CN102739255B - 动态调整的a/d分辨率 - Google Patents

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Abstract

一种过程变量变送器，用于测量过程变量，以及在测量过程变量时，基于模拟输入信号的测量值来动态改变A/D转换器的分辨率。可以通过以下方式来完成上述操作：基于测量的模拟信号的值来自动调整可配置分辨率增益调整，通过对测量的输入信号进行规范化，使得其中心位于A/D转换器的最优分辨率窗口，或通过调整提供给A/D转换器的电压基准。

Description

动态调整的A/D分辨率
技术领域
本发明涉及在过程控制和监视系统中使用的过程变量变送器。更具体地，本发明涉及在操作期间对在这种系统中对模数转换器的输入进行动态调整，以改进A/D测量的分辨率。
背景技术
过程变量变送器用于测量过程控制或监视系统中的过程参数。基于微处理器的变送器经常包括：传感器；模数转换器，用于将来自传感器的输出转换为数字形式；微处理器，用于补偿数字化的输出；以及输出电路，用于发送补偿后的输出。当前，一般通过过程控制环路(比如，4-20mA控制环路)或无线地进行该传输。
由这种系统所测量的一个示例参数是温度，通过测量阻性温度器件(RTD，有时也被称为铂电阻温度计，即PRT)的电阻，或通过测量热电偶输出的电压，来感测温度。当然，温度仅是示例性的，且也可以测量广泛的各种其他过程控制参数。
某些典型的A/D转换器配置有固定的电压基准和可配置的分辨率增益调整。针对可配置的分辨率增益调整的每个增益设置对应于基准点，该基准点是所附电压基准的标量。A/D转换器使用该电压基准来设置A/D转换器的分辨率(以伏特每计数(volts percount)为单位)。从而可以基于测量的模拟输入信号的期望信号电平，来改变A/D转换器的分辨率。
在实现了A/D转换器的常规监视系统中，通常将可配置分辨率增益调整设置为使得A/D转换器可以测量指定传感器的完整范围。即，针对可以容纳整个传感器范围的单一固定的分辨率，来设置可配置分辨率增益调整。然而，实际的输入信号通常可以具有值(或在值的范围中变化)，针对该值，A/D转换器可以设置为更高得多的分辨率。从而，将增益调整设置为设置固定分辨率导致了测量电路不能被调谐为使用A/D转换器的全部能力。
发明内容
一种过程变量变送器，用于测量过程变量，以及在测量过程变量时，基于模拟输入信号的测量值来动态改变A/D转换器的分辨率。可以通过以下方式来完成上述操作：基于测量的模拟信号的值来自动调整可配置分辨率增益调整，通过对测量的输入信号进行规范化，使得其中心位于A/D转换器的最优分辨率窗口，或通过调整提供给A/D转换器的电压基准。
附图说明
图1是耦合到传感器的过程变量变送器的简化框图。
图2是输入电压对分辨率的图。
图3是图1所示的系统的简化框图，其中，A/D转换器具有可配置的分辨率设置。
图4是对输入信号进行规范化的一个实施例的简化框图。
图5A和5B是用于对输入信号进行规范化的一个实现的示意图。
图6是通过改变对A/D转换器的电压基准来动态改变A/D分辨率的一个实施例的简化框图。
图7是示出了系统的操作的一个实施例的简化流程图。
具体实施方式
图1是根据一个实施例的变送器10的简化框图。在图1所示的实施例中，变送器10包括模数(A/D)转换器18、处理器20和可编程分辨率组件22。变送器10被示出为连接到传感器12，传感器12感测由箭头14指示的过程控制参数。变送器10还被示出为连接到双线过程控制环路16，但是取而代之地或作为附加地，其也可以连接到无线变送连接。在一个实施例中，过程控制环路16向变送器10提供功率。处理器20通过过程控制环路16发送信息，并也通过过程控制环路16从其他电路或系统接收信息。作为示例，过程控制环路16可以示意性地是4-20mA过程控制环路，且可以使用合适的通信协议来进行操作。备选地，可以由无线连接来取代过程控制环路16，或除了使用无线连接之外还使用过程控制环路16，该无线连接采用各种无线技术或配置来无线地发送信息。
传感器12示意性地是过程变量传感器，过程变量传感器从正在感测的过程接收输入14。传感器12可以示意性地是用于感测压力、温度、pH、流量等等的传感器。传感器12示意性地向A/D转换器18提供指示感测到的参数的模拟输出24。
在本描述中，将传感器12描述为温度传感器。然而，也可以使用任何其他合适的传感器，且温度仅是可以感测的变量或参数的一个示例。
应当注意到，可以根据需要将传感器12的输出24示意性地提供给对模拟传感器信号进行放大和滤波的电路(未示出)。该电路可以是传感器12的一部分或单独的电路。然后在任何情况下，可以将放大和滤波后的信号24提供给A/D转换器18。A/D转换器18向处理器20提供数字化的输出，该数字化的输出是传感器12提供的模拟信号24的数字表示。当然，处理器20示意性地具有相关联的存储器和时钟电路，并通过过程控制环路16来提供与感测到的参数相关的信息。应当注意到，处理器20可以包括输入/输出(I/O)电路，或可以单独提供I/O电路，I/O电路在环路16上发送具有数字格式的信息，或通过控制流过环路16的电流来发送具有模拟格式的信息。在任何情况下，由变送器10通过过程控制环路16来提供与感测到的参数相关的信息。
图2是示出了相对于基准电压的输入电压和A/D转换器18的分辨率之间的关系的图。图2示出了A/D转换器18可以在3个不同的分辨率区域中提供输出。这些分辨率区域包括：相对高的分辨率区域、中分辨率区域(其输出具有比高分辨率区域更低分辨率的伏特每计数的分辨率的数字值)、以及相对低的分辨率区域(其输出具有比中分辨率区域甚至更低分辨率的分辨率的数字值)。在一个示例中，A/D转换器18能够在其中操作的特定分辨率区域基于模拟信号24的信号电平及其与A/D转换器18在进行其测量时使用的基准电压Vref的关系。在图2所示的示例实施例中，当信号24在+Vref/3和-Vref/3之间时，A/D转换器18可以在高分辨率区域中操作。当信号24在+/-Vref/3和+/-Vref/2之间时，A/D转换器18可以在中分辨率区域中操作，以及当信号24在+/-Vref/2和+/-Vref之间时，A/D转换器18仅可以在低分辨率区域中操作。当然，图2所示的关系和Vref/x的具体值仅作为示例。
在很多现有系统中，A/D转换器18被配置为在可以容纳传感器12的整个指定操作范围的固定分辨率区域中操作。即，如果传感器12能够感测温度，且能够提供在-Vref和+Vref/3之间的输出信号24，则A/D转换器18将被配置为以最低分辨率来提供其输出。为了容纳传感器12的全部指定操作范围，这是必需的。
然而，可以发生以下情况：传感器12通常在更窄得多的范围中操作，比如图2所示的范围30。在该情况下，将A/D转换器18设置为作为最低分辨率区域的分辨率区域导致了不必要的分辨率误差。随着设备准确度规格的愈发严格，针对给定输入信号，由于不使用最大可能的分辨率设置而产生的误差变为了总系统误差中的显著因素。
因此，图1示出了变送器10还包括可编程分辨率组件22。可编程分辨率组件22向A/D转换器18提供输出，该输出改变A/D转换器18的分辨率设置。处理器20基于测量的输入信号24的值，来控制组件22。因此，随着信号24的值接近与新的分辨率区域相对应的值(图2所示)，处理器20动态调整A/D转换器18的分辨率，以与新的分辨率区域匹配。从而，在传感器12正在提供范围30中的输出24时(图2所示)，处理器20控制组件22将A/D转换器18保持在高分辨率区域。
然而，随着传感器12提供的输出信号24接近在高分辨率区域的任一侧的任一中分辨率区域(同样图2所示)，处理器20控制组件22，以动态调整A/D转换器18的分辨率，使其在中分辨率区域。类似地，随着信号24向另一区域移动，处理器20可以控制组件20，以再次动态调整A/D转换器18的分辨率。从而，A/D转换器18的分辨率设置始终在恰当的区域中(其与给定输入信号24所能获得的最佳分辨率相匹配)。相比于具有一个固定分辨率设置的系统，这增加了A/D转换器18向处理器20提供其输出的整体分辨率。从而变送器10利用了A/D转换器18的相对高的分辨率区域，即使传感器24的整个操作范围包括在高分辨率区域之外的区域。然而，如果测量值24接近较低分辨率区域，则简单地调整A/D转换器18的分辨率以匹配该区域。
在一个实施例中，处理器20使用分辨率区域之间的每个边界附近的值的窗口。在信号24进入窗口中，接近分辨率区域边界时，处理器20可以或者提前改变A/D转换器18的分辨率以容纳新的区域，或者处理器20可以等待信号24实际穿过边界之后改变分辨率。在另一实施例中，处理器20还可以测量信号24在其接近边界时的改变率，并还可以使用该改变率来确定改变分辨率的速度。类似地，处理器20可以实现滞后带，以在不同分辨率设置之间转变。因此，如果测量到的传感器输入信号24在从一个分辨率设置转变到下一个分辨率设置的转变区域附近徘徊，滞后将让处理器20避免以不期望的方式连续改变A/D转换器18的分辨率设置。给定窗口或滞后带的大小、或具体使用的改变率可以随着具体的实现而变化。当然，可以进行其他修改。
应当注意到，为了图1的描述，将可编程分辨率组件22示出为与A/D转换器18分离的组件。然而，当前的某些A/D转换器18具有并入其中的组件22，使得处理器22可以简单地向A/D转换器18的分辨率设置输入提供控制输出。图3示出了这种实施例的简化框图。
图3所示的各项类似于图1所示的各项，且对相似的项进行相似编号。然而，可以看到，取代了用于改变A/D转换器18的分辨率的单独的可编程分辨率组件22，而是使用简单地具有分辨率设置输入40的A/D转换器18来实现变送器10。从而，处理器20简单地向A/D转换器18的分辨率设置输入40提供用于动态调整A/D转换器18的分辨率的分辨率控制输出。这改变了A/D转换器18的分辨率设置。
图4是根据另一实施例的另一变送器10的简化框图。在图4所示的实施例中，变送器10包括A/D转换器18和处理器20。然而，取代具有分辨率设置输入(比如图3所示的40)的A/D转换器18，变送器10包括输入信号规范化器组件42。
在图4所示的实施例中，A/D转换器18具有以特定输入电压测量为中心附近的高分辨率区域。仅作为示例，假定A/D转换器18以如图2所示的分辨率区域进行操作。因此，只要输入信号24在+/-Vref/3内，则A/D转换器18可以在高分辨率区域中使用A/D转换器18所能获得的最高分辨率来执行其转换。取代对A/D转换器18的重置，输入信号规范化组件42对输入信号24进行规范化，以示意性地将其保持在A/D转换器18的高分辨率区域中。即，组件42向信号24引入偏移量，以将其保持在A/D转换器18的高分辨率区域中。
图5A是示出了具有部分示意图形式的输入信号规范化器组件42的一个实施例的简化图。图5A还示出了传感器12包括(作为示例)阻性热器件(RTD)50或热电偶52。在图5A所示的实施例中，组件42包括由处理器20控制的一对开关54和56。组件42还包括电阻器58、60、62和64的电阻性网络以及齐纳二极管66。
在图5A所示的实施例中，组件42有效地允许将传感器12输出的零点向下偏移预定值。如果传感器12提供的信号在可接受的高分辨率区域中，则处理器20操作开关54和56，使得开关54闭合以及开关56断开，如图5A所示。这使得传感器电流Isensor沿箭头68指示的第一路径流动。A/D转换器18可以执行转换，并向以最高分辨率向处理器20提供测量和转换的输出。
然而，如果传感器12输出到A/D转换器18的信号向较低分辨率区域移动，则处理器20可以如图5B所示控制开关54和56，使得开关54断开且开关56闭合。这使得电流Isensor沿箭头70指示的第二路径流动。这有效地降低了传感器输入0点，使其在如图2所示的高分辨率区域电压窗口中。当然，将注意到，可以添加附加的电阻性分压器(divider)和开关，以容纳其它传感器范围，所示的这些组件仅作为示例说明之用。
图6是另一实施例的简化框图。在图6中，对与之前附图所示的项相似的项进行相似编号。图6示出了A/D转换器18不提供任何用于针对其测量来选择不同分辨率增益的装置的实施例。在该情况下，变送器10包括可编程基准电压80，该可编程基准电压80向作为A/D转换器18中的基准电压使用以进行A/D转换的Vref输入提供输入。处理器20基于传感器输入信号24的测量值来控制可编程基准电压80，使得A/D转换器18可以保持在相对高的分辨率区域中操作。在实施例中，提供给A/D转换器18的不同电压基准值使得A/D转换器18在不同的量化级上进行其转换。从而，通过改变Vref，处理器20可以改变A/D转换器18所使用的分辨率级别。
因此，在图6所示的实施例中，可编程基准电压80示意性地由处理器20所能选择的多个不同的可选择的电压抽头构成。每个抽头对应于在被选择时提供的不同电压电平，作为对A/D转换器18的Vref输入。这样，处理器20可以基于测量的输入信号24的值，来动态调整A/D转换器18操作的量化级(分辨率)。
图7是示出了变送器10的操作的一个实施例的简化流程图。在图7所示的实施例中，变送器10首先测量传感器输入24的输入信号电平。这由步骤90指示。然后处理器20通过确定信号24落入哪个分辨率区域，基于测量的传感器输入信号电平来确定恰当的分辨率设置。这由步骤92指示。然后处理器20将A/D转换器的分辨率设置为与其在步骤92中确定的分辨率区域相匹配的分辨率设置。这由步骤94指示。处理器20控制变送器10以动态调整A/D转换器18的分辨率的具体方式将取决于用于该调整的具体实施例。上面通过图1至6讨论了多个示例实施例。将意识到图7仅是操作变送器10的一个示例方法。
尽管已参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节上进行改变。

Claims (20)

1.一种控制过程变量变送器中的线性模数A/D转换器的方法，所述A/D转换器将指示工业过程变量的模拟输入信号转换为数字输出信号，所述方法包括：
接收指示所述工业过程变量的模拟输入信号；
测量所述模拟输入信号的信号电平；
基于所测量的所述模拟输入信号的信号电平，从多个线性分辨率设置中，间歇地将所述A/D转换器的分辨率设置与所测量的模拟输入的信号电平相匹配，使得在给定所测量的所述模拟输入信号的信号电平的情况下，所述A/D转换器使用提供从所述A/D转换器能够获得的最高分辨率的线性分辨率设置，将所述模拟输入信号转换为数字输出信号；
使用所匹配的分辨率设置，将所述模拟输入信号转换为所述数字输出信号；以及
通过变送连接来发送与所述工业过程变量相关的信息，与所述工业过程变量相关的信息包括从所述数字输出信号和所述分辨率设置导出的信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，随着所测量的所述模拟输入信号的电平在与所述多个线性分辨率设置相对应的多个不同信号范围之间变化，从所述A/D转换器能够获得的最高分辨率发生改变，其中，间歇地匹配包括：
测量所述模拟输入信号的信号电平；以及
如果所测量的信号电平穿过与所述多个不同信号范围中的一个和所述多个不同信号范围中的另一个之间的边界相对应的阈值，则将所述A/D转换器的分辨率设置改变为对应于所述多个不同信号范围中的所述另一个。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，使用滞后来执行对分辨率设置的改变，使得仅在所测量的信号电平穿过所述阈值达到预定量的情况下，才改变所述分辨率设置。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述A/D转换器的分辨率设置包括可调整增益设置，所述可调整增益设置将分辨率设置点设置为指示对所述A/D转换器输入的电压基准电势的一部分，其中，间歇地匹配所述分辨率设置包括：
基于所测量的所述模拟输入信号的电平，间歇地改变所述可调整增益设置，以改变所述分辨率设置点。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述A/D转换器的分辨率基于施加到所述A/D转换器的基准电压而改变，其中，改变所述分辨率设置包括：
改变施加到所述A/D转换器的基准电压。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，随着所测量的所述模拟输入信号的电平在与所述多个线性分辨率设置相对应的多个不同的信号范围之间变化，从所述A/D转换器能够获得的最高分辨率发生改变，其中，间歇地匹配包括：
测量所述模拟输入信号的信号电平；以及
如果所测量的信号电平穿过与在所述多个不同信号范围中的较高分辨率范围和所述多个不同信号范围中的较低分辨率范围之间的边界相对应的阈值，则向所述模拟输入信号的信号电平引入信号偏移量，以将所测量的信号电平保持在所述较高分辨率范围中。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，间歇地匹配包括：
确定所测量的信号电平是否进入所述多个不同信号范围中的一个和所述多个不同信号范围中的另一个之间的边界附近的窗口。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，间歇地匹配包括：
只要所测量的信号电平进入所述窗口，即使所测量的信号电平依然在所述多个不同信号范围中的所述一个中，亦将所述A/D转换器的分辨率设置改变为对应于所述多个不同信号范围中的所述另一个。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，改变所述分辨率设置包括：
只要所测量的信号电平进入所述窗口，并正在接近所述多个不同信号范围中的所述另一个，即使所测量的信号电平依然在所述多个不同信号范围中的所述一个中，亦将所述A/D转换器的分辨率设置改变为对应于所述多个不同信号范围中的所述另一个。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括，
测量所测量的信号电平的改变率；以及
如果所测量的信号电平的改变率是第一较高率，则与所测量的信号电平的改变率是第二较低率的情况相比，更快地将所述A/D转换器的分辨率设置改变为对应于所述多个不同信号范围中的所述另一个。
11.一种过程变量变送器，从传感器接收传感器输入信号，所述传感器感测过程变量并提供具有指示所述过程变量的模拟信号电平的传感器输入信号，所述过程变量变送器包括：
线性模数A/D转换器，以分辨率将所述传感器输入信号转换为数字值，其中，由所述A/D转换器能够获得的分辨率被配置为根据所述传感器输入信号的模拟信号电平和提供给所述A/D转换器的基准电压之间的预定关系而改变；
处理器，耦合到所述A/D转换器，接收所述数字值，并通过过程控制环路来发送包括从所述数字值和所述A/D转换器的分辨率导出的信息在内的信息，所述处理器还提供分辨率控制信号，以通过改变所述传感器输入信号的模拟信号电平或所述基准电压中的至少一项，来控制所述A/D转换器提供所述数字值的分辨率，以在给定所述传感器输入信号的模拟信号电平的情况下，将所述分辨率与所述传感器输入信号的模拟信号电平相匹配，使得所述A/D转换器以预定分辨率来提供所述数字值。
12.根据权利要求11所述的过程变量变送器，其中，所述A/D转换器包括可调整增益设置，所述可调整增益设置基于输入到所述A/D转换器的基准电压的一部分来设置所述A/D转换器的分辨率。
13.根据权利要求12所述的过程变量变送器，其中，所述处理器通过基于所述模拟信号电平来改变所述可调整增益设置以改变分辨率，将所述分辨率与所述模拟信号电平相匹配。
14.根据权利要求11所述的过程变量变送器，其中，提供给所述A/D转换器的基准电压能够由所述处理器来编程，所述处理器通过基于所述传感器输入信号的数字值对给定基准电压进行编程以获得给定分辨率，将所述分辨率与所述传感器输入信号相匹配。
15.根据权利要求11所述的过程变量变送器，还包括：
输入信号规范化器组件，耦合到所述处理器和所述传感器，向所述传感器输入信号的模拟信号电平引入偏移量。
16.根据权利要求15所述的过程变量变送器，其中，在与未向所述模拟信号电平引入偏移量的情况下的所述A/D转换器的分辨率相比，偏移量的引入提高所述A/D转换器的分辨率时，所述处理器控制所述输入信号规范化器组件向所述传感器输入信号的模拟信号电平引入所述偏移量。
17.根据权利要求11所述的过程变量变送器，其中，所述处理器将所述分辨率与所述传感器输入信号的模拟信号电平相匹配，使得在给定所述传感器输入信号的模拟信号电平的情况下，所述A/D转换器以最高可能分辨率来提供数字值。
18.根据权利要求11所述的过程变量变送器，其中，所述处理器将所述分辨率与所述传感器输入信号的模拟信号电平相匹配，使得在给定所述传感器输入信号的模拟信号电平的情况下，在每次所述A/D转换器将所述传感器输入信号转换为数字值时，所述A/D转换器以最高可能分辨率来提供所述数字值。
19.一种控制过程变量变送器的方法，所述方法包括：
从传感器接收指示工业过程变量的模拟输入信号；
通过使用线性模数A/D转换器来测量所述模拟输入信号的信号电平，所述A/D转换器将所述模拟输入信号转换为数字输出信号；
基于所测量的所述模拟输入的信号电平，在多个线性分辨率设置中改变所述A/D转换器的分辨率设置，以在给定所测量的所述模拟输入信号的信号电平的情况下，将所述A/D转换器配置为使用提供从所述A/D转换器能够获得的最高分辨率的线性分辨率设置，将所述模拟输入信号转换为所述数字输出信号；
使用改变后的分辨率设置，将所述模拟输入信号转换为所述数字输出信号；以及
通过变送连接发送与所述工业过程变量相关的信息，与所述工业过程变量相关的信息包括从所述数字输出信号和所述A/D转换器的分辨率设置导出的信息，所述变送连接包括硬连线的过程控制环路和无线连接之一。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，改变分辨率设置包括：
基于所测量的所述模拟输入信号的信号电平，将所述模拟输入信号的信号电平自动改变预定量。
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