JPH0575465A - フイールド機器用ａ／ｄ変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】伝送路上で動作電力受給，信号の伝送を行なう
フィールド機器のＡ／Ｄ変換器において、低消費電力化
により、高速化と高分解能化を可能とする。 【構成】フィールド機器は、伝送路と介して外部電源か
ら供給され電力により動作する。フィールド機器内のＡ
／Ｄ変換器は、積分形を使用し、クロック入力により、
積分時間をカウンタ１６で係数することにより変換す
る。ゲート１７，１７′はロジックレベルでの変化を必
要最小限にするように、クロック入力とカウンタ１６の
出力に接続され、回路全体での消費電力を低減してい
る。 【効果】このため、Ａ／Ｄ変換に使用するクロックのス
ピードを上げることができ、Ａ／Ｄ変換の分解の向上、
またはＡ／Ｄ交換周期の高速化が行なえるという効果が
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２線式伝送路上での信
号伝送を行なうフィールド機器のＡ／Ｄ変換器に係り、
特に、消費電力を低く抑えるのに好適なＡ／Ｄ変換器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】いわゆるフィールド機器と称される機器
は各種プラントの圧力，温度，流量などの物理量を検出
し、その値を電気信号に変換し、伝送路を介して上位機
器へ伝送したり、また、逆に、上位機器から伝送される
制御信号を受信し、プラントのバルブなどを制御してい
るのが通常である。

【０００３】そして、該電気信号は、伝送信号がアナロ
グ信号の場合に、規格化されており、フィールド機器と
上位機器との間は４〜２０ｍＡのアナログ電流信号の伝
送が行なわれている。また、一般的にはフィールド機器
と上位機器との間は、アナログ信号での一方向通信が行
なわれていた。

【０００４】しかし、近年、半導体集積回路技術の向上
により、マイクロプロセッサ内蔵のフィールド機器が開
発され実用化されてきている。これによれば、前記伝送
路上で一方向のアナログ信号の通信のほかに、双方向の
ディジタル信号の通信を行ない、フィールド機器のレン
ジ設定，自己診断などを遠隔から指令できるようになっ
てきている。

【０００５】また、最近、複数台のフィールド機器を同
一伝送炉上に接続し、双方向のディジタル信号だけで通
信を行なうシステムとしてフィールドバス・システムが
提案され、その仕様の統一のための規格化作業が進めら
れている。

【０００６】これらのフィールド機器は、屋外に設置さ
れることから、厳しい環境条件での動作が必要であり、
かつ、プラントの制御用に使われることから高精度で検
出することが要求されている。また、２線式伝送路を使
用し、信号伝送を行なうだけでなく、フィールド機器自
体が動作するための電力を前記２線式伝送路を介して受
給するため、機器全体で消費する電力に制限がある。た
とえば、４〜２０ｍＡのアナログ電流信号伝送を行なう
フィールド機器の場合においては、機器全体で消費する
電流が４〜２０ｍＡの伝送信号の中に含まれるので、前
記消費電流を４ｍＡ以下の低消費電力状態で動作しなけ
ればならない。

【０００７】このため、前記フィールド機器に使用する
Ａ／Ｄ変換は、広い温度範囲において、高精度，低消費
電力動作が必要であった。

【０００８】Ａ／Ｄ変換方式として、逐次比較方式，積
分方式などがあげられるが、逐次比較方式は、高精度化
に不向きであるという点から、フィールド機器では、積
分方式のＡ／Ｄ変換器が使われていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した積分
形のＡ／Ｄ変換器にあっては、積分値をカウントするカ
ウンタで、常時Ａ／Ｄ変換値をカウントする方式のた
め、高精度でＡ／Ｄ変換するには、高速のクロックを前
記カウンタに供給する必要があった。カウンタなどに使
われるＣＭＯＳのロジックＩＣの消費電力は、ディジタ
ル信号の“Ｈ”,“Ｌ”変化により動く電荷量に比例す
ることから、高速のクロックを使用すると消費電力が増
大するという問題があった。よって、従来においては、
高速クロックを使用せず、Ａ／Ｄ変換時間を長くとるこ
とにより、Ａ／Ｄ変換精度を高めていた。このため、フ
ィールド機器の出力値を更新する周期が長くなり、セン
サの応答スピードを速くしても、Ａ／Ｄ変換器のスピー
ドが遅いために、高速制御に適したフィールド機器が構
成できないという問題があった。

【００１０】本発明は、以上の積分方式Ａ／Ｄ変換器の
欠点を解決し、低消費電力動作を行なう高精度で変換時
間の速いＡ／Ｄ変換器を提供するとを目的としており、
さらに、高速制御に適したフィールド機器を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を構成するため
に、本発明は、積分方式Ａ／Ｄ変換器のカウンタ，制御
回路などのディジタル回路において、ゲートを用いてデ
ィジタル信号の“Ｈ”，“Ｌ"変化の少ない回路構成に
することにより、消費電力を抑えるようにしたものであ
る。

【００１２】

【作用】このようなフィールド機器のＡ／Ｄ変換器は、
基準となるクロック周波数を高くする程、消費電力が増
大する方向にあるが、Ａ／Ｄ変換器の分解能が向上で
き、高精度化できる。前述の通り、ロジック部の消費電
力は、（電源電圧）×（負荷容量）×（変化回数）に比
例するものであり、本発明においては、回路全体の
“Ｈ”，“Ｌ"の変化回数をゲートを用いて、必要最小
限に抑えている。それによって、フィールド機器の制約
条件である消費電力を満足した状態で、Ａ／Ｄ変換器の
高精度化、またはＡ／Ｄ変換周期の高速化ができる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を用いて、本発明の一実施例を説
明する。

【００１４】図１は、２線式フィールド機器１の出力が
４〜２０ｍＡのアナログ電流信号からなり、このアナロ
グ電流信号に重畳されたディジタル信号によって上位計
器３、またはコミュニケータ２との間で通信を行なう場
合の構成図を示す。

【００１５】同図において、概略を示すと、２線式フィ
ールド機器１には、複合センサ108を有し、このセンサ
１０８は各種プラントにおける圧力，温度，流量などの
物理量を検出し、外部電源４から供給される電力によっ
て動作するようになっている。そして、前記センサ１０
８からの出力は、２線式フィールド機器１内で種々の処
理が行なわれ、その処理それた信号は、２線式伝送路５
を介して、上位計器３に出力されるようになっている。
前記上位計器３は前記伝送路５の間に抵抗３０を備え、
この抵抗３０の間の電圧を検知することにより、前記２
線式フィールド機器１からの物理量を受信できるように
なっている。そして、さらに通信器３２を内蔵してお
り、前記ディジタル信号によって、前記２線式フィール
ド機器１との間で通信を行ない、例えば、自己診断情報
の読み出し、レンジ値の変更等の処理を行なうようにな
っている。また、前記伝送路５上の２線式フィールド機
器１と外部電源４との間にコミュニケータ２が接続さ
れ、このコミュニケータ２は、前記ディジタル信号によ
って、前記２線式フィールド機器１と通信を行ない、例
えば、２線式フィールド機器１の入出力信号にモニタ，
校正等の処理を行なうようになっている。

【００１６】次に、前記２線式フィールド機器１の構成
を示す。複合センサ１０８からの各出力は、マルチプレ
クサ１０９に入力されるようになっている。前記マルチ
プレクサ１０９には、Ｉ／Ｏインターフェィス１０６か
らの入力切替信号が入力され、その出力はＡ／Ｄ変換器
１０５に入力されるようになっている。さらに、マイク
ロプロセッサ１０１があり、このマイクロプロセッサ１
０１は前記Ａ／Ｄ変換器１０５から、順次、送り込まれ
る出力と、ROM103，RAM102に格納されている種々の係数
から補正演算を行ない、これにより真値を求め、予めRA
M102に設定されている出力レンジによって正規化した出
力値をＤ／Ａ変換器１０７へ出力するようになている。
このＤ／Ａ変換器１０７の出力は、加算器１１０を介し
てＶ／Ｉ変換器１１１へ入力され、このＶ／Ｉ変換器１
１の出力は、前記伝送路５を介して、上位計器３へ伝え
られるようになっている。なお、このＶ／Ｉ変換器１１
１は、入力信号に見合った電流（４〜２０ｍＡ）が伝送
路５を流れるように制御されるようになっている。

【００１７】前記加算器１１０には通信用のディジタル
信号が加算されるようになっており、Ｖ／Ｉ変換器１１
１を介して出力される信号は、アナログ信号に前記ディ
ジタル信号が重畳されたものとなっている。前記ディジ
タル理信号は、変調回路112から入力されるようになっ
ており、前記変調回路１１２は送受信回路１０４からの
出力を変調するようになっている。前記変調回路１１２
からの信号は例えば周波数変調のようにディジタル信号
の“１”，“０”に対応する２種類の周波数信号のほ
か、振幅変調のように信号の大きさで“１”，“０”に
対応するもの、位相変調のように２種類の位相が
“１”，“０”に対応するもの等が用いられている。

【００１８】次に、図１にてＡ／Ｄ変換器の動作を説明
する。ゲインアンプ１１は、入力信号を任意の倍率に増
幅し、二重積分形Ａ／Ｄ変換器の入力信号とする。二重
積分形Ａ／Ｄ変換器の動作は、まずスタートパルスによ
り、制御回路１５がリセットされ、前記入力信号を積分
しはじめるように、制御回路１５からスイッチ１２，積
分器１３では、カウンタ１６に制御信号が出力される。
スイッチ１２，積分器１３では、ＳＷ１のみ閉じて積分
を開始し、カウンタ１６ではスタートパルスに同期し
て、カウント値がリセットされ、その後、制御回路１５
を介して入力されるクロックにより、カウントを開始す
る。このカウント値が一定値になったとき、入力信号の
積分は続けられる。

【００１９】カウント値が一定値になったとき、カウン
タ１６より制御回路１５にオーバーフロー信号が入力さ
れ、制御回路１５では、カウンタ１６を再びリセットす
るとともに、スイッチ１２，積分器１３に制御信号を出
力しＳＷ２のみを閉じて、基準電圧（−Ｖ_R ）の積分を
開始する。この基準電圧の積分は前記ゲインアンプの出
力信号と極性が異なる信号であるため、積分器１３の出
力値は、反対方向に移行し、コンパレータ１４の出力値
が変わるまで続けられる。

【００２０】コンパレータ１４の出力は、制御回路１５
に入力され、前記コンパレータ出力値の変化に同期し
て、制御回路１５は、スイッチ１２，積分器１３，ゲー
ド１７，１７′へ制御信号を出力する。この制御信号に
より、スイッチ１２，積分器１３では、ＳＷ３のみ閉じ
て積分器１３を初期化し、一連のＡ／Ｄ変換動作を終了
する。また、このとき、制御回路１５からの制御信号に
より、制御回路１５自体に入力されるクロックは、ゲー
ト１７′で止められ、カウンタ１６の出力値更新が停止
し、同じく制御信号によりゲート１７からディジタル値
が出力される。ゲート１７の出力には、マイクロプロセ
ッサとのインターフェィスのために、複数のロジック回
路が接続されており、通常、カウンタ１６が動作してい
る期間は、ゲート１７で、カウンタ１６のロジックレベ
ルでの“Ｈ”，“Ｌ”の変動は、前記複数のロジック回
路まで伝わらない。このため、Ａ／Ｄ変換器内のカウン
タに関係するロジック回路では、ゲート１７により、必
要最小限の“Ｈ”,“Ｌ"変動のみで動作する。前記制御
回路１５に入力されるクロックにおいても、ゲート１
７′により、必要最小限のクロック入力のみで動作して
いる。

【００２１】また、負荷容量の面においても、“Ｈ”，
“Ｌ”の変化の多いクロックとカウンタ１６の出力にお
いて、接続されているゲート１７，１７′のＩＣ１個分
の負荷容量のみとなっている。

【００２２】これらのことから、ロジック回路の消費電
力は、前述の通り負荷容量と“Ｈ”，“Ｌ”の変化回数
に比例しているので、両方の面からも、本発明は低消費
電力化が図られたことがわかる。

【００２３】よって、本発明によれば、ロジックレベル
での変化回数と変化の多い部分での負荷容量を最小限に
抑えることができ、低消費電力化が実現できるという効
果がある。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によるＡ／Ｄ変換器によれば、消費電力を少なく
することが出来るので、一定のＡ／Ｄ変換周期内でクロ
ックを余分に使うことができる。よってＡ／Ｄ変換器の
高速化，高分解化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＡ／Ｄ変換器の一実施例の説明図
である。

【図２】フィールド機器の装置構成図である。

【符号の説明】

１…フィールド機器、２…コミュニケータ、３…上位計
器、４…外部電源、５…伝送路、１１…ゲインアップ、
１２…スイッチ、１３…積分器、１４…コンパレータ、
１５…制御回路、１６…カウンタ、１７、１７′…ゲー
ト。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プロセスの物理量を検出し、その検出値に
   対応した信号を伝送路の電流を変化させて出力するフィ
   ールド機器のＡ／Ｄ変換器においてセンサからのアナロ
   グ信号を積分する積分器と、クロックから前記積分器の
   積分時間を計数するカウンタとからなり、前記クロック
   入力と前記カウンタ出力にゲートを挿入し、回路全体で
   のロジックレベルでの変化を少なくしたことを特徴とす
   るフィルード機器用Ａ／Ｄ変換器。