигнал ошибки или диагностический выходной сигнал. Требуется высокая степень уверенности в надежности АЦП. Требуется диагностический выходной сигнал от микроконтроллера, такой, чтобы система управления технологическим процессом, поддерживаемая системой АЦП, получала предупреждение о неисправности.

Раскрытие изобретения

Схема содержит мультиплексор. Мультиплексор имеет входной сигнал выбора и последовательность аналоговых выходных сигналов, которые выбирают из множества аналоговых входных сигналов. Схема также содержит источник опорного сигнала, который выдает первый опорный сигнал.

Схема содержит аналого-цифровой преобразователь. Аналого-цифровой преобразователь получает последовательность аналоговых выходных сигналов и первый опорный сигнал. Аналого-цифровой преобразователь выдает последовательность цифровых выходных сигналов.

Схема содержит схему управления. Схема управления подключает входной сигнал выбора для выбора последовательности аналоговых выходных сигналов. Схема управления сравнивает последовательность цифровых выходных сигналов с хранящейся последовательностью нормальных диапазонов, которые соответствуют цифровым выходным сигналам, для выдачи выходного сигнала ошибки, когда по меньшей мере один из цифровых выходных сигналов выходит за пределы нормального диапазона.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведена система аналого-цифрового преобразователя, известная из уровня техники.

На фиг.2A приведен первый вариант осуществления схемы с динамически меняющимся диапазоном входных сигналов.

На фиг.2B приведена первая упрощенная блок-схема способа контроля ошибок в схеме, изображенной на фиг.2A.

На фиг.3A приведен второй вариант осуществления схемы с динамически меняющимся диапазоном входных сигналов.

На фиг.3B приведена вторая упрощенная блок-схема способа контроля ошибок в схеме, изображенной на фиг.3A.

На фиг.4A приведен третий вариант осуществления схемы с динамически меняющимся диапазоном входных сигналов.

На фиг.4B приведена третья упрощенная блок-схема способа контроля ошибок в схеме, изображенной на фиг.4A, 5.

На фиг.5 приведен четвертый вариант осуществления схемы с динамически меняющимся диапазоном входных сигналов.

На фиг.6 приведен вариант осуществления схемы опорного сигнала.

На фиг.7 приведена блок-схема схемы передатчика, в которой могут использоваться схемы и способы, такие как описаны выше на фиг.2-6.

На фиг.8A, 8B, 8C приведены схемы, которые могут использоваться в аналоговых системах для обеспечения масштабирования, инвертирования и смещения уровня аналогового входного сигнала.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

В вариантах осуществления, приведенных на фиг.2-8, схема включает мультиплексор (МП), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и процессор (как правило, микроконтроллер (МК)). Процессор выдает цифровой выходной сигнал, который является представлением аналоговых входных сигналов. Для обнаружения неисправностей процессор сравнивает последовательность цифровых выходных сигналов от аналого-цифрового преобразователя с последовательностью хранящихся нормальных диапазонов, которые соответствуют цифровым выходным сигналам. Процессор выдает выходной сигнал ошибки, когда один из цифровых выходных сигналов выходит за пределы своего нормального диапазона. Такая схема обеспечивает обнаружение короткого замыкания между аналоговыми входными штырьковыми выводами на мультиплексоре, застрявших бит в аналого-цифровом преобразователе и других неисправностей. Такая схема особенно полезна в применениях, относящихся к управлению технологическим процессом, когда используются стандарты контрольно-измерительных приборов системы безопасности (КИП СБ).

На фиг.1 приведена система 100 аналого-цифрового преобразователя, известная из уровня техники. Аналоговая система 102 подает бесступенчато-регулируемые (аналоговые) напряжения A1, A2, A3,..., AN на мультиплексор 104. Каждое из аналоговых напряжений A1, A2, A3,..., AN имеет нормальный диапазон напряжения, обозначенный вертикальными диапазонами прямоугольников 1, 2, 3,..., N в 106. Аналоговые напряжения A1, A2, A3,..., AN могут представлять параметр технологического процесса, температуру, напряжение, установку калибровочной емкости и другие аналоговые переменные. В качестве составной части процесса разработки аналоговой системы 102 масштабируют аналоговые напряжения A1, A2, A3,..., AN таким образом, чтобы нормальный диапазон напряжений для каждого аналогового напряжения находился в пределах диапазона входных сигналов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 108. Диапазон входных сигналов АЦП 108 находится между нулем (общим) и опорным входным сигналом 110 АЦП 108. В качестве составной части процесса разработки системы преобразователя 100 выбирают опорный сигнал 112, который обеспечивает требуемый диапазон входных сигналов (от 0 до +REF), позволяющий вместить нормальные диапазоны всех аналоговых напряжений A1, A2, A3,..., AN. В процессе разработки принимают различные технические решения в попытке выбрать масштабирование для каждого аналогового входного сигнала, а также опорное напряжение таким образом, чтобы максимальное значение диапазона входных сигналов находилось вблизи верхнего предела (+REF), чтобы обеспечить высокое разрешение на цифровом выходе 114 АЦП 108. В результате этих технических решений диапазоны всех аналоговых напряжений в 106 стремятся находиться вблизи верхнего предела (+REF) и перекрывать друг друга по вертикали на шкале напряжений, как показано на чертеже.

Цифровой выход 114 АЦП соединен с микроконтроллером 116. Микроконтроллер 116 выдает цифровой выходной сигнал (M) 118, который поступает на мультиплексор (МП) 104. Мультиплексор 104 принимает цифровой выходной сигнал 118 и выбирает одно выходное напряжение AM для подачи на выход мультиплексора 120. Выходной сигнал 120 мультиплексора подается на аналоговый вход 122 АЦП 108. Микроконтроллер 116 осуществляет приращение или ступенчато повышает цифровой выходной сигнал M и получает цифровые представления на выходе 114 для каждого соответствующего цифрового входного сигнала A1, A2, A3,..., AN. Микроконтроллер 116 вычисляет требуемые значения выходных сигналов 124 как функцию от цифровых аналоговых входных сигналов A1, A2, A3,..., AN. Как правило, выходные сигналы 124 представляют параметры технологического процесса, в которые введена поправка на температуру, питающие напряжения, калибровочные установки и т.д., которые получают из аналоговой системы 102.

Соседние входные штырьковые выводы на мультиплексоре 104 находятся близко друг от друга и подвержены случайному или прерывистому короткому замыканию вследствие короткого замыкания 130 при сборке или эксплуатации мультиплексора 104 на печатной плате. Как указывалось выше, диапазоны напряжений для аналоговых напряжений A1, A2, A3,..., AN обычно группируются вместе и перекрывают друг друга. Когда два соседних штырьковых вывода замыкаются друг на друга, напряжение на двух замкнутых друг на друга штырьковых выводах обычно находится в пределах обоих диапазонов напряжений для этих замкнутых штырьковых выводов, и потому показание о "выходе за пределы диапазона" отсутствует, что не позволяет выявить факт наличия короткого замыкания. Аналоговые напряжения, которые лишь немного отличаются от правильных напряжений, могут быть преобразованы АЦП 108, и будут отсутствовать какие-либо указания на короткое замыкание. Один или несколько выходных сигналов 124 будут давать неточные данные, и эти неточные данные могут привести к тому, что система управления технологическим процессом будет работать неправильно и при этом будет отсутствовать надлежащее предупреждение об этом.

Цифровой выходной сигнал 114 из АЦП 108 представляет собой цифровое слово 132, которое содержит набор бит между наименьшим значащим битом (LSB) и наибольшим значащим битом (MSB). Число бит обычно соответствует выходному разрешению АЦП. Каждый бит вырабатывается при помощи одного или нескольких ключей, внутренних по отношению к АЦП 108. Эти внутренние ключи могут выходить из строя, и когда ключ выходит из строя, то, как правило, один бит 134 цифрового слова 132 застревает либо на высоком (1) уровне, либо на низком (0) уровне. Эта неисправность или отказ могут пройти незамеченными, особенно, когда этот бит находится вблизи наименьшего значащего бита (LSB), потому что аналоговые входные сигналы обычно имеют перекрывающиеся диапазоны, и застрявший бит будет воздействовать на них примерно одинаково. Выходные сигналы 124 дают неточные данные, и эти неточные данные могут привести к тому, что система управления технологическим процессом будет работать неправильно и при этом будет отсутствовать надлежащее предупреждение об этом.

Ниже со ссылкой на примеры, проиллюстрированные на фиг.2-8, описано, каким образом можно преодолеть эти проблемы, связанные с системой 100 АЦП.

На фиг.2A приведен первый вариант осуществления схемы 200 с динамически меняющимся диапазоном входных сигналов и выходным сигналом 219 ошибки. Схема 200, как правило, используется для обработки аналоговых переменных в передатчике параметров технологического процесса, такого как передатчик, приведенный на фиг.7, но может использоваться во многих других сферах применения, использующих мультиплексированный аналого-цифровой преобразователь.

Схема 200 принимает множество аналоговых входных сигналов A1, A2, A3,..., AN от аналоговой системы 202. Каждый аналоговый входной сигнал имеет соответствующий ему нормальный рабочий диапазон (ДИАПАЗОН 1, ДИАПАЗОН 2, ДИАПАЗОН 3,... ДИАПАЗОН N). Аналоговая система 202 была специально выполнена таким образом, чтобы нормальный рабочий диапазон каждого аналогового входного сигнала отличался от нормального рабочего диапазона других аналоговых входных сигналов. В предпочтительном варианте осуществления нормальные рабочие диапазоны аналоговых входных сигналов не перекрывают друг друга. В типичной аналоговой системе 202 аналоговые входные сигналы формируются посредством сочетания масштабирования, инвертирования и смещения уровня таким образом, чтобы обеспечить для каждого аналогового входного сигнала A уникальный нормальный рабочий диапазон. Примеры схем формирования описаны ниже в связи с фиг.8A, 8B, 8C.

Схема 200 включает мультиплексор (МП) 204, который принимает аналоговые входные сигналы A1, A2, A3,..., AN. Мультиплексор 204 имеет вход 218 выбора, который выбирает один из аналоговых входов A1, A2, A3,..., AN для их соединения с выходом (AM) мультиплексора для выдачи последовательности аналоговых выходных сигналов 220. В предпочтительном варианте осуществления входной сигнал 218 выбора мультиплексора представляет собой многобитовое слово и просто отсчитывается в восходящем (нисходящим) направлении для перебора аналоговых входных сигналов в порядке номеров. Мультиплексор 204 предпочтительно содержит аналоговый мультиплексор на интегральной схеме, например, Analog Devices AD7501, поставляемый компанией Analog Devices, Inc., Норвуд, штат Массачусетс.

Схема 200 также содержит источник 212 опорного сигнала, который подает первое опорное напряжение на вход 210 опорного сигнала аналого-цифрового преобразователя 208. В одном предпочтительном варианте осуществления в схеме 200 предусмотрен отдельный эталон (например, диод Зенера или активный эталон). В другом предпочтительном варианте осуществления источник опорного сигнала представляет собой простой проводник в схеме 200, который соединен с общим эталоном (таким как, диод Зенера или активный эталон), который является частью аналоговой системы 202. В еще одном предпочтительном варианте осуществления используется источник опорного сигнала, который является частью коммерческой схемы 208 АЦП.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 208 принимает последовательность аналоговых выходных сигналов (AM) 220. АЦП 208 имеет вход 210 опорного сигнала, который принимает первое опорное напряжение от эталона 212. АЦП 208 преобразует последовательность аналоговых входных сигналов (AM) 220 в соответствующую последовательность цифровых выходных сигналов (DM) 214. Мультиплексор 204 представляет последовательность аналоговых выходных сигналов (AM) 220 в порядке номеров, и последовательность цифровых выходных сигналов (DM) также представлена в порядке номеров. Отдельные цифровые выходные сигналы DM могут быть представлены или в последовательном, или в параллельном формате в зависимости от используемого типа АЦП. В одном предпочтительном варианте осуществления используется, например, АЦП Analog Devices AD571. Цифровой выходной сигнал (для каждого последовательного или параллельного цифрового выходного сигнала в последовательности) содержит набор бит в диапазоне от наименьшего значащего бита (LSB) до наибольшего значащего бита (MSB), как показано на чертеже.

Схема 200 содержит схему 216 управления. Схема 216 управления подключает входной сигнал 218 выбора при помощи числовой последовательности, которая выбирает последовательность аналоговых выходных сигналов, подлежащих считыванию схемой 216 управления. Схема 216 управления сравнивает последовательность цифровых выходных сигналов 214 с хранящейся последовательностью нормальных диапазонов 217, которые соответствуют цифровым выходным сигналам 214, для выдачи или подключения выходного сигнала 219 ошибки, когда по меньшей мере один из цифровых выходных сигналов 214 находится за пределами хранящегося нормального диапазона 217. Схема 216 управления предпочтительно содержит микроконтроллер, например микроконтроллер National Semiconductor COP8SGE728M8. Контроль ошибок (проверка на соответствие нормальному диапазону) выполняется в фоновом режиме в схеме 216 управления. Схема управления выдает также выходной сигнал 221 в режиме реального времени, который представляет некий полезный параметр аналоговой системы 202. При типичном применении передатчика представляющий интерес параметр - это компенсированное давление, температура или расход потока, который отображается и используется для управления технологическим процессом.

Схема, приведенная на фиг.2A, выдает ошибки при проверке из-за коротких замыканий между аналоговыми входами A1, A2, A3,..., AN, которые все имеют неперекрывающиеся нормальные диапазоны. Когда два аналоговых входа замыкаются накоротко перемычкой 230, получающееся напряжение может находиться только в одном нормальном диапазоне и не может лежать в двух различных диапазонах, поскольку диапазоны не перекрываются. Это приводит к тому, что по меньшей мере для одного, а иногда и для обоих замкнутых аналоговых входов выявляется выход за пределы нормального диапазона. Короткое замыкание двух из множества аналоговых входов приводит к превышению нормального диапазона по меньшей мере одним цифровым выходным сигналом.

Схема, приведенная на фиг.2A, также выдает ошибки при проверке из-за того, что застрял один из бит выходного сигнала АЦП 208. Бит считают застрявшим, когда бит постоянно находится в одном логическом состоянии (0 или 1) или, иначе говоря, замкнут на одну из шин питания. При наличии застрявшего бита, поскольку аналоговые входные сигналы находятся каждый в различном диапазоне, воздействие застрявшего бита представляет различную долю от каждого выходного сигнала в последовательности, и существует большая вероятность, что схема 216 управления обнаружит, что один из цифровых выходных сигналов находится за пределами соответствующего хранящегося нормального диапазона. Последовательность цифровых выходных сигналов содержит цифровые слова с набором бит, и застревание одного из бит ведет к тому, что по меньшей мере один из цифровых выходных сигналов превышает свой соответствующий нормальный диапазон.

На фиг.2B приведен упрощенный пример блок-схемы контроля ошибок в фоновом режиме в системе, изображенной на фиг.2A. Процесс выполнения программы начинается с этапа НАЧАЛО 250 и продолжается в блоке 252 ветвления сравнением текущего выходного сигнала DM (то есть выходного сигнала D, когда входной сигнал выбора - M) с хранящимися данными нормальных диапазонов для диапазона M. Если выходной сигнал DM находится в нормальном диапазоне, то процесс выполнения программы переходит по линиям 254, 256 к функциональному блоку 258. В функциональном блоке 258 фоновая программа ждет, когда вход выбора М изменится на следующий номер. Если в блоке 252 ветвления выходной сигнал DM находится за пределами нормального диапазона, то процесс выполнения программы продолжается по линии 260 в функциональном блоке 262, который подключает выходной сигнал 219 ошибки (фиг.2A), а затем переходит по линиям 264, 256 к функциональному блоку 258. Когда входной сигнал выбора М меняется, то процесс выполнения программы начинается вновь и вновь переходит по линиям 266 к блоку 252 ветвления.

Достоинство схемы, приведенной на фиг.2A-2B, заключается в том, что она обеспечивает высокую степень уверенности в обнаружении застрявшего бита и короткозамкнутых штырьковых выводов. Проблема выдачи неточных данных на цифровой выход решается посредством выходного сигнала ошибки, который надежно предупреждает о застрявших битах и короткозамкнутых штырьковых выводах.

На фиг.3A приведен второй вариант осуществления схемы 300 с динамически меняющимся входным диапазоном и выходным сигналом 219 ошибки. Номера позиций на фиг.3A, которые совпадают с номерами позиций на фиг.2A, обозначают те же самые или подобные характеристики.

Схема 300 принимает ряд аналоговых входных сигналов A1, A2, A3,..., AN от аналоговой системы 302. Каждый аналоговый входной сигнал имеет связанный с ним нормальный диапазон (ДИАПАЗОН 1, ДИАПАЗОН 2, ДИАПАЗОН 3,... ДИАПАЗОН N). Аналоговая система 302 была специально выполнена таким образом, чтобы нечетные аналоговые входные сигналы (A1, A3,...) находились в нечетном нормальном рабочем диапазоне, а четные аналоговые входные сигналы (A2, A4,...) находились в четном нормальном рабочем диапазоне. В предпочтительном варианте осуществления четные и нечетные рабочие диапазоны аналоговых входных сигналов не перекрываются, и каждый из этих двух рабочих диапазонов занимает примерно половину диапазона входных сигналов АЦП 208. В другом предпочтительном варианте осуществления имеется небольшой зазор по напряжению между четным и нечетным диапазонами для повышения вероятности обнаружения ошибок. В типичной аналоговой системе 302 аналоговые входные сигналы формируются посредством сочетания масштабирования, инвертирования или смещения уровня так, чтобы аналоговые входные сигналы с чередующимися номерами находились в чередующихся нормальных рабочих диапазонах. Короткое замыкание между соседними штырьковыми выводами (один четный, другой нечетный), с высокой вероятностью, выводит один из соседних выходных сигналов за пределы его нормального диапазона. Застрявший бит в выходном сигнале 214 вызывает ошибки, которые между четными и нечетными выходными сигналами отличаются в типичном случае в два раза, и, таким образом, эти ошибки легко распознать. Примеры схем формирования, которые можно использовать для масштабирования, инвертирования и смещения уровня аналоговых напряжений, описаны ниже в связи с фиг.8A, 8B, 8C.

В схеме 300 хранящиеся данные о нормальных диапазонах содержат данные о четных нормальных диапазонах и данные о нечетных нормальных диапазонах. В других отношениях схема 300 аналогична схеме 200.

На фиг.3B приведен пример упрощенной блок-схемы контроля ошибок в фоновом режиме, используемой в системе, изображенной на фиг.3A. Процесс выполнения программы начинается в блоке 301 "НАЧАЛО" и переходит по линии 303 к блоку 304 ветвления. В блоке 304 ветвления проверяется номер "M" текущего входного сигнала выбора, чтобы установить, является ли он четным. Если номер "M" входного сигнала является четным, то процесс выполнения программы переходит по линии 306 к блоку 308 ветвления. Если номер "M" не является четным, то процесс выполнения программы переходит по линии 310 к блоку 312 ветвления.

В блоке 308 ветвления проверяется выходной сигнал DM из АЦП, чтобы установить, находится ли DM в четном сохраненном нормальном диапазоне. Если DM находится в четном сохраненном нормальном диапазоне, то процесс выполнения программы переходит по линии 314 и 316 к исполнительному блоку 318. Исполнительный блок 318 обеспечивает ожидание, пока обновляется значение M, и затем процесс выполнения программы переходит по линиям 320, 303 к началу процесса для следующего значения M.

Если в блоке 308 ветвления DM находится не в четном сохраненном нормальном диапазоне, то процесс выполнения программы переходит по линии 322 к исполнительному блоку 324. Блок 324 выполнения сообщает об ошибке (подключает выходной сигнал 219 на фиг.3A), и затем процесс выполнения программы переходит по линиям 326, 316 к исполнительному блоку 318.

Если в блоке 312 ветвления DM находится в нечетном диапазоне, то процесс выполнения программы переходит по линиям 328, 316 к исполнительному блоку 318. Если в блоке 312 ветвления DM не находится в нечетном диапазоне, то процесс выполнения программы переходит по линии 330 к исполнительному блоку 324.

Схемы, приведенные на фиг.3A-3B, обеспечивают контроль ошибок при помощи только двух нормальных диапазонов.

Единое аналоговое напряжение, подаваемое, например, по шине питания, можно масштабировать при помощи резистивной схемы с получением одного аналогового входного сигнала в верхнем (четном) диапазоне и другого аналогового входного сигнала в нижнем (нечетном) диапазоне. Схема 216 управления может сравнивать эти два значения и проверять постоянство отношения резистивного масштабирования в качестве дополнительного контроля ошибок.

На фиг.4A приведен третий вариант осуществления схемы 400 с динамически меняющимся диапазоном входных сигналов и выходным сигналом 219 ошибки. Номера позиций на фиг.4A, которые совпадают с номерами позиций на фиг.3A, обозначают те же самые или аналогичные характеристики.

Схема 400 на фиг.4A содержит первый переключатель 406, который соединен с выходом 210 опорного сигнала на АЦП 208. Источник 213 опорного сигнала вырабатывает первый опорный сигнал 402, а также вырабатывает второй опорный сигнал 404, который отличается от первого опорного сигнала 402.

Схема 216 управления управляет первым переключателем 406 для подачи первого опорного сигнала 402 на аналого-цифровой преобразователь 208, когда выбран аналоговый вход с нечетным номером (A1, A3,...). Схема 216 управления управляет первым переключателем 406 для подачи второго опорного сигнала 404 на аналого-цифровой преобразователь, когда выбран аналоговый вход с четным номером (A2, A4,...). Переключение, которое обеспечивает первый переключатель 406, смещает диапазон выходного сигнала АЦП 208. Говоря проще, выходной сигнал DM из АЦП представляет собой цифровое слово, масштабированное посредством умножения напряжения на аналоговом входе AM, деленного на напряжение на опорном входе 210, на диапазон счета АЦП. Соответственно в схеме 216 контроля хранятся данные 215, которые являются данными смещенного нормального диапазона. Схема на фиг.4A обеспечивает улучшенное разрешение АЦП для нижнего диапазона и при этом по-прежнему обеспечивает обнаружение ошибок между соседними штырьковыми выводами аналоговых входов. В других отношениях схема 400 на фиг.4A аналогична схеме 300 на фиг.3.

На фиг.4B приведена упрощенная блок-схема контроля ошибок в системе, изображенной на фиг.4A. Номера позиций на фиг.4B, совпадающие с номерами позиций на фиг.3B, обозначают одинаковые или аналогичные характеристики. На фиг.4B блоки 309, 313 ветвления проверяют не нахождение сигнала DM в диапазоне (фиг.3B), а нахождение сигнала DM в смещенном диапазоне. В других отношениях блок-схема на фиг.4B аналогична блок-схеме на фиг.3B.

Схемы, приведенные на фиг.4A-4B, предусматривают, что как в четном, так и в нечетном диапазоне аналоговые входы используют весь диапазон выходных сигналов АЦП 208, поскольку опорный входной сигнал повышает аналоговые входные сигналы с низкими значениями, находящимися в нижнем (четном) диапазоне.

На фиг.5 приведен четвертый вариант осуществления схемы 500 с динамически меняющимся диапазоном входных сигналов и выходным сигналом 219 ошибки. Номера позиций на фиг.5, которые совпадают с номерами позиций на фиг.4A, обозначают одинаковые или аналогичные характеристики.

На фиг.5 схема 500 содержит второй переключатель 502. АЦП 208 снабжен дифференциальными аналоговыми входами +IN и -IN. Второй переключатель 502 соединен с дифференциальным входом -IN, а аналоговый вход AM соединен c дифференциальным входом +IN. Схема 216 управления управляет вторым переключателем 502 для соединения выбранного второго опорного сигнала 404 и общего провода 504 (ноль вольт) с дифференциальным входом -IN. Переключатели 406 и 502 работают синхронно так, чтобы можно было одновременно сдвигать верхний и нижний пределы диапазона АЦП 208. Эта схема обеспечивает улучшенное обнаружение ошибок при сохранении высокого разрешения АЦП. Входное значение из нечетного диапазона создаст значение DM на выходе АЦП с максимальным отсчетом, если поступит в конфигурацию переключателей, соответствующую четному диапазону. Аналогично входное значение из четного диапазона создаст значение DM на выходе АЦП с минимальным отсчетом, если поступит в конфигурацию переключателей, соответствующую нечетном диапазону. В других отношениях схема 500 на фиг.5 аналогична схеме 400 на фиг.4A.

На фиг.6 приведен вариант осуществления схемы 600 переключения опорного сигнала, которая обеспечивает выбор уровня опорного напряжения 602, подаваемого на вход опорного сигнала АЦП. Управление выбором уровня осуществляется по управляющей линии 604 от схемы управления, например от микроконтроллера.

Управляющая линия 604 включает переключатель 606, который замыкает накоротко резистор 608. Резистор 608 входит в состав резистивного делителя напряжения 614 наряду с резисторами 610, 612. Резистивный делитель напряжения 614 обеспечивает подачу опорного напряжения по линии 616 к буферной схеме 618. Схему 600 переключения опорного сигнала можно, например, использовать вместо опорного сигнала 213 и переключателя 406 на фиг.4А.

Управление схемой 600 переключения опорного сигнала осуществляется таким образом, чтобы она вырабатывала первый опорный сигнал на первом уровне, когда выбран аналоговый входной сигнал с нечетным номером, и вырабатывала первый опорный сигнал на втором уровне, когда выбран аналоговый входной сигнал с четным номером.

На фиг.7 приведена блок-схема, изображающая один пример схемы 700 передатчика, в которой могут использоваться схемы и программное обеспечение типа описанных выше на фиг.2-6. На фиг.7 приведена электронная схема 750 функционального модуля, соединенная с двухпроводным контуром 718 управления технологическим процессом через параллельный регулятор 699 и резистор 701 обратной связи контура. Ряд регуляторов 702, 704, 706 напряжения, подключенных по каскадной схеме, обеспечивают подачу питания от контура 718 к электронной схеме 750 функционального модуля 750, а также к электронной схеме 752 модуля датчика. Приведена также электронная схема 752 модуля датчика, соединенная с параметром технологического процесса через датчик 712 параметра технологического процесса. Приведен также необязательный дисплей 714 выходного сигнала.

Схема 762 блокировки контура служит выходом сигнала ошибки и частично реализована в микропроцессоре 738, который соединен с цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) 722 и с мультиплексированной схемой 764 преобразователя, которая содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), мультиплексор и эталон, как описано выше в связи с фиг.2-5. Мультиплексированная схема 764 преобразователя выполнена с возможностью измерения напряжения на резисторе 701 (измеряемый ток контура), а также считывает регулируемые напряжения питания в узлах 703, 705 и 707. Мультиплексированная схема 764 преобразователя измеряет также напряжение в узле 709, который характеризует ток питания от регулятора 704 напряжения.

В процессе работы микроконтроллер выполнен с возможностью управления током I, текущим через контур 718, а также любыми цифровыми данными, которыми модулирован этот ток, при помощи ЦАП 722 и параллельного регулятора 699. Мультиплексированная схема 764 преобразователя выдает выходные сигналы 765 (сравнимые с выходными сигналами 214 на фиг.2-5), которые характеризуют различные измеряемые аналоговые напряжения. Мультиплексированная схема 764 преобразователя может также быть соединена с другими напряжениями или компонентами, имеющимися в передатчике 700. Микроконтроллер 738 содержит память 740, в которой хранятся данные о нормальных диапазонах (сравнимые с данными 215, 217 на фиг.2-5), используемые для обнаружения ошибок, таких как замыкание штырьковых выводов или застрявший бит выходного сигнала, как описано выше в связи с фиг.2-5.

После обнаружения короткого замыкания или застрявшего бита микроконтроллер 738 передает сигнал предупреждения по линии 761 для включения схемы 762 блокировки контура. После чего ток I, текущий через контур 718, устанавливается на фиксированном уровне. В некоторых вариантах осуществления схема внутри устройства может быть отсоединена или отключена, чтобы обеспечить подачу достаточного количества энергии на другие схемы для обеспечения требуемого выходного сигнала. Один способ обеспечения блокировки контура заключается в том, чтобы отключить устройство или иным образом отсоединить устройство от контура управления технологическим процессом. Изменение в токе контура указывает на неисправность в передатчике 700 сигналов в контур 718, и это обстоятельство может использовать соединенная с контуром система управления для принятия мер по прекращению управляемого технологического процесса при помощи контрольно-измерительных приборов системы безопасности (КИП СБ).

На фиг.7 приведена также необязательная контрольная схема 750, соединенная с микроконтроллером 738. Контрольная схема 750, в случае ее применения, должна периодически запускаться микроконтроллером 738. Если микроконтроллер 738 прекращает запускать контрольную схему 750, то можно предположить наличие неисправности. Примеры включают, в частности, неправильный процесс выполнения программы, неисправность микропроцессора или памяти, ошибки датчика тактовых импульсов и т.д. Если контрольная схема 750 не запускается, контрольная схема 750 посылает в схему 762 блокировки контура сигнал, чтобы схема 762 блокировки контура выставила на контуре 718 управления технологическим процессом уровень тока, соответствующий сигналу предупреждения.

На фиг.8A, 8B, 8C приведены схемы, которые можно использовать в аналоговых системах для обеспечения масштабирования, инвертирования или смещения уровня аналогового входного сигнала. На фиг.8A приведена схема формирования сигнала, в которой аналоговое напряжение 800 от аналоговой системы усиливается усилителем 802 для получения масштабированного выходного сигнала, который может быть подан на вход АЦП. На фиг.8B приведена схема формирования сигнала, в которой аналоговое напряжение 810 от аналоговой системы уменьшено на коэффициент, определяемый резистивным делителем напряжения для получения уменьшенного выходного сигнала 814, который может быть подан на вход АЦП. На фиг.8C приведена схема формирования сигнала, в которой аналоговое напряжение 820 подается на инвертирующий вход 821 усилителя 822 через резистор. Опорное напряжение 824 также подается на инвертирующий вход 821 через резистор. Схема, изображенная на фиг.8C, обеспечивает масштабирование, инвертирование и смещение уровня посредством выбора значений резистора и опорного напряжения 824 для получения выходного сигнала 826, который может быть подан на вход АЦП.

Характеристики, описанные в связи с одним вариантом осуществления, могут быть соответствующим образом отнесены к другим вариантам осуществления изобретения. Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что можно изменить форму и частности, не отклоняясь от объема притязаний изобретения.

Изобретение относится к контрольно-измерительным приборам системы безопасности и передатчикам управления технологическим процессом. Неисправности, которые могут возникнуть в электрической схеме, - это короткое замыкание между соседними входными штырьковыми выводами мультиплексора (МП), а также нарушение в работе аналого-цифрового преобразователя (АЦП), в котором один из бит цифрового сигнала застревает либо на высоком уровне, либо на низком уровне. Технический результат заключается в повышении надежности. Схема (200) содержит МП (204), АЦП (208) и процессор (216), который сравнивает последовательность (DM) цифровых выходных сигналов от АЦП (208) с последовательностью (217) нормальных диапазонов, которые соответствуют цифровым выходным сигналам, для выдачи выходного сигнала (219) ошибки, когда один из цифровых выходных сигналов находится за пределами своего нормального диапазона. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Схема для обнаружения ошибки, содержащая: мультиплексор, имеющий входной сигнал выбора и последовательность аналоговых выходных сигналов, которые выбраны из множества аналоговых входных сигналов, выдаваемых аналоговой системой; источник опорного сигнала, выдающий первый опорный сигнал; аналого-цифровой преобразователь, принимающий последовательность аналоговых выходных сигналов и первый опорный сигнал, и выдающий последовательность цифровых выходных сигналов; и схему управления, подключающую входной сигнал выбора для выбора последовательности аналоговых выходных сигналов, причем схема управления сравнивает последовательность цифровых выходных сигналов с хранящейся последовательностью нормальных диапазонов, которые соответствуют цифровым выходным сигналам, для выдачи выходного сигнала ошибки, когда по меньшей мере один цифровой выходной сигнал находится за пределами своего нормального диапазона, причем схема управления также выдает выходной сигнал в режиме реального времени, который представляет полезный параметр аналоговой системы.2. Схема по п.1, в которой, по меньшей мере, два нормальных диапазона не перекрывают друг друга.3. Схема по п.2, в которой короткое замыкание двух из множества аналоговых входных сигналов приводит к тому, что, по меньшей мере, один цифровой выходной сигнал выходит за пределы соответствующего нормального диапазона.4. Схема по п.2, в которой входной сигнал выбора содержит цифровое слово с набором бит и в которой застревание одного из набора бит приводит к тому, что, по меньшей мере, один цифровой выходной сигнал выходит за пределы соответствующего нормального диапазона.5. Схема по п.2, в которой последовательность цифровых выходных сигналов содержит цифровые слова с набором бит, и в котором застревание одного из бит приводит к тому, что, по меньшей мере, один цифровой выходной сигнал выходит за пределы нормального диапазона.6. Схема по п.1, в которой каждый нормальный диапазон отличается от другого нормального диапазона и не перекрывается с другим нормальным диапазоном.7. Схема по п.1, в которой нормальные диапазоны содержат нечетный диапазон и четный диапазон, и множество аналоговых входных сигналов соединяется с мультиплексором в порядке номеров так, что аналоговые входные сигналы с нечетными номерами вырабатывают цифровые выходные сигналы, которые находятся в нечетном диапазоне, а аналоговые входные сигналы с четными номерами вырабатывают цифровые выходные сигналы, которые находятся в четном диапазоне.8. Схема по п.7, которая также содержит первый переключатель; при этом источник опорного сигнала вырабатывает второй опорный сигнал, который отличается от первого опорного сигнала; и при этом схема управления управляет первым переключателем для подачи первого опорного сигнала на аналого-цифровой преобразователь, когда выбран аналоговый входной сигнал с нечетным номером, и управляет первым выключателем для подачи второго опорного сигнала на аналого-цифровой преобразователь, когда выбран аналоговый входной сигнал с четным номером.9. Схема по п.8, которая также содержит второй выключатель; и при этом аналого-цифровой преобразователь содержит первый и второй дифференциальные входы, причем аналоговый выходной сигнал соединен с первым дифференциальным входом; и схема управления управляет вторым переключателем для соединения в зависимости от сделанного выбора второго опорного сигнала или общего провода со вторым дифференциальным входом.10. Схема по п.1, в которой схема управления управляет источником опорного сигнала для выработки первого опорного сигнала на первом уровне, когда выбран аналоговый входной сигнал с нечетным номером, и для выработки первого опорного сигнала на втором уровне, когда выбран аналоговый входной сигнал с четным номером.11. Способ обнаружения ошибки, содержащий этапы, на которых предоставляют множество аналоговых входных сигналов, выработанных аналоговой системой; вырабатывают последовательность аналоговых выходных сигналов, которые выбирают из множества аналоговых входных сигналов в зависимости от входного сигнала выбора; предоставляют первый опорный сигнал; принимают последовательность аналоговых выходных сигналов и первый опорный сигнал и выдают последовательность цифровых выходных сигналов, которые представляют последовательность аналоговых выходных сигналов; и подключают входной сигнал выбора для выбора последовательности аналоговых выходных сигналов; и сравнивают последовательность цифровых выходных сигналов с хранящейся последовательностью нормальных диапазонов, которые соответствуют цифровым выходным сигналам, для выдачи выходного сигнала ошибки, когда, по меньшей мере, один цифровой выходной сигнал находится за пределами своего нормального диапазона; и предоставляют выходной сигнал в режиме реального времени, который представляет полезный параметр аналоговой системы.12. Способ по п.11, в котором, по меньшей мере, два нормальных диапазона не перекрывают друг друга.13. Способ по п.12, в котором, по меньшей мере, один аналоговый входной сигнал выходит за пределы соответствующего нормального диапазона, когда два из множества аналоговых сигналов замыкаются накоротко друг на друга.14. Способ по п.12, в котором, по меньшей мере, один цифровой выходной сигнал выходит за пределы соответствующего нормального диапазона, когда застревает один выходной бит во входном сигнале выбора.15. Способ по п.12, в котором, по меньшей мере, один цифровой выходной сигнал выходит за пределы соответствующего нормального диапазона, когда застревает один выходной бит в цифровых выходных сигналах.16. Способ по п.11, в котором каждый нормальный диапазон отличается от других нормальных диапазонов и не перекрывает другой нормальный диапазон.17. Способ по п.11, который также содержит этапы, на которых предусматривают нормальные диапазоны в виде нечетного диапазона и четного диапазона; и соединяют множество аналоговых входных сигналов с мультиплексором в порядке номеров так, чтобы аналоговые входные сигналы с нечетными номерами вырабатывали цифровые выходные сигналы, которые находятся в нечетном диапазоне, а аналоговые входные сигналы с четными номерами вырабатывали цифровые выходные сигналы, которые находятся в четном диапазоне.18. Способ по п.17, который также содержит этапы, на которых предусматривают первый переключатель; вырабатывают второй опорный сигнал, который отличается от первого опорного сигнала; и управляют первым переключателем для подачи первого опорного сигнала на аналого-цифровой преобразователь, когда выбран аналоговый входной сигнал с нечетным номером, и управляют первым переключателем для подачи второго опорного сигнала на аналого-цифровой преобразователь, когда выбран аналоговый входной сигнал с четным номером.19. Способ по п.18, который также содержит этапы, на которых предусматривают второй переключатель; предусматривают первый и второй дифференциальные входы на аналого-цифровом преобразователе, соединяют аналоговый выходной сигнал с первым дифференциальным входом, и управляют вторым переключателем так, чтобы соединить в зависимости от сделанного выбора второй опорный сигнал или общий провод со вторым дифференциальным входом.20. Способ по п.11, который также содержит этапы, на которых управляют источником опорного сигнала для выработки первого опорного сигнала на первом уровне, когда выбран аналоговый входной сигнал с нечетным номером, и управляют источником опорного сигнала для выработки первого опорного сигнала на втором уровне, когда выбран аналоговый входной сигнал с четным номером.21. Схема для обнаружения ошибки, содержащая мультиплексор, имеющий входной сигнал выбора и последовательность аналоговых выходных сигналов, которые выбраны из множества аналоговых входных сигналов; источник опорного сигнала, выдающий первый опорный сигнал; аналого-цифровой преобразователь, принимающий последовательность аналоговых выходных сигналов и первый опорный сигнал и выдающий последовательность цифровых выходных сигналов; и средство подключения входного сигнала выбора для выбора последовательности аналоговых выходных сигналов и сравнения последовательности цифровых выходных сигналов с хранящейся последовательностью нормальных диапазонов, которые соответствуют цифровым выходным сигналам, для выдачи выходного сигнала ошибки, когда по меньшей мере один цифровой выходной сигнал находится за пределами своего нормального диапазона; и средство выдачи выходного сигнала в режиме реального времени, который представляет полезный параметр аналоговой системы.22. Схема по п.21, в которой, по меньшей мере, два нормальных диапазона не перекрывают друг друга.23. Схема по п.22, в которой короткое замыкание между двумя из множества аналоговых входных сигналов приводит к тому, что, по меньшей мере, один цифровой выходной сигнал выходит за пределы соответствующего нормального диапазона.24. Схема по п.22, в которой входной сигнал выбора содержит цифровое слово с набором бит и в которой застревание одного из бит приводит к тому, что, по меньшей мере, один из цифровых выходных сигналов выходит за пределы соответствующего нормального диапазона.25. Схема по п.22, в которой последовательность цифровых выходных сигналов содержит цифровые слова с набором бит и в которой застревание одного из бит приводит к тому, что, по меньшей мере, один цифровой выходной сигнал выходит за пределы соответствующего нормального диапазона.