JPH0735463Y2

JPH0735463Y2 - 信号伝送装置

Info

Publication number: JPH0735463Y2
Application number: JP1988034780U
Authority: JP
Inventors: 敏夫関口
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1988-03-16
Filing date: 1988-03-16
Publication date: 1995-08-09
Anticipated expiration: 2003-03-16
Also published as: JPH01139640U

Description

【考案の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本考案は、圧力或いは差圧などの物理量を電気信号に変
換して伝送線を介して負荷に電流伝送する信号伝送装置
に係り、特にこの伝送線を介してデジタル通信をするこ
とが出来るようにした信号伝送装置に関する。

〈従来技術〉受信器は２線の伝送線を介して伝送器に例えば4mAの電
源電流を供給すると共に、伝送器はプロセス変数等を例
えば0mA〜16mAの統一電流に変換して伝送線に送出す
る。従って、伝送線には4mA〜20mAの統一電流が伝送さ
れることになるが、この統一電流を受信器は受信抵抗で
受信してその内容を解読する。

そして、この伝送線に通信用のデジタル信号を重畳させ
てデジタル通信をする信号伝送装置は既に提案されてい
る。

この様な機能を持つ従来の信号伝送装置は例えば本出願
人により特願昭69−264172号（特開昭61−142828号）と
して提案されている。

以下、この概要を第３図を用いて説明する。伝送器14
は、センサ15、このセンサ15に接続されたアナログ／デ
ジタル変換器（A/D）16、このアナログ／デジタル変換
器16に接続されたマイクロプロセッサ（CPU）17、この
マイクロプロセッサ17に接続されたランダムアクセスメ
モリ（RAM）18、読出し専用メモリ（ROM）19、デジタル
／アナログ変換器（D/A）20、このデジタル／アナログ
変換器20に接続されたアナログ通信部21、およびマイク
ロプロセッサ17に接続されたユニバーサル非同期送受信
器（UART）22とこれに接続された変調復調回路23を持つ
デジタル通信部24とを備えている。

アナログ通信部21と変調復調回路23は共に２線式の伝送
線l₁、l₂に並列に接続されている。

一方、受信器25は、伝送線l₁、l₂に直列に接続された直
流電源26、アナログ通信部27と、伝送線l₁、l₂に並列に
接続された変調復調回路28とこれに接続されたユニバー
サル非同期送受信器29よりなるデジタル通信部30と、こ
のユニバーサル非同期送受信器29に接続された制御器31
と、この制御器31にそれぞれ接続された入力器32と表示
器33、などを備えている。

このような構成において、アナログ伝送は以下のように
実行される。

マイクロブロセッサ17はセンサ15が検出した物理量に対
応する電気信号に対してランダムアクセスメモリ18、読
出し専用メモリ19などを用いて直線性の補正などの所定
の演算を実行してデジタル信号に変換し、これをデジタ
ル／アナログ変換器20を介してアナログ通信部21に出力
し、ここで４〜20mAなどの電流信号に変換して伝送線
l₁、l₂に送出する。この場合、伝送器14の電源は伝送線
l₁、l₂を介して受信器25の直流電源26から供給される。
伝送線l₁、l₂を介して伝送されたアナログ信号はアナロ
グ通信部27で受信される。

一方、デジタル通信は以下に説明するように実行され
る。

デジタル通信は伝送器14のスパンを読み出したり、或い
は受信器25からスバンを変更するデータを伝送するなど
の目的で使用される。

マイクロプロセッサ17からの情報はユニバーサル非同期
送受信器22を介して送出され変調復調回路23でマーク信
号を示す一定振幅の周波数f₁の搬送波とスペース信号を
示す一定振幅の周波数f₂の搬送波に変調された送信信号
で伝送線l₁、l₂に送出される。この送信信号は変調復調
回路28で復調されユニバーサル非同期送受信器29を介し
て制御器31に入力されて処理され、その結果は表示器33
に表示される。また、逆に入力器32からオペレータによ
り入力された情報は制御器31、ユニバーサル非同期送受
信器29、を介して送出され変調復調回路28でマーク信号
を示す一定振幅の周波数f₃の搬送波とスペース信号を示
す一定振幅の周波数f₄の搬送波に変調された送信信号と
して伝送線l₁、l₂に送出される。この送信信号は変調復
調回路23で受信されデジタル信号が再現され、ユニバー
サル非同期送受信器22を介してマイクロプロセッサ17に
入力される。

このようにして、この従来の提案によればアナログ信号
とデジタル信号の双方を同時に伝送することができる
が、一方この場合に４〜20mAのアナログの電流信号に重
畳させる変調された送信信号の振幅が微小な大きさであ
るので、外来ノイズに弱い欠点を持つ。

そこで、この欠点を解決するために本出願人により昭和
62年12月２日に実用新案登録願（６）「考案の名称：信
号伝送装置」として第４図に示す構成の提案がなされて
いる。

この提案は、アナログとデジタルの双方を同時に伝送す
ることができ、かつ送信信号の振幅も比較的大きくなる
ように工夫されている。

以下、第４図について説明する。なお、以下の説明にお
いては、第３図に示す従来の信号伝送装置と同一の機能
を持つ部分には同一の符号を付して適宜にその説明を省
略する。

伝送器34は、第３図に示す伝送器14のアナログ通信部21
と変調復調回路23に対応する部分を除いて同様な構成を
持つ。

アナログ通信部35は、演算増幅器Q₁、トランジスタQ₂、
抵抗R₁、〜R₄などから構成されている。

演算増幅器Q₁の反転入力端（−）は抵抗R₁を介してデジ
タル／アナログ変換器20の出力端に、その非反転入力端
（＋）は抵抗R₂を介して共通電位点COMに、またその出
力端はトランジスタQ₂のベースにそれぞれ接続されてい
る。トランジスタQ₂のコレクタは、伝送線l₁に、そのエ
ミッタは共通電位点COMと共に抵抗R₃を介して伝送線l₂
に、それぞれ接続されている。

また、抵抗R₃の両端の電圧は抵抗R₄を介して演算増幅器
Q₁の反転入力端（−）に負帰還されている。

変調復調回路36は、増幅器C₁、検波回路C₂、振幅制御回
路C₃、抵抗R₅、R₆、スイッチSWなどから構成されてい
る。

このうち、変調回路の部分は以下のように構成されてい
る。演算増幅器Q₁の反転入力端（−）は抵抗R₅を介し
て、その非反転入力端（＋）は抵抗R₅を介して、それぞ
れスイッチSWの切替端に接続されている。また、スイッ
チSWの共通切替端は一端がデジタル／アナログ変換器20
の出力端に接続された振幅制御回路C₃を介して接続さ
れ、この共通切替端はユニバーサル非同期送受信器22の
デジタル信号で切り替えられる。

また、復調回路は次のように構成されている。増幅器C₁
の入力端は伝送線l₁、l₂に接続され、その出力端は検波
回路C₂の入力端に接続され、さらにその出力端はユニバ
ーサル非同期送受信器22に接続されている。

以上の変調復調回路36とユニバーサル非同期送受信器22
とで伝送器34のデジタル通信部30^-を構成している。

受信器側は第３図に示す受信器25と同一の構成で良い。

これは、伝送器34側ではこの伝送器を動作させるに必要
な電源は伝送線l₁、l₂を介して電源26から供給される4m
A以下の電流を用いて作られるので、その消費電力が制
限を受けてデジタル信号の振幅も自由に大きく設定する
ことは出来ないが、受信器25側では電源26を内蔵してい
るので、デジタル信号の振幅をノイズの影響を無視でき
る一定の大きさに設定することができるからである。

例えば、伝送器34で3.5mAの電流を消費して伝送器34の
回路電源を作っている場合には、デジタル信号の振幅は
０％（4mA）の時点では（４−3.5）＝0.5mAの片側振幅
としかとることができない。

次に、以上のように構成された第４図に示す実施例の動
作について第５図〜第７図を用いて説明する。

まず、アナログ伝送について説明する。センサ15からの
出力はアナログ／デジタル変換器16に読み込まれ、デジ
タル信号に変換されてマイクロプロセッサ17に入力され
る。マイクロプロセッサ17は、変更可能なパラメータや
一時的に記憶されたデータが格納されているランダムア
クセスメモリ18或いは演算プログラムや定数が記録され
ている読出し専用メモリ19を用いてゼロ調、スパン調あ
るいは温度補正などの演算を実行してデジタル／アナロ
グ変換器20に出力する。デジタル／アナログ変換器20で
変換されたアナログ電圧は演算増幅器Q₁、トランジスタ
Q₂により４〜20mAの電流出力に変換されて伝送線l₁l₂を
介して受信器25に伝送される。

次に、デジタル通信について説明する。第５図はデジタ
ル／アナログ変換器20の入出力特性を示す特性図であ
る。横軸は入力、縦軸は出力を示している。デジタル／
アナログ変換器20は０〜100％の入力に応じてその出力
端に１〜5Vのアナログ信号を出す。

第６図は振幅制御回路C₃の入出力特性を示す特性図であ
る。横軸は入力、縦軸は出力を示している。振幅制御回
路C₃はデジタル／アナログ変換器20のアナログ出力１〜
5Vに対して出力を逆Ｖ字形に振幅制限し、図示のように
例えば3Vの入力に対して最大の1Vを出力し、1Vと5Vの入
力に対しては1Vの出力をスイッチSWの共通切替端に出力
する。

このスイッチSWはユニバーサル非同期送受信器22からの
デジタル信号で切替えられ、振幅制御回路C₃の制限出力
が演算増幅器Q₁の反転入力端（−）或いは非反転入力端
（＋）に印加され、結果としてアナログ信号で振幅制限
されたデジタル信号が伝送線l₁、l₂に出力される。

次に、アナログ信号にデジタル信号が重畳された状態で
の動作について第７図を用いて説明する。第７図（イ）
はトランジスタQ₂の入力（０％〜100％）に対する電流
出力（4mA〜20mA）の状態を示している。トランジスタQ
₂は実際には電流出力が4mAのときには4mAから回路の消
費電流I_cを差し引いた下限電流I_lまでは電流出力を低下
させることができ、逆に電流出力が20mAのときには20mA
を越えて上限電流I_mまでは電流出力を増すことができ
る。従って、第３図に示す場合には入力が０％でも、50
％でも、100％でもいずれの場合でも第７図（ロ）に示
すように一律に回路の消費電流I_cで決まる一定の振幅±
I_lのデジタル信号しか重畳させ得ないが、第４図に示す
場合では第７図（ハ）に示す様に4mAと20mAの２点では
（ロ）の場合と同じであるが、その他の点ではいずれも
大きなデジタル信号を重畳させることができ、特に最も
使用頻度の多い50％の点では最大の振幅I_Mを持つデジタ
ル信号を重畳させることができる。従って、第４図に示
す実施例では外来ノイズに対して第３図に示す場合に比
べて強くなる。

一方、受信器25の入力器32からオペレータにより入力さ
れた情報、例えばスパンの読出し指令は制御器31、ユニ
バーサル非同期送受信器29、を介して送出され変調復調
回路28でマーク信号を示す一定振幅の周波数f₃の搬送波
とスペース信号を示す一定振幅の周波数f₄の搬送波に変
調された送信信号として伝送線l₁、l₂に送出される。こ
の送信信号は変調復調回路23の増幅器C₁で受信されその
出力が検波回路C₂で検波されてデジタル信号が再現さ
れ、ユニバーサル非同期送受信器22を介してマイクロプ
ロセッサ17に入力される。マイクロプロセッサ17はこの
情報を解読してそのデータをユニバーサル非同期送受信
器22に出力し、スイッチSW、演算増幅器Q₁トランジスタ
Q₂を介して伝送線l₁、l₂にデジタル信号として出力す
る。受信器25の変調復調回路28はこのデジタル信号を受
信し、ユニバーサル非同期送受信器29などを介して表示
器33に表示する。

〈考案が解決しようとする課題〉このようにして、第３図に示す従来の公知の信号伝送装
置は第７図（ロ）に示すように入力が０％でも、50％で
も、100％でもいずれの場合でも一律に回路の消費電流I
_cで決まる一定の振幅±I_lのデジタル信号しか重畳させ
得ない。

これに対して第４図に示す従来の先願に係る信号伝送装
置は第７図（ハ）に示す様に4mAと20mAの２点では
（ロ）の場合と同じであるが、その他の点ではいずれも
大きなデジタル信号を重畳させることができるように改
善されている。

しかし、入力が０％と100％では回路の消費電流I_cで決
まる一定の振幅±I_lの範囲でしかデジタル信号の振幅を
大きくすることができない欠点がある。

〈課題を解決するための手段〉この考案は、以上の課題を解決するために、センサで検
出された物理量に対応する電気信号を信号処理する信号
処理手段とこの信号処理手段の出力を電流信号に変換し
て２線よりなる伝送線を介して受信器に送出するアナロ
グ通信部と先の伝送線を介して先の受信器からデジタル
信号を受信しこれを解読処理して先の信号処理手段に出
力するデジタル通信部と先の伝送線を介して先の受信器
の電源から少なくとも電源電流の供給を受ける電源回路
とを有する伝送器と、先の伝送線から先の電流信号を受
信し先の伝送線を介してデジタル情報により変調された
先のデジタル信号を先の伝送器に送出する受信器とを具
備する信号伝送装置において、先の伝送器は、第１スイ
ッチ素子を介して先の伝送線から少なくとも先の電源電
流を先の電源回路と共に取り込みデジタル信号を先の受
信器に送出するあいだ先の伝送器の電源を賄う蓄電素子
と、先の電流信号に重畳するデジタル信号の振幅を先の
電源電流がゼロになるまで必要に応じて拡大できるバイ
アス電圧を第２スイッチ素子を介して先のアナログ通信
部に印加するバイアス電源と、先の信号処理手段の制御
のもとに先のデジタル信号を先の受信器に送出していな
いときは先の第１スイッチ素子がオン状態で先の第２ス
イッチ素子を先のバイアス電圧が印加されないオフ状態
とし先のデジタル信号を先の受信器に送出するときは先
の第１スイッチ素子がオフ状態で先の第２スイッチ素子
を先のバイアス電圧が印加されるオン状態に切り換える
制御手段とを具備するようにしたものである。

〈作用〉通常のアナログ伝送の場合は、伝送線から供給される電
流信号で伝送手段の電力を供給すると共に蓄電素子に充
電をする。アナログの電流信号にデジタル信号を重畳し
てデジタル通信をする場合は、蓄電素子からの電流で伝
送手段の電力を供給する。これによって、デジタル通信
のときは伝送線側から伝送手段側を見た伝送手段の消費
電流がみかけ上はゼロとなり、電流信号が4mAのときで
も最大±4mAという大きなデジタル信号の振幅を確保す
ることができる。

〈実施例〉以下、本考案の実施例について図面に基づいて説明す
る。第１図は本考案の１実施例の構成を示す。

伝送器37は第４図に示す変調復調回路36の部分が変調復
調回路38に変更されている変調復調回路38のスイッチSW₁の共通接点はバイアス電
源Ｅを介して共通電位点COMに接続されている。このス
イッチSW₁はユニバーサル非同期送受信器22からのデジ
タル信号で切替えられ、デジタル通信のときには演算増
幅器Q₁の反転入力端（−）と非反転入力端（＋）に交互
に切替えられる。その他の点は振幅制御回路C₃を除き変
調復調回路36とほぼ同一である。

蓄電素子39は、例えばコンデンサなどで構成され、伝送
線l₁からスイッチSW₂を介して接続されている。このス
イッチSW₂はユニバーサル非同期送受信器22からのデジ
タル信号で切替えられる。

また、この蓄電素子39に伝送器37の内部電源として用い
られる電圧を供給する電源回路40が並列に接続されてい
る。

受信器25側は基本的に第４図に示す構成とほぼ同じであ
る。

次に、以上のように構成された実施例の動作について第
２図を用いて説明する。第２図はデジタル信号の伝送時
の電流信号I_Lの状態を示す波形図である。

まず、アナログ信号のみを伝送する場合について説明す
る。

センサ15で検出した物理量に対応したアナログ信号はア
ナログ通信部35を介して伝送線l₁、l₂に送出される。こ
のアナログ信号のみの伝送状態ではユニバーサル非同期
送受信器22からのデジタル信号でスイッチSW₂がオンと
されて蓄電素子39が充電され、同時に電源回路40を介し
て伝送器37の内部電源が供給される。この場合はスイッ
チSW₁は中立の位置に保持されている。

次に、アナログ信号の伝送に加えてデジタル信号もこれ
に重畳する場合について説明する。

ユニバーサル非同期送受信器22からのデジタル信号でス
イッチSW₂をオフとし蓄電素子39に充電された電力を用
いて伝送器37で消費する電力を全てまかない、同時にス
イッチSW₁をオン状態として、ユニバーサル非同期送受
信器22からのデジタル信号でスイッチSW₁を切替えて、
演算増幅器Q₁の反転入力端（−）側と非反転入力端
（＋）側に、バイアス電圧Ｅを交互に印加し、この演算
増幅器Q₁を介して、第２図に示すように、ユニバーサル
非同期送受信器22からのデジタル信号に対応するデジタ
ル信号を、電流信号I_Lに重畳して伝送線L₁、L₂に送出す
る。

例えば、第２図に示す様に入力０％に相当する4mAの電
流信号でも伝送器37で消費される電力は蓄電素子39でま
かなわれるので、ほぼ0mAの程度まで±にデジタル信号
の振幅を大きくすることができる。

以上のようにして、デジタル通信の場合の伝送器37の消
費電流を見掛上ゼロにすることができる。その上、デジ
タル信号のプラス側の波形とマイナス側の波形の面積を
同じにしておくことによってその平均値はアナログ出力
と同一に保持することができ、受信器25へのデジタル伝
送による影響をなくすことができる。

なお、第１図に示す実施例ではユニバーサル非同期送受
信器22のデジタル出力でスイッチSW₂を切替える場合に
ついて説明したが、マイクロプロセッサ17からの信号で
直接切替えることもできる。

さらに、蓄電素子39としてはコンデンサの他に、例えば
ニッカドなどの２次電池も使用可能である。

〈考案の効果〉以上、実施例と共に具体的に説明したように本考案によ
れば、アナログ信号に重畳するデジタル信号の振幅を従
来に比べて均等にしかも大きくすることができるので、
外来ノイズによる影響を充分に小さくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】第１図は本考案の１実施例の構成を示すブロック図、第
２図は第１図に示す伝送器により伝送線に送出する電流
信号の波形を示す波形図、第３図は従来の第１の信号伝
送装置の構成を示すブロック図、第４図は従来の第１の
信号伝送装置の構成を示すブロック図、第５図は第４図
に示すデジタル／アナログ変換器の入出力特性を特性
図、第６図は第４図に示す振幅制御回路の入出力特性を
示す特性図、第７図は第４図に示す信号伝送装置の効果
を説明する説明図である。 14、34、37…伝送器、15…センサ、17…マイクロプロセ
ッサ、18…ランダムアクセスメモリ、19…読出し専用メ
モリ、21、27、35…アナログ通信部、22、29…ユニバー
サル非同期送受信器、23、28、36、38…変調復調回路、
24、30、35…デジタル通信部、25…受信部、制御器…3
1、32…入力器、33…表示器、39…蓄電素子、40…電源
回路、C₂…検波回路、C₃…振幅制御回路。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】センサで検出された物理量に対応する電気
信号を信号処理する信号処理手段とこの信号処理手段の
出力を電流信号に変換して２線よりなる伝送線を介して
受信器に送出するアナログ通信部と前記伝送線を介して
前記受信器からデジタル信号を受信しこれを解読処理し
て前記信号処理手段に出力するデジタル通信部と前記伝
送線を介して前記受信器の電源から少なくとも電源電流
の供給を受ける電源回路とを有する伝送器と、前記伝送線から前記電流信号を受信し前記伝送線を介し
てデジタル情報により変調された前記デジタル信号を前
記伝送器に送出する受信器とを具備する信号伝送装置において、前記伝送器は、第１スイッチ素子を介して前記伝送線から少なくとも前
記電源電流を前記電源回路と共に取り込みデジタル信号
を前記受信器に送出するあいだ前記伝送器の電源を賄う
蓄電素子と、前記電流信号に重畳するデジタル信号の振幅を前記電源
電流がゼロになるまで必要に応じて拡大できるバイアス
電圧を第２スイッチ素子を介して前記アナログ通信部に
印加するバイアス電源と、前記信号処理手段の制御のもとに前記デジタル信号を前
記受信器に送出していないときは前記第１スイッチ素子
がオン状態で前記第２スイッチ素子を前記バイアス電圧
が印加されないオフ状態とし前記デジタル信号を前記受
信器に送出するときは前記第１スイッチ素子がオフ状態
で前記第２スイッチ素子を前記バイアス電圧が印加され
るオン状態に切り換える制御手段とを具備することを特
徴とする信号伝送装置。