CN1028808C - 信息调节器 - Google Patents

Abstract

本发明为由接收部分、传输部分和电源部分装备起来的一种信号调节器。这些部分的主要功能是数字化的。对于不同功能使用共同的电路部件、少数几种信号调节器(每种是一块硬件)就能适用于各种传感器和执行机构。

Description

本发明涉及在炼油、石油化学、炼钢、及造纸等工业中遇到的多种工业生产过程的控制设备中使用的信号调节器（Signal    conditioner）（也叫信号变换器（Signal    converter））。

在炼油、石油化学、炼钢及造纸等工业的生产过程里要处理原料和使用燃料。在这些过程，在工厂的不同部位的温度、流率（flow    rate）、压力、液面水位（liguid    level）、以及其他参数由传感器来测量。通过控制执行机构（actuator）（如阀门）等工厂辅助设备使上述参数保持在适当范围内。这对于以统一质量标准来生产商业产品是很重要的。为了提供这种控制，一种主要由计算机构成的控制系统已经得到广泛接受。

图24显示出上面提到的信号调节器在上述控制系统中的位置。图中给出信号调节器4用于接收信号，另一个信号调节器5用于发送信号。首先来描述这些信号调节器的作用。接收信号调节器4接收来自传感器（transmitter）6的输出信号SA，并对它进行算术处理，以转换成易于被主要由计算机构成的控制单元1来处理的 形式。发送信号调节器5将来自控制单元1的控制信号转换成适于远距离传输的信号SB，例如转换成图6所示的4到20毫安的电流信号。

在过程控制系统领域，由测量得到的信号SA以及用于控制执行机构7的信号SB是通常使用的两个信号。这些信号的电流一般在4到20毫安范围内。在这些信号中，4毫安代表0%，而20毫安代表100%。例如，当由测量产生4毫安信号SA，则称所测压力为0;当产生的信号SA为20毫安时，则称所测压力给出满量程读数。如果用于控制执行机构的信号SB为4毫安，则阀门完全关闭。如果信号SB为20毫安，则阀门完全打开。用4毫安代表0%而不用零毫安代表0%的理由在于要把切断传输线路产生0毫安电流与0%区分开。通常，可将这种4毫安至20毫安的信号看作是低频信号，它随着被处理量或执行机构控制量而缓慢变化。

现在参考图24来描述信号调节器的现有技术。传感器6装在位于过程控制系统中的管道（tube）内。例如，传感器6测量管中所含液体的压强，并把压强值变换成模拟电信号SA。接收信号调节器4对传感器6输入的模拟信号SA进行算术处理，将信号变换成易于被控制单元1处理的形式。调节器4的输出被模-数转换器（ADC）2变换成数字形式提供给控制单元1。

现在给出两个由接收信号调节器4对模拟信号进行算术操作的例子。其例一是由传感器6测量压强，该传感器将所测得的压强 值转换成电信号SA，例如在4到20毫安之间。对于主要由计算机构成的控制单元1而言，只有数字编码信号（下之中简称作数字信号）才能被它所理解的。4至20毫安的模拟信号是不能被控制单元所理解。通常，应对模-数转换器2提供0到5伏的电压信号。如果对它加一个4到20毫安的电流，它不能将该电流变换成数字形式。所以，接收信号调节器4对其输入的模拟信号或者说4到20毫安的电流信号SA进行算术处理，变换成1到5伏的电压信号。

其例2这里传感器6是一个温度传感器，是使用电热耦构成的传感器单元，它产生几毫伏的热电动势（力）作为信号SA。因为这个热电动势是一个小电压，转换器2不能把它作为输入信号精确地转换成数字形式。再有，热电动势的幅度与温度没有线性关系，所以信号SA本身不直接代表温度。接收信号调节器4将来自热电耦的热电动势放大到能被转换器2处理的适当电平。然后，信号SA，或者说热电动势，被转换成与温度有线性关系的信号。这一过程叫做线性化。

控制单元1根据经由接收调节器4提供给它被测信号完成算术操作，以适当地控制其过程。所得到的数字编码信号被送到数/模转换器3，在那里信号被转换成模拟量形式。将生成的模拟信号馈送到发送信号调节器5，在那里对模拟信号进行算术处理，将其转换成4到20毫安的被发送信号SB。这个信号控制执行机构7。例如一个阀门来控制适当的流速值。

对接收信号调节器4配有一个电源（图24中未画出）。具体地说，传感器6一般需要一个电源（例如24伏）来运行它本身。接收信号调节器4也需要配有一个电源。

如上述构成的现有技术的信号调节器有下述缺点：

（1）必须备有很多种类型的信号调节器。特别是需要有多种传感器6和执行机构7以便适当地控制该工厂。例如，要将测量温度的传感器、测量流速的传感器、以及测量压强的传感器与工厂中各种具体位置联系在一起。将它们各个测得的值变换成具有不同形式的各自的输出信号，例如毫伏级电压、4到20毫安的电流、以及10到15毫安的电流。所以，为了将所使用的各种模拟信号经过上述算术处理后变换成同一种信号，例如1到5伏的电压，接收信号调解器4就需要分别适用于这些传感器的输出的各个信号形式。此外，一个传感器需要一个24伏直流（DC）电源，另一个传感器需要4毫安的恒流源，等等。结果，各种电源以及各种输出形式的组合数量是太大了。这样，就必须使信号调节器4对于不同的组合有同一类型。同样，还需要配备相当多种类型的发送信号调节器5，因为由控制单元1提供的控制信号要分别与所连接的执行机构要求的信号形式相匹配。就是说，在现有技术中，必须分别配备各种接收信号调节器4和各种发送信号调节器5。

（2）现有的信号调节器缺乏灵活性而且不易于修改。在过程控制领域，技术指标是会被改变的。然而，如果处理一个模拟输入信号 的电器的输入条件（condition）和输出条件改变了，那么该电路的设计必须改变或者某些部件必须替换，以适应输入输出条件的改变。就是说，现有技术的信号调节器4或5不能适应电路的修改。由于这一原因，每当输入或输出条件变化时，必须配备专用的硬件装置。因此，它们不能迅速地适应技术指标的变化。

（3）现有技术的信号调节器不适于制造成集成电路（IC）的形式。因为存在着大量的部件，所以不能实现微型化。在过去，电测量得到的模拟信号以及由传感器6提供的模拟信号或来自控制单元1的模拟信号都经过算术处理，以转换成所需形式的输入信号。虽然已经存在对模拟信号进行算术操作的模拟集成电路，但需要输入电阻、反馈电阻、电容以及其他外加部件与这些集成电路相连，因此不可能显著减少部件的数量。就是说，如果将它们制成集成电路，得不到什么好处。因此，必须完成对模拟信号算术操作的现有信号调节器不适合于制造成集成电路形式。

（4）现有技术的信号调节器不能合适地适应于具有通讯功能的传感器或执行机构。近年来，提出了一种要求，要求传感器和执行机构具有通讯功能，以提供更适当的过程控制。我们现在来描述一种具有通讯功能的传感器。通常的传感器测量温度、流速、压强、液面高度（liquid    level）或其他类似的量，并将其变换成4至20毫安的低频信号。具有通讯功能的传感器携带有该传感器当前测量范围的信息，该信息是过程控制系统发出的由调制波送到传感器的。利用 多路传输技术将这种调制级与上述低频信号一起送到控制单元1。这就是说，该传感器具有智能功能。这种调制可通过频率调制、频移键控（FSK）、或其他方法来实现。

为了适应产生载有多路通讯信息的信号的这种传感器，其接收信号调节器4必须配备解调器。类似地，发送信号调节器5必须有一个调制器，以使其适应于能够接收载有多路通讯信息的信号的那种执行机构。如在上述第（1）项中已经描述过的，必须提供多种类型。此外，如果对于可能具有或可以能不具有多路通讯信息的各种传感器和执行机构的不同组合都予以考虑，那么信号调节器的种类真是太多了。因此，它们不适合于工业化生产。

本发明的一个目的是提供的信号调节器的种类少，比如说只有一种，但却能够适用于各种传感器和执行机构。

本发明的另一目的是所提供的信号调节器当输入输出条件改变时其本身能适应于修改，不需要改变硬件而只改变软件就可以了。

本发明的又一个目的是提供一种信号调节器，它的大部分能被制成集成电路形式，使附加在集成电路外部的元器件大量减少。

本发明的再一个目的是提供的信号调节器，种类少，（比如说只有一种），但却能够适用于载有多路通讯信息的传感器或执行机构，也能适用于不载有多通讯信息的传感器或执行机构。

因为有各种传感器和执行机构与信号调节器相连，必须选择适 于来自的连传感器的输出信号形式以及适于所连执行机构输入信号形式的信号转换功能。根据本发明的信号调节器具有完成主要功能的共同硬件部分。这些功能被软件所修改。

新的信号调节器的接收器部分将来自传感器的每个输入信号转换成数字形式。然后，对所得到的数字信号进行各种算术操作，以分离和提取出输入信号中包含的量值及通讯信息，这些量值是由测量得到的。算术操作的内容能在控制单元指令的指挥下由软件来改变。

根据本发明，只需配备少数几种信号调节器，也就是说，只用少数几种硬件就能适应于相当多种类的传感器，敏感器件（sensor）和执行机构。

通过下文结合附图所作的详细描述，将能更好地了解信号调节器，从而将易于理解本发明的其他目的和许多伴随的优点。

图1是根据本发明的一种信号调节器的框图;

图2是根据本发明的另一种信号调节器的框图;

图3是图1和图2所示信号调节器中使用的模-数转换器的框图;

图4中的（a）和（b）为多路信号的波形图;

图5中的（a）和（b）是说明FSK（频移被控）调制的图;

图6表示由测量得到的信号;

图7表示模-数转换器和数-模转换器的转换效能与频率的 关系;

图8是根据本发明的另一种信号调节器的框图;

图9是图8所示电源部分92及图1、2、8所示输入电路51的几个具体实例的电路图;

图10是与图9类似的电路图，但在图10中，原在图9中所示的开关SW3已切换到另一个状态，同时还作了一些修改;

图11与图9相似，但作了某些修改;

图12与图11相似，但作了某些修改;

图13与图10相似，但作了某些修改;

图14是根据本发明的又一种信号调节器;

图15是图14所示电源部分92及其周围部分的电路图;

图16是图15所示电路内部各部位产生的信号的时序图;

图17是图15所示电路的一种修改图;

图18是根据本发明的又一种信号调节器的方框图;

图19的（a）和（b）给出产生电压输出信号的传感器和敏感部件的波形图;

图20表示图8所示DC/DC转换器的操作;

图21是图1所示ADC52周围电路的一种修改图;

图22是图21所示电路中各个部位产生信号的时序图;

图23表示图21所示电路中两个低通滤波器的衰减特性;

图24表示信号调节器在一个控制系统中的位置;

图25是图1、8、14、18中所示DAC69的方框图。

现参考图1，图1中给出本发明的一个信号调节器。这个调节器（由参考数的50代表）包括控制单元1、传感器6以及执行机构7，它们与结合图24所描述过的对应部分相似。这个信号调节器50结合了图24所示的模数转换器（ADC）2的功能、数模转换器（DAC）3的功能、接收信号调节器4的功能以及发送信号调节器5的功能。

这个信号调节器50还包括输入端口P1、P2、P7、P8及输出端口P3、P4、P5、P6。相应于图24所示接收信号调节器4和模数转换器2的接收电路，位于输入终端P1、P2与输出终端P3、P4之间。发送电路部分相应于图24所示的发送信号调节器5和数模转换器（DAC）3，位于输入终端P7、P8和输出终端P5、P6之间。有一条线（图中未画出）从图1所示的信号调节器连接到传感器6，以向它提供直流电源。需指出的是，在图1中未画出电源部分。执行机构7由外电路68提供电流。如果所述电流为4毫安，则产生4到20毫字的输出信号。

接收电路部分接收来自传感器6的输出信号和通讯信息，并将其送到控制单元1。传感器6的输出信号指出测量得到的值。现在来描述这一接收电路部分的结构。接收电路部分有一个输入电路51，它的作用是将电流变换成电压，并变换阻抗。将电流变换成电压的电路可以由例如一个电阻来实现。变换阻抗的功能可以由运算 放大器来得到。具体地说，在这个模拟电路51中，经过一个电阻R将传感器6提供的电流信号SA转换成电压，它又被图21所示的可变增益放大器放大。这个运算放大器的增益是根据控制单元1的指令来改变的。当传感器6是一个带有热电耦换能元件的测温仪器时，作为电流-电压转换器的电阻R（图21）在控制单元1的指令控制下与该电路断开。然后，通过操作图21所示的开关136，将可变增益放大器的增益切换到较高值。根据本发明，对输入电路51只安排了最小功能，也就是说，它只有放大功能。下文中描述的数字信号处理部分将完成算术操作。

在描述的一新设备时，假定由测量得到的值或执行机构控制信号以及通讯信息是被多路组合的（multiplexed），并假定该多路组合信号在控制站点10（见图24）和过程控制系统之间传送。这种多路组合可以是图4（a）所示的频分制多路组合，也可以是图4（b）所示的时分制多路组合。在图4（a）所示的频分制多道组合中，FSK调制波与4至20毫安的低速信号迭加在一起，该低速信号指示出由测量得到的值。在图4（b）所示时分制多路组合中，将时间分成许多时隙（slot）。例如，FSK调制波在t1和t2之间以及t3和t4之间的时间内被传送，而低速信号在t2和t3之间的时间周期内被传送。频移键控（FSK）是一种信号传送方法，其中用两个不同的频率f0和f1来代表二进制零和二进制一，用以代表要传送的信息，如图5所示。

在图1中，给出了频分制多路组合的被传递信号的波形。ADC（模-数转换器）52将输入电路51提供的每个被多路组合的模拟信号转换成数字编码信号SC。例如，图4（a）所示合成波形m的振幅的每个瞬时值被ADC52顺序转换成数字编码信号SC。所以，数字编码信号SC含有的信息（例如A1和A2）指示了测量得到的值以及由FSK调制波携带的信息（图5（a））。

前面提到的数字信号处理部分61分别从数字编码信号SC中提取出低速分量和被调制信号分量（或者说高速信号分量）。对这两个提取出来的分量进行数字信号处理，从中提取出测量得到的值以及被传送的信息。作为一个例子，数字信号处理部分61由数字带通滤波器53、数字解调器54、数字低通滤波器55、测量部分56以及其他部分组成。例如，测量部分56由数字计算单元58、存贮器59、表60以及其他部分组成。解调器54提取被传送的信息。测量部分56提取由测量得到的值。按刚才的描述所构成的数字信号处理部分61能构成一个数字信号处理器或类似设备。部件53-60的特性和功能可以被修改，例如，可由软件来修改。

在上述数字信号处理部分61的后面加有接口64，它接收处理部分61的输出信号S1和S2，并把信号S1和S2送到控制单元1。也就是说，接口64使信号处理部分61和控制单元1的数据类型与数据传输方法彼此匹配，从而使数据S1和S2从处理部分传送到控制单元。例如，接口从数字解调器54接收串行数据S1，将其变换成 并行数据S3送出。在图1中，对每种数据S3和S4只有一个信号线，并且对每种数据S3和S4只有一个光耦合器（photocoupler）65或66。在实践中，对每种数据组合使用多条信号线和多个光耦合器。

光耦合器65和66是一种隔离装置，它防止来自过程控制系统的过大信号直接加到控制单元1上。光耦合器65产生一个接收信号S5，指示被传送的信息。光耦合器66发送出一个测量信号S6，指示出由测量得到的值。

该设备还包括一个发送电路部分，它接收来自控制单元1的执行机构控制信号S9和一个传输信号S8，并把它们送到执行机构7。信号S9指示被传送的信息，而信号S8指示将执行机构控制达到的量值。现在来描述这一传输功能部分的结构。光耦合器75和76的操作及优点与光耦合器65和66相似。具体地说，这些光耦合器将信号S8和S9从控制单元1传送给接口78并在它们之间提供电隔离。接口78在操作和优点方面也与上述接口64相似。就是说，接口78使得数据类型和从控制单元1向第2个数字信号处理部分70传送数据的传送方法之间相互匹配，从而允许数据S8和S9从控制单元1传送到信号处理部分70。其结果是：图1所示数据S10和S11从接口78的输入/输出（I/O）端73和74提供给数字信号处理部分70。虽然图中给出的数据S10和S11有模拟波形，实际上它们是数字编码信号。

该第2数字信号处理部分70接收来接口78的两个数字编码信号S10和S11，并对它们进行算术处理部分70将数字编码信号S11与另一个数字编码信号S12相加（SUM    up），产生一个组合的数字编码信号S13。数字信号S11指示对控制执行机构的动作程度的一个量（相当于4至20毫安）。而数字信号S12代表被调制信号的幅度。例如，这个数字信号处理部分70包括一个数字调制器72和一个数字加法器71。

数字调制器72根据输入信号S10的二进制状态（即1或0）来产生指示频率f1和f0信号振幅的每个瞬时值的数字代码信号（见图5）。更具体地说，如果假定的信号S10为状态1，则调制器72产生一个数字代码值指示频率为f1的信号振幅瞬时值。如果信号S10取状态0，那么调制器72产生的数字代码值指示频率为f0的信号的振幅瞬时值。

在图1的实例中，将执行机构控制信号S9或S11直接送到数字加法器71，而没有作任何数字处理。也可以用某种装置先对该信号进行数字处理。例如，在某些情况下，控制单元1产生指示执行机构被控制量（0到100%）的信号S9由数字处理部分70中包括的一个逻辑块（图中未画出）将该信号转换成相应于4到20毫安的数字编码信号。

数字调制器72进行FSK调制。例如图1所示接收信号S10产生信号S12。虽然图1中所示的这个信号S12取模拟量形式，实际 上它是一个数字编码信号，指示出图1所示信号波形S12振幅的瞬时值。数字加法器71产生数字信号S12和S11之和，即产生一个频分制多路组合信号S13。这个第二数字信号处理部分70可由数字信号处理器或类似部件构成，其构成方式与第一数字信号处理部分61相似。部件71和72的特性和功能可由软件来改变。

一个DAC（数-模转换器）69将来自数字信号处理部分70的每个多路组合信号变换成模拟信号S14。就是说，变换器69将数字编码信号S13变换成合成模拟波形m，如图4所示。这个模拟信号m包含的信息有：例如相应于图4所示电平（Level）A1和A2的信息，指示执行机构被控制量;还包含例如相应于图5的由FSK调制波传送的信息。

输出电路68是一个模拟电路，它将信号S14转换成电流信号SB。通常，来自DAC69的输出信号S14为电压信号。

送到加法器71的执行机构控制信号S11相应于电流4至20毫安。所以，在来自输出电路68的输出信号SB中，FSK调制波是迭加在4至20毫安低速信号上的。输出信号SB的波形示于图1。

在执行机构7中包含的接收电路7a接收信号SB，并提取出对要执行机构控制的量（4至20毫安的电流），用以推动最后控制装置76，例如，一个阀门。该接收电路也用于解调和提取被传送的信息。执行机构7的动作范围（range）是根据包含在被传送的信息中的指令来选择的。

现在来描述以这种方式构成的图1所示设备的操作。首先，描述包含部件51、52和62的接收电路部分。不论与调节器相连的传感器6带有通讯功能或不带通讯功能，该新型信号调节器50都能适当地工作。现在假定所连的传感器带有通讯功能。

更具体地说，传感器6将测量得到的值（例如由测量得到的压力值）转换成4至20毫安的低速信号。用FSK调制信号对结果产生的低速信号进行多路复用（或者说构成了通讯信息）。并从其输出端发送出所产生的信号。作为一例，其通讯方式是半双工（halfdupex）FSK传送（1200波特）。

输入电路51有一电阻R（见图9和图21）。以多路组合方式保持测量所得信号及通讯信息的电流信号SA通过这一电阻R并转换成电压信号。这个电压信号被输入电路51中包含的放大器131放大成适当的电压水平（图21）。这个被放大的信号被送到ADC52，它将每个输入的模拟信号转换成数字形式，然后送到数字信号处理部分61。

在数字信号处理单元61，数字带通滤波器53用于从引入的数字编码信号SC中提取出所需要的高频分量（或者说通讯信息分量）。数字低通滤波器55用于提取低频分量（或者说由测量得到的值）。滤波器53和55的滤波特性可由软件来调节。例如，当载有通讯信息的信号SA中所包含的调制波处于不同频段时，可以调整滤波特性而不必修改硬件。图1所示带通滤波器53的作用是提取高 频分量，它由高通滤波器构成。

然而，并不象图1所示实例那样，而是有多种通讯信息要被传送，所以，基于下列理由，有必要使用带通滤波器。设有两种通讯信息y1和y2要被传送。将信息y1调制成的信号所在频段的中心频率例如为f_y1。将另一个信息y2调制成的信号所在频段中心频率为f_y2。所以需要带阻滤波器来分别提取具有频带f_y1和f_y2的信号。

数字解调器54对来自带通滤波器53的高频分量进行解调，结果产生有如图1和5（a）所示波形S1的数字编码信号。现在来描述解调操作之一例。在解调器54中包含的一个过零点（zerocrossing）检测器，将来自带通滤波器53的信号与零点相比较。然后，从穿过零点期间解调出FSK被调制信号。将以这种方式解调出来的通讯信息S1以送到控制单元1，其间经过了接口64的I/O62，还经过了光耦合器65。

测量部分56对来自低通波波器55的数字低频分量进行算术操作，得到由测量得到的值。这些算术操作是由数字计算单元58实现的。算术操作所必须的数据及这些操作过程中产生的数据存储在存储器59中。测量部分56有表60。当需要将具有非线性关系的数据转换成具有线性关系的数据时，便参考表60。例如，可将热电偶的热电动势与温度的关系放到这个表中，通过参考表60，便可以直接由热电动势之值给出温度值。数字计算单元58能完成乘法、计算平方、取平均、以及其他算术运算。这些算术功能可以由已知技 术来实现。例如，使用取平均功能，能得到来自传感器6的信号SA的低频分量（图4（a）中的A1和A2）平均值。指示测量值的数字编码信号S2经由接口64的I/O63被传送到控制单元1，也送到光耦合器66。

下面描述包含有部件68、69、70、78的发送器电路部分。控制单元1将传送信号S8和执行机构控制信号S9分别经由光耦合器75和76送到接口78。信号S8和S9是数字编码信号。传送信号S8指示出被传送的信息。控制信号S9指示出对执行机构7控制要达到的量。结果，由一系列被传送数据组成的信号S10（图1所示）被从接口78的I/O73送到数字调制器72。调制器72响应信号S10，产生数字编码信号S12，信号S12指示被调制波的振幅。虽然所示信号S12为模拟波形，实际上，是代表被调制波振幅瞬时的数字编码信号。

同时，接口78的I/O74向第二数字处理部分70提供信号S11，信号S11对执行机构指示控制要达到的量。如果由控制单元1所产生的数字编码信号作为执行机构控制信号S9正好对应于4至20毫字电流，则数字信号处理部分70可以向加法器71直接提供输入信号S11而不必对其进行算术处理。然而，如果控制单元1产生的信号S9仅指示出执行机构被控制的量（即从0%至100%），那么在数字信号处理部分70中包含的算术运算块（未画出）将信号S9转换成相应于4至20毫安信号的数字编码信号。

数字加法器71产生信号S12与S11之和，并得出频分多路组合信号S13。DAC69将来自数字信号处理部分70的每个多路组合的数字编码信号S13转换成含有两类信息的模拟信号S14。一种信息指出对执行机构7控制所要达到的量，它由例如对应于图4中A1和A2的低频分量构成。另一类信息是由FSK调制波携带的通讯信息，它由例如图5（b）所示的高频分量构成。

输出电路68将该信号S14转换成电流信号SB并发出这一信号。因为提供给加法器71的执行机构控制信号S11对应于4至20毫安电流，故输出电路68产生的信号SB有图1所示的波形。在这个信号SB中，FSK调制波迭加在4至20毫安低频信号上。

在执行机构7中包括的接收电路7a接收信号SB并以4至20毫安的电流来启动最终控制部件7b。接收电路7a还通过解调过程从被传输信号的高频分量中提供出通讯信息，并将执行机构7的量程（range）改变成由通讯信息指示的量程。

虽然图1所示信息调节器50装备了接收电路和发送电路两部分，但调节器也可以只有其中之一。图2所示信号调节器就只装备有接收电路部分。

在上述实例中，多路组合信号是频分制调制的。显然，该新型信号调节器也以时分制多路复用信号（图4（b））来传送和接收测量值和通讯信息。具体地说，在图4（b）中的t1和t2之间以及t3和t4之间的时间段内从数字解调器54得到信号S1。在图4（b）所示t2和 t3之间的时间段内从测量部分56得到信号S2。在结合图1所作的描述中，终端P1和P2之间提供的信号是以调制波进行多路组合的4至20毫安低频信号。然而，如果传感器6依靠一个由热电耦（thermocouple）构成的敏感器件，则产生一个微弱的热电动势作为信号SA。这里产生这种微弱电压信号SA的敏感器件与信号调节器相连，控制单元1向信号调节器50提供一个指令信号，使电阻与输入电路51切断联系，这里的电阻R本是用于电流-电压转换的。于是，在输入电路51中包含的可变增益放大器的增益也相应地转换到较高增益档（见图21）。

下面来描述图1所示模数转换器（ADC）52。模数转换器可分成两大类：瞬时转换器（flash    converter）和逐级近似转换器（successive-approximation    converter）。瞬时转换器使用2″比较器，它将输入电压直接转换成最接近于输入电压的编码数字值。这类ADC利用跟踪（tracking）模-数转换。具体地说，是这样跟踪数字代码的，即使得来自参考数-模转换器的输出电压与这个输入信号最接近。

如果在ADC52中对这两类模数转换器都用上，则该新型设备便能减少其种类，并易于制成集成电路（IC）形式。然而，如果在传送含有多路组合通讯信息的信号的信号调节器中利用过采样（oversampled）模数转换器，则能获得极大的好处（如下文所述）。所以，下面来描述过采样ADC。

近年来，在过程控制领域，为测量来自传感器6的低于100赫兹的低频分量（如图4中的A2），已要求有14比特量级的分辨力。另一方面，与所测分量多路组合在一起的通讯信号（见图4）频率一般为10千赫数量级。6比特的分辨力被认为足以测量通讯信号，因为只要能将f0和f1彼此区分开来便能读出通讯信号的内容（如图5所示）。

因此，需要一个在100赫兹具有14比特分辨力并在10千赫具有6比特分辨力的模-数转换器作为图1所示设备中的ADC52。图7给出转换比特（二进制位）数或者分辨力与该ADC的输入信号频率的关系。通常，在模数转换器中转换成二进位（比特）的数目与频率成倒数关系。就是说，二者的关系由图7中的线L给出。如果具有给定设计的一个ADC其特征如图7中点B₂所指出的那样，则表明该转换器能以A₃比特来转换频率在O和f₃之间模拟信号，另一个ADC的特性由点B₃指出。

所以，如果不采取措施，则要求一个ADC在10千赫兹处有14比特并具有点B₆指出的特性，也就是同时满足点B₁（在10千赫分辨力为6比特）和点B₅（在100赫兹分辨力为14比特）。然而，这个需要在10千赫有14比特的ADC的特性要大优于一般达到的特性曲线L（图7）。如果按瞬时式转换器或逐级渐近式转换器形式来生产这类ADC，那么设备就会变得昂贵的庞大。

本发明是使用一种过采样ADC作为ADC52，从而解决了上述 的昂贵及庞大这两个问题。概括地说，一个过采样ADC为低频信号分量提供3倍的过采样率。因此，能以高精度实现模数转换。对于高频信号分量，过采样率降低，因而模数转换精度也降低了。就是说，根据本发明，用单个过采样模数转换器能同时实现100赫兹处的14比特分辨力和10千赫兹处的6比特分辨力。

下面更详细地描述的这一点。图3给出一种平常的过采样模数转换器的结构，它相应于图1中由虚线包围的块90。通常，一个过采样模数转换器为∑-△调制制器52及滤级器53、55的组合（见图3），这些滤波器与调制器52的输出端相连。在本说明书中，假定调制器52对应于图1所示ADC52，从而图3中的电路可以与图1中的电路相对应。

现在来描述图3所示电路的操作，图1所示输入电路51的输出信号SG被送到图3所示前置滤波器81。这个滤波器滤掉高于奈奎斯特（Nyquist）频率（即采样率的二分之一）的频率分量，以防止采样的造成的褶迭（foldover）噪声。滤波器81的输出被开关SW2采样。过采样模数转换器的特点之一是其采样率设置得足够高，也就是说至少为来自最终测量的主体的信号频率的10倍。一个模拟加法器82产生的预测波形之差。积分器83对加法器82的输出进行积分。来自积分器83的输出被比较器84量化。比较器84的输出，经过由D触发器构成的1-时钟延迟单元85，被送到1-比特DAC86。图3中虚线所指示的块52一般称作∑-△调制制器。这个 调制器使其输入信号SG受到∑-△调制，并产生被调制的信号。受到∑-△调制的信号SF与经瞬时式或逐级近式模数转换高所得到的数字信号有某种差异，但这个∑-△调制的信号SF仍是将输入信号SG变换成数字代码而得到的。因此，在本说明中做定图3所示∑-△调制器52对应于图1所示ADC52。

现在来描述上文中所述的“某种差异”。如果图1所示ADC52由瞬时式ADC或逐级近似式ADC构成，那么它的输出信号SC是以1∶1关系对应于输入信号SG的数字编码信号。输出信号通过带通滤波器53和低通滤波器55以提取高频分量SD和低频分量SE。与此不同，如果采用过采样ADC，则图3所示∑-△调制器的输出信号SF是输入信号SG经过∑-△调制而得到的。这样，输出信号与输入信号SG没有1∶1关系。在过采样ADC中，对应于输入信号SG的数字编码信号只是在∑-△调制信号SF通过数字滤波器之后才得到的。更具体地说，图3所示带通滤波器53产生数字编码信号SD，它以1∶1关系对应于输入信号SG的高频分量，而低通滤波器55输出的数字编码信号SE以1∶1关系对应于低频分量。图3所示带通滤波器53和低通滤波器55与图1中的相应部件完全相同。

简言之，将图5所示高频分量转换成6比特数字编码所得到的信号SD，例如是将∑-△调制的信号SF通过带通滤波器53提取出来的。同样，将测量产生的低频分量转换成14比特数字代码而得 到的信号SE，例如是将这个被调制的信号通过低通滤波器55提取出来的。

具体地说，当利用了低通滤波器55时，4至20毫安的低频分量以大过采样率来采样并进行算术处理。所以量化误差小。数字化数据精确。就是说，模数转换精度（例如14比特分辨力）是由过采样率决定的。所以，随着信号频率降低其过采样率增大。结果，模拟信号以较高分辨力转换成数字形式。

另一方面，∑-△调制器52的输出也能利用带通滤波器53转换成数字编码信号。然而，量化误差大，因为高频信号分量以上过采样率采样和进行算术处理。然后将数据转换成数字形式。结果，数字数据的精度低。这样，高频分量以例如6比特精度进行转换。以这种方式，在过采样模数转换器中，例如对于高频分量的B1点（见图7），在10千赫兹的转换精度为6比特，而在100赫兹，例如图7中对低频分量的B5点，其转换精度为14比特。

在到此的描述的实例中，用一个过采样ADC作为接收电路部分的ADC52。通过使用过采样DAC作为传输电路部分的DAC69，可以得到类似的好处，即能够经济地获得所需要的功能。图22给出一个普通的过采样数模转换器。∑-△调制器的结构与图3所示∑-△调制器相似。

在结合图1、2、3所描述的实例中，提供了两个滤波器。可以提供更多的滤波器来选择不同频率的多种信息。在这种情况下，如前 所述，不能使用高通滤波器作为滤波器53，必须使用带通滤波器。在上述实例中，通讯信息由FSK调制方式来传送。要指出的是调制方式并不限于FSK调制。

在结合图1和图2所做的描述方式中，假定传感器6经由3线传输路经与信号调节器50相联。具体地说，除了图中画出的线101和102，还有一个电源线（未画出）从信号调节器50连到传感器6。图1所示信号调节器50的电源部分被略掉了。

图8给出的结构中传感器6经由2个传输路经91连接。图8所示结构与图1所示结构类似，只是信号调节器50与传感器6通过2线传输路经91相连，而增加了电源部分92、DC/DC转换器93、控制电路94以及光耦合器96。要说明的是，图1中的数字处理部分61和70、接口64和78都分别由各自的功能块代表，而在图8中这些功能由单一方框代表。

现在来描述图8所示信号调节器50。DC/DC转换器发3将直流电压VM（加在终端P12和P13之间的）转换成直流电压差值Vcc，并输出这一电压。这个转换器93可以是通常结构的转换器。例如，转换器93由开关SW5、变压器T、整流二极管D1、平滑电容C1以及其他部件构成。

控制电路94根据控制单元1提供的信号S16来控制DC/DC转我器93的输出电压Vcc振幅。控制电路94接收来自数字信号处理部分61的信号S2，该信号S2是由测量得到的。作为一个实例， 如果在传感器6中发生短路，则信号S2认为是异常值。一旦检测到这种情况，则输出电压Vcc迅速减小，以防止不希望的功率损失（power    loss，漏电）。

现在来描述控制输出电压Vcc值方法的一例。控制电路94控制DC/DC转换器93的开关SW5的闭合时间与断开时间之比，如图20所示。于是使向变压器T提供的电功率受到控制。在变压器T的次级一侧产生的电压随这一比值而变化。

图20给出开关SW5的闭合状态和断开状态。当实线升高时，开关SW5为闭合。在图20（a）的情况里，得到了最大输出电压Vcc。当开关SW5闭合该时间比增大时，输出电压Vcc减小。如果闭合状态数目控制在一个比率3/8，如图20（c）所示，则输出功率被限制在满功率的3/8。

电源部分92从DC/DC转换器93接受恒直流电压Vcc，并在其输出终端P10产生一个电压，例如24伏，这个电压接受控制电路94提供的控制信号S17的控制。就是说，控制信号S17指示从电源部分92输出电压（伏特）还是输出电流（毫安）。

假定传感器6能在高频通讯信息上载有测量所得到的值，例如4至20毫安，如结合图4所描述的那样，并能发送出含有这个值的信息。

输入电路51有一个（例如）电阻R，设置在输入终端P1和公共电位之间。由传感器6提供的4至20毫安低频信号以及迭加在低 频信号上的高频信号由该电阻R转换成电压信号。通过放大器放大这个电压信号，以产生适当幅度的信号SG。放大器输出送到ADC52。

在图8的结构中，由电源部分92经2线传输路径91中的一线提供电压或电流给传感器6，而传感器6发出的信号，即测量得到的值以及通讯信息，经由另一线提供给输入电路51。

图9给出图8所示电源部分92和输入电路51或输出电路68的一个具体实例。在图9中，几乎所有部件都是通常使用的，开关SW3在两个不同状态之间切换。在一种状态，这一结构的功能是向传感器6提供电功率。同样，它也作为接收来自传感器6的传送信号的接收电路51。在另一种状态，这种结构用作输出电路68，向执行机构7发送输出信号SB。

具体参考图9，一个传输路径与一对外部终端T1和T2相连。输入电路111接收流经传输路径的电流，或者在终端T1和T2之间流过的电流。在这一实例中，电阻R连在终端T2与公共电位之间。利用所得到的电压降来取得所接收的信号。这个输入电路111对应于图1中的输入电路51，可以不用电阻元件R而用其他元件。

稳定器（regulator）112设计成既可用于恒流方式向外部终端T1和T2产生恒定电流，也可以用于恒压方式向这些终端产生恒定电压。稳定器112由三极管q1和放大器U1构成，放大器U1的输出端与三极管Q1的基极相连。该三极管Q1的集电极与直流电 压Vcc相连，而其发射极与外终端T1相连。

方式转换电路113由一个设置装置114、一个信号输出装置115以及开关SW3组成。这个转换电路113根据与外部终端T1和T2连接的场地设备地种类，将稳定器112在恒压方式和恒流方式之间切换。

设置装置114根据图8所示控制单元1的指令，或与开关SW3的触点a1相连，或与触点a2相连。这样，稳定器112便或在恒流方式下操作或在恒压方式下操作。

信号输出装置115根据设置装置114所设置的工作方式可以向放大器U1的一个输入端（+）提供一个给定幅度的信号，或者不提供作为一例，信号输出装置115由一个数模转换器构成。

分压电阻R1和R2连在输出终端T1和公共电位之间。由输入电路111的电阻R接收的信号出现在信号取出终端T4。施加信号终端T3与稳定器112的放大器U1的一个输入端（+）相连。一个要传送给传感器6或执行机构7（如图8所示）的信号，从控制电路94施加在这个施加信号终端T3。

当将图9的电路作为图8所示输出电路68来工作时，所述的要传送的信号是信号S14，它是由控制单元1发出的执行机构控制信号S9造成的，或者是由通讯信息S8造成的。在这种情况下，图9所示信号输出装置115也作为图8所示的DAC69。

如果图9所示电路用于提供电功率并且也用于输入电路51， 所述要传送的信号的组成是：向所连接的传感器6提供电源的一个电压（比如说24伏）或电流（比如说4毫安），以及控制单元1传送给传感器6的通讯信息S8（见图8和图14）。

开关SW3的公共端与放大器U1的另一输入端（-）相连。触点a1与分压电阻R1和R2的结点相连。触点a2与输入电路11的电阻R的一端相连。开关SW3由设置装置114来启动。

当开关SW3与触点a1相连时，分压电阻R1作为放大器U1的反馈电阻。放大器U1的输入端（-）经电阻R2与公共电位相连。其结果是：稳定器112以恒压方式工作，由1+（R1/R2）给定其放大率。

另一方面，当开关SW3与触点a2相连时，由于下述理由，稳定器工作在恒流输出方式。只要放大器U1的工作正常放大器U1的两个输入端（+）和（-）实际上处于等电位。设e为放大器U1的两个输入端（+）和（-）之间建立的电压。设Vout为稳定器112的输出电压。则下述关系成立：

Vout＝A·e

这里A为稳定器112的开环增益，通常为80dB。由于输出电压Vout为例如24伏，则由上述等式计算出的e大约为0伏。所以，如果从图8中的控制电路94向终端T3提供一个恒定电压Eo，则通过开关SW3的触点a保持向电阻R提供这个恒定电压。这样，便保持在电阻R上通过一个电流，其大小由Iin＝Eo/R给定。因为这个 电流Iin是从终端T2提供的，该恒定电流Iin被送到在终端T1和T2之间连接的传感器。以这种方式构成的图9电路可以在第一种方式或第二种方式下工作。在第一种方式下，向传感器6提供电源，图9中的电路作为接收来自传感器6的传送信号的输入电路51。在第二种方式下，该电路作为向执行机构7发出输出信号的输出电路68工作。下面分别描述这两种工作方式。

〔第一种方式：向传感器6提供恒定电压，并且图9电路用作接收来自传感器6的电流信号的电路。〕图10给出建立这个第一工作方式的连接图。现在来描述图10所示各部件与图8所示各部件的关系。图10的外部终端T1对应于图8的终端P10。图10的外部终端T1对应于图8的终端P10。图10的外部终端T2以应于图8的终端P1。图10中由稳定器112、电阻R1、R2、开关SW3、以及方式切换电路113所组成的部分对应于图8中的电源部分92。图10的输入电路111对应于图8的输入电路51。图10所示电源电压Vcc对应于图8所示来自DC/DC转换器93的输出电压Vcc。

传感器6连在图10所示的外部终端T1和T2之间，经由传输路径91发出电流信号Iin。设置装置114将开关SW3与触点a1相连。这样，被分压电阻R1和R2分出来的电压反馈到稳定器112的放大器U1的一个输入端（-）。稳定器112在恒压输出方式下工作。信号输出装置115将给定的电压信号Vi送到放大器U1的另一个输入端（+）。这样，在外部终端T1和公共电位之间产生的输出 电压Vout保持为恒定电压，例如24伏，相应于由稳定器112给出的电压信号Vi。就是说，在终端T1出现的输出电压Vout由式

Vout＝Vi·｛1+（R2/R1）｝

给定。

传感器根据过程控制量来控制流经传输路径91的电流，从而在终端T2加上了一个过程控制信号。具体地说，该过程控制信号，或者说电流Iin，经传输路径91传送，流经输入电路111的电阻R，于是产生一个对应于过程控制量的电压Eout。这个信号Eout是从接收信号取出终端T4提取出来的，并由放大器（未画出）放大从而产生出适当幅度的电压信号SG。该放大器输出的信号被提供给图8中的ADC52。

〔第二种方式：图9中的电路用作向执行机构7发送电流信号的电路。就是说，该电路作为输出电路68。〕图11给出建立这第二种方式的连接图。现在来描述图11所示部件与图8所示部件的关系。图11中的外部终端T1对应于图8中的终端P5。图11中的外部终端T2对应于图8中的终端P6。图11中由稳定器112、电阻R1、R2、开关SW3、以及方式切换电路113构成的部分时应于图8中的输出电路68。图11中的信号输出装置115对应于图8中的DAC69。图11中所示电源电压Vcc对应于图8所示来自DC/DC转换器93的输出电压Vcc。

执行机构7通过传输路径95连接在外部终端T1和T2之间。 设置装置114将开关SW3连到触点a2。这样，电阻R作为一个反馈电阻连到稳定器112的放大器U1的一个输出端（-）。稳定器112工作在恒流输出方式。在这种状态，要传送给执行机构7的信号Vs被加到终端T3，它与放大器U1的另一输入端（+）相连。这样，稳定器112根据信号Vs来控制输出电流Iout，这个电流Iout被从外部终端T1送到执行机构7。这一输出电流Iout由式

Iout＝Vs/R

给定。

这样，不论图9中的电路工作在上述第一种方式还是第二种方式，该电路都能使用相同的主要部件。而且，能通过操作方式转换电路113可以很容易地实现工作方式的转换。

在上述实例中，典型的传感器6和执行机构7是相互连接的（interconneced）。在该范围内，将产生电压信号的传感器或敏感元件和由该电压信号驱动的执行机构加到上文描述的部件当中。图9所示电路能适应于加入这些传感器、敏感元件和执行机构的情况。下面来描述在这种状况下完成的操作。

〔工作方式：图9的电路作为接收来自传感或敏感元件发出的电压信号的输入电路。〕

这些传感器如敏感元件的实例示于图19（a）和（b）。图19（a）表示采用由热电耦构成的敏感元件的情况。该热电耦向图9的外部终端T1和T2加一个几毫伏的电压Vp。该热电耦不需要供电。

图19（b）表示使用一个电位计（potentiometer）作为传感器的情况。根据过程控制量来驱动电位计的滑动触点。在这种情况下，必须将来自信号调节器的恒定电流Iout（通常为4毫安）提供给电位计。结果，电位计向外部终端T1和T2提供由式Vp＝rp    Iout给定的电压，这里rp是电位计的电阻。当把热电耦或电位计与外部终端T1和T2相连时，图9电路的连接和设计如图12所示。

首先来描述当图19（a）所示热电耦与图12中的外部终端T1和T2相连时所完成的操作。在这种情况下，热电耦与信号调节器相连。控制电路1使方式设置装置114将开关SW3与触点92相连。这样，电阻R作为反馈电阻与稳定器112的放大器U1的一个输入端（-）相连。信号输出装置115将信号Vis加到放大器U1的另一输入端（+），以切断（cut    off）稳定器112。由于三极管Q1被偏置截止（biosed    off），故没有从外部终端T1向热电耦供电。以这种方法，从与外部终端T1相连的终端T5处取出了由图19（a）的热电耦经由传输路径91发出的电压信号，以此作为电压Vout，

Vout＝Vp    （R1+R2）/（R+R1+R2）

在终端T5出现的电压Vout被可变增益放大器（由图21中的131表示）放大并送到图8所示ADC52。

下面描述当图19（b）所示电位计与图12中的外部终端T1和T2相连时所完成的操作。在这种情况下，电位计与信号调节器相连。与使用热电耦时的情况相同，设置装置114在控制单元1的控 制下将开关SW3与触点a3相连。信号输出装置115将电压Vis加到放大器U1的输入端（+）。Vis电压值由式Vis＝4毫安R给出。就是说，稳定器112作为提供4毫安的电流的恒流源。于是，电位计将电压（Vp＝rp    4毫安）加到外部终端T1和T2上。与使用热电耦时的情况相同，从终端T5取出该电压Vp作为电压Vout。

上述从终端T5取出的电压Vout代表来自热电耦式电位计的输出信号Vp。这样，图9的电路能适应于热电耦或电位计等产生电压信号的传感器或敏感元件，而不需要改变基本电路结构，只要以简单的直接方式操作设置装置114即可。

〔工作方式：图9的电路作为向执行机构提供恒定电压控制信号的输出电路68。〕为驱动执行机构7，必须向它加一个电压信号（例如Vout＝1至5伏）。图9中的电路连接成图13所示的样子。执行机构7（例如它在电压信号1至5V驱动下工作）连接在图13所示外部终端T1和T2之间。在这种情况下，设置装置114在来自图8所示控制单元1的指令的控制下将开关SW3一触点a1相连。被电阻R1和R2分压的电压反馈到放大器U1的输入端（-），于是稳定器112以恒压方式工作。因为电压Vs经终端T3加到放大器U1的另一输入端（+），来自稳定器112的输出电压Vout由式

Vout＝Vs·｛1+（R1/R2）｝

给出。就是说，来自控制电路94（图8）的一个电压信号加到终端T3（图13）上，例如上述Vout假定为5伏。

在到此为止所做的描述中，作了假定R＜＜RA，这里的RA是执行机构7的内电阻。由于电阻R是不能忽略的，在电阻R的两端之间建立的电压被从终端T4取出（见图13）用以校正加到放大器U1输入端（+）的电压Vs值。这样，图9的电路能以同样的电路结构通过直接操作设置114来处理电压信号。

图14给出一种连接实例，在该实例中将低频信号（如DC电源信号或测量所得信号）与被调制波或通讯信息的组合信号通过二线传输路径91传送出去。现在来描述图14的结构与图8的结构之间的关系。图14的结构中没有使用图8中的输出电路68。图14中来自DAC69的输出S14被送到电源部分92。

现在参考图9来描述图14中的电源部分92的相互连接。图14中的控制电路94将信号S17加到图9中的终端T3。DAC69对应于图9中的信号输出装置115。图8所示的相互连接能在控制单元1指令控制下容易地改变成图14所示的相互连接。当然，图14中所示电路部件与图8中的电路部件是相同的。

现在来描述图14所示信号调节器50的工作状况。图14中的传感器6必须由直流电源提供一个恒定电压，例如24伏。假定图14中的传感器6能够接收通讯信息M1，这个通讯信息是由迭加在这个24伏电压上的高频波或者说调制波携带的。还假定传感器6能向输入电路51发出一个4至20毫安低频信号与通讯信息M2的组合信号，该通讯信息由高频信号与通讯M2的组合信号，该通 讯信息由高频信号或调制波携带，而该低频信号是由测量得到的。由信号调节器50向传感器6发出的通讯信息M1之一例是关于修改传感器6的测量范围的指令。由传感器6发送给信号调节器50的通讯信息M2之一例是响应上述通讯信息M1指出测量范围的信息。

在这种情况下，图14中的电源部分92在控制单元1的控制下连接成图10所示的样子。稳定器112由外部终端T1发出一个恒定直流电压（Vout＝24伏）。控制单元1产生被传送信号S8。例如，它发了数字信息M1，指出传感器6的测量范围L1。

被传送信号S8，或通讯信息，是由控制单元1产生的，指示测量范围L1，将该信号经由光耦合器75和接口78提供给数字信号处理部分70。然后，将该信号变成数字调制信号S12，在处理部分70（见图1）内部代表通讯信息M1。将信号S12经加法器71送给DAC69。

DAC69将数字调制的数字编码信号转换成模拟信号形式，例如结合图5描述的FSK调制波。将所生成的模拟信号送给电源部分92。用于产生24伏直流的电压信号Eo被送到电源部分92的放大器U1的输入端（+），其连接方式如图10所示。同样，DAC69，即信号输出装置115，将高频信号（图5（b）送到同一输入端（+）。结果，将迭加有图5（b））送到同一输入端（+）。结果，将迭加有图5（b）所示高频信号的恒定24伏直流电压通过传输线102由终端 P10（图14）提供给传感器6。

传感器6通过传输线102提供的24伏直流来供电。传感器对迭加在直流上的被调制波进行解调，并将其量程设置成通讯信息M1所指示的测量范围L1。传感器6将在该范围内测量出的值转换成4至20毫安的低频信号，并将电流Iin送到图10所示外部终端T2。电流Iin是将指示设定测量范围的高频信号或调制波信号迭加到低频信号上而成的。通过电阻R将这个含有这两类信号组合的电流Iin转换成电压信号，并出现在终端T4。然后，该电压信号被放大器（未画出）放大并送给ADC52。

该信号通过ADC52之后，光耦合器65产生一个高频信号S5，指示传感器6设定的测量范围。光耦合器66产生测量信号S6，指示由传感器6得到的值。这一操作过程已经结合图1详细描述过了。

当信号调节器50如图14所示连接时，只要通过二条传输线将控制单元1或信号调节器50与传感器6互连，便能同时实现直流电源的供给、测量值的传送、以及双向通讯。再有，可以将结构修改成图14所示的结构而不需要对图8的结构增加电路部件。能够根据来自控制单元1的控制信号容易地完成这种修改。

也许难于理解这一结构的工作过程，因为必须同时参考图14和图10。为此，我们将图14和图10的主要部分绘成图15。下面参考图15更详细地说明为什么只要通过二条传输线将控制单元1 或信号调节器50与传感器6互连便能同时实现直流电源的供给、测量值的传送、以及双向通讯。

在图15中，电源输出控制器120接收来自图14所示DAC69的输出信号S14，输出信号S14是高频的被传输信号。控制器120进行控制，例如根据S14信号控制来自可变直流电源Es的输出电压E。控制器120例如运算放大器U2构成。信号S14被加到一个输入端（-）。加到放大器U2另一输入端（+）的是电压信号Eo，它决定电源Es的输出电压值E。这个电压信号Eo等效于图10中加到终端T3的信号Eo。

可变直流电源Es由三极管Q3和Q4组成，它们的集电极分别与电源Vcc及公共电位相连。三极管Q3和Q4的发射极与一个传输路径91相连。这个电源Es等效于图10所示三极管Q1。图15中所示电源电压Vcc与图10所示电源电压Vcc相同。

传送块80由传感器6和电压变化检测器121组成。在图1、8、14中所示的传感器6中没有画出图15所示的电压变化检测器121。检测器121中含有一个微处理器，从信号调节器50所加的直流电压E中提取所包含的高频分量或信号S14，并根据信号S14指示的信息M1来控制传感器6。

传感器6根据场地测量值发出4至20毫安的低频电流。电压变化检测器121将高频信号或被调制信号迭加到传感器6产生的低频电流上，并将结果信号回送给信号调节器50，该高频信号中含 有对信号调节器50所发信息M1的响应信息2。

电阻R把信息Iin作为电压信号VR提取出来，信号Iin是该传输路径91传送的。这个电阻R等效于图10所示电阻R。

把由这个电阻R得到的电压VR加到低通滤波器55和率通滤波器53上。低通滤波器55产生4至20毫安信号SE，信号SE指示测量得到的值。带通滤波器53产生高频信号分量SD（图1）。在图15中，略去了图1、8、14中给出的对来自电阻R的信号进行放大的放大器以及ADC52。

现在参考图16来描述图15所示结构的工作过程。图16（a）给出图15所示信号S14。在这一实例中，信号在正负两方向上变化。运算放大器U2接收图16（a）所示信号S14以及恒定电压信号Eo，并根据这二者之差来控制可变直流电源Es的输出电压E。这样，由电源Es送到传输路径91上的输出电压E能根据高频信号S14来改变，而这个信号S14是如图16（b）所示那样产生的，其电压幅度由Vd1表示。由可变直流电源发出的电压E可由下式给出：E＝Eo+Vd1    （1）

传输块80根据过程控制量来改变流经传输路径91的电流Iin。这个被传送的电流Iin根据图16（c）所示过程控制量以模拟方式在譬如4至20毫安范围内变化。这个电流Iin经由传输路径91送到信号调节器50，并流入电阻R。在电阻R上由被传送电流Iin产生电压信号VR，如图16（d）所示。该电压信号VR可由下式给出：

VR＝R·Iin    （2）

由等式（1）和（2），可以给出加到与双线传输路径91相连的传输块80上的电压VL：

VL＝E-VR

＝Eo+Vd1-R    Iin    （3）

这个电压VL假定其波形和图16（e）所示。这样，加到传输块80上的电压VL随高频信号S14变化。在块80中包含的电压变化检测器121检测出电压VL的变化，并提取出来自信号调节器50的高频信号S14。于是，读出了由该信号S14指示的信息M1，并根据信息M1来控制传感器6。在传输块80上产生的电压VL很高，如果流过的传输电流Iin假定达到了它的最大值，例如20毫安，就能保持一个足够高的额定电压，以操作传输块80。

由传输块80传送到信号调节器的高频调制信号S20，或者说通讯信号，在正负两方向改变被传送电流Iin，例如图16（c）所示那样。这个高频信号S20引起了电阻R上建立的电压VR的变化。对应于过程控制量的，从传输块80送出的低频信号或指示测量值的信号，通过低通滤波器55，造成图16（f）所示信号SE，在图中从滤波器55发出的信号SE取模拟量波形形式。但实际上信号SE为数字编码信号，代表模拟波形的每个瞬时幅值。

从传输块80发出的高频被调制信号S20，或通讯信号，通过带通滤波器53，在那里提取出图16（g）所示信号SD。在图16（g）中， 收滤波器53产生的信号SD表现为模拟波形。但实际上它是数字编码信号，代表模拟形每个瞬时幅度值。

在图15的结构中，加入了电阻R，与双线传输路径91串联，因此，加到传输块80上的电源电压VL相应地减小。具体地说，加到传输块80上的电压VL由式

VL＝E-Iin·R    （4）

给出。所以，有必要设计一个电子电路，以保证在传输电流Iin达到其最大值（例如20毫安时也能维持正常工作。图17所示结构解决了这一问题。在图17中，电阻R连在放大器U3的输出端和输入端（-）之间。放大器U3的输入端（+）与公共电位相连。在这种结构中，放大器U3的输入端（-）能被认为是公共电位或者虚拟（virtual）接地点。这样，我们有

VL＝E

通过将执行机构7连在终端P10和P1之间（经由双线传输路径95）而不改变图14所示信号调节器的结构，便能够将4至20毫安的实际控制信号从控制单元1送到执行机构7。与此同时，能在控制单元1和执行机构7之间实现双向通讯。当图18的电路结构在工作时，电源部分92与图11所示结构相连。在这种情况下，开关SW3与触点a2相连，于是电源部分92在恒流输出状态下工作。

现在参考图11来描述图18所示电源部分92的连接。图11所示终端T3与图18所示控制电路94相连。在这种情况下，来自 控制电路94的信号S17为0，即S17＝0。图18所示DAC69对应于图11中的信号输出装置115。就是说，只有来自信号输出装置115或图18中DAC69的信号S14被加到图11的放大器U1的输入端（+）。

如前所述，这个信号S14是一个模拟电压信号，在其中，对应于4至20毫安电流的低频电压信号与代表通讯信息M1的被调制高频电压信号多道组合在一起。信息M1是从控制单元1传给执行机构7的。在图18中，通讯信息M1产生于来自控制单元1的信号S8。

图11所示稳定器112在恒流输出方式下运行。设V14为信号S14的电压。由稳定器112产生的电流Iout由下式给出：

Iout＝V14/R

结果，如图18中所描述的，电源部分92产生的信号中有低频电流分量ia（相应于4至20毫安）和高频电流分量ib（相应于通讯信息）迭加在一起。

执行机构7由输入的低频电流分量ia来驱动。接收电路7a在终端P1产生被调制信号Vin，信号Vin含有关于响应输入通讯信息M1和信息M2。

被调制信号Vin被送到输入电路51。数字信号处理部分61通过完成上述操作而提取出代表信息M2（见图1）的信息S1。代表信息M2的信号S5被送到控制单元1。

在图18的结构中，执行机构7送出的信号Vin只含有通讯信息，所以在数字处理部分61中包含的两个滤波器53及55中只有滤波器53是工作的。

图21所示电路结构与图1中电路结构的该部分相似：它从接收信号SA的输入端P1开始，到数字解调器54和数字滤波器55的输出端为止。解调器54发出通讯信息S1。滤波器55的输出是信号SE，它指示出测量得到的值。在图1中，带通滤波器53（它能用高通滤波器代替）与低通滤波器55并联。而在图21中两个数字低通滤波器132和133为串联。即使使用图21的结构，也能够分别提取出低频信号SE和高频通讯信息S1。

仍参考图21，输入端P1对应于图1中的输入端P1。电阻通过开关136连在输入端P1和公共电流之间。该开关136在图1的控制单元1控制下闭合和断开。向该输入端P1提供的信号为指示图22（a）所示测量值的低频信号ea与高频通讯信号eb的迭加。假定图22（a）中的低频信号ea及通讯信号eb中包含的频率分量所在的频率范围低于图23所示频率fw。

通常，可变增益放大器131将电阻R上建立的电压放大到某一电压水平，例如1伏，以便能容易地由电子电路的下一级处理。放大器131的放大程度由图1的控制单元1来控制。

可变增益放大器131的输出加到∑-△调制器52上，在那里将信号转换成数字形式。调制器52是一个过采样模-数转换器。 因为已经结合图3对该调制器作过描述，这里就不再描述了。调制器52的采样率保持在一个给定的频率，例如1兆赫兹。调制器52的输出送到低通滤波器132。

低通滤波器132计算由∑-△调制器产生的多个（例如32个）顺序数字代码的动均值。具体地说，调制器52产生数字代码，其法为1或0，频率为1兆赫兹，即间隔为1微秒。低通滤波器132将32个顺序数字代码相加，然后用32来除这个计算值，得到平均值。对每个输入代码信号重复这一系列运算。这样，便计算出数字代码的动均值。

以这种方式工作的低通滤波器132表现出图23所示衰减特性140。来自滤波器132的输出信号（记为S30）是一个数字编码信号（图22（b）），含有指示测量值的低频信号ea及高频通讯信号eb。

图23所示滤波器特性140的拐角频率fw之值可以改变，作法是用不同的值来代替上述的值“32”。可根据来自控制单元1的信号进行这种修改。控制单元1能对拐频率设置成这样的值（例如32），使其送到终端P1的高频信号eb不被低通滤波器132切掉。

后一个低通滤波器133接收来自前一个低通滤波器132的输出数据，计算来自运算一个低通滤波器132的例如8个顺序数字代码的动均值。具体地说，后一个滤波器133将来自∑-△调制器52的256个（32×8＝256）顺序数字代码求和并用256除该计算值。就是说，后一个滤波器133取256个数字代码的动均值，所以这个滤 波器只提取出其频率低于低通滤波器132所提取信号的频率的那些信号。

这后一个低通滤波器133的运作过程如前文所描述，它的衰减特性（4）如图23所示，其拐角频率由fu表示。就是说，后一个滤波器133的输出信号SE是图22（c）所示数字编码信号，它不包含高频信号eb，而且只包含代表测量值的低频信号ea。这后一个滤波器133的特性也可以由控制单元1容易地加以修改，其作法与前述相同。结果，后一个低通滤波器133产生的低频分量是加到输入端P1的信号SA中所包含的那些低频分量（或表示测量值的信号;例如，4至20毫安的电流）。

同样，由数字比较器134和数字解调器135得到高频分量或通讯信息。数字比较器134将图22（b）所示信号S30与图22（c）所示信号SE相比较。比较器134产生信号S31，每当信号S30穿过信号SE时，信号S31的代码值便发出变化。信号S31指示出图22（b）所示信号eb的周期。数字解调器135能检测邮高频信号eb的频率，也就是说能根据周期解调出通讯信息，S1。

图21所示电路结构中两个低通滤波器串联，产生如下好处：一个数字低通滤波器在硬件结构上比数字带通滤波器和数字高通滤波器简单，能用比后两种滤波器数量少的电路部件来构成。就是说，图21所示结构使这种新型信号调节器容易地制成集成电路形式。以这种方式，将高频通讯信息S1从解调器135中取出，而将表 示测量值的低频信号SE从后一个低通滤波器133取出。

由上面的描述，可看出本发明具有如下优点：

（1）只要准备少数几种信号调节器或少数几种硬件便有可能适应于多种传感器和多种执行机构。

现在来详细说明这一点。通过输入电路51，将传感器或敏感元件提供的信号转换成超过其一水平的电压信号。这个电压信号被ADC52全部转换成数字形式。所以，由ADC52得到了与传感器或敏感元件的输出信号相对应的数字信号，而不论是哪一种传感器或敏感元件与该信号调节器相连。这样，由ADC52产生的数字信号中包含3指示测量值的信息以及通讯信息。数字信号处理部分61和70对ADC52提供的数字信号进行数字算术操作，从而提取出测量值和通讯信息，而这些算术操作能适应于所连传感器的种类。由数字信号处理部分61和70所完成的数字算术操作的内容可由软件来改变。

简单地说，根据本发明，每个传感器或敏感单元的输出都转换成了数字形式。然后对产生的数字信号进行适用于所连传感器或敏感元件类型的数字算术操作。这样，便提取出了测量所得到的值及通讯信息。由于数字算术操作的内容能由软件来修改，因此，所发明的信号调节器能以其少数几种来适应于多样的传感器和执行机构。

图9所示电源部分92，能切换到图10至13所示不同功能的各种电路，而共同使用的是图9中几乎所有的电路元件。这一点也能 使少数几种信号调节器适应于各种传感器和执行机构。

迄今，本申请人已备有多种信号调节器。根据本发明，它们全部能由仅仅一种硬件所代替。因此，本发明有很大优越性。

（2）不论所连传感器或执行机构有无通讯功能，信号都能被适当把传送和接收。

（3）以往设备的模拟信号处理部分可以用本发明的数字信号处理部分61和70所代替。数字信号处理部分61、70、ADC52、以及DAC69为数字电路，适于容易地制成集成电路形式。这使信号调节器能够小型化。

当用过采样ADC代替图1所示ADC52和用过采样DAC来代替DAC69时，更易于以集成电路形式制造这些部件。一个模数转换器（ADC）需要配备前置滤波器81来避免采样引起的重叠噪声。这个滤波器81是由诸如电容器等模拟元件做成的。所以，即使ADC制成集成电路形式，这个模拟前置滤波器81的大体积仍是个问题。然而，在这采样系统中，信号以相当高的速率采样，于是可以用小个电容及类似元件来制造。就是说，过采样转换器适于包含在一个集成电路中。

（4）在这个新设备中，接收电路部分和传送电路部分都对输入信号进行数字算术操作以得到所需信号。因此，如果输入或输出条件改变了，可以由软件来修改这些数字算术操作的内容。从而使新设备能迅速适应于条件的改变。

（5）在图14和图15所示电路中，通过将控制电路1或信号调节器50与传感器6只用双传输线互连，便能同时实现直流供电、测量值传送以及双向通讯。

Claims (8)

1、通过传输路径与传感器相连的一种信号调节器，该信号调节器使包含着测量信息和通讯信息的信号在传感器和控制单元之间平稳地传送，所述信号调节器包括：

输入电路，通过上述传输路径接收来自上述传感器的输出信号，并将上述输出信号变换成超过给定电平的模拟电压信号；

模数转换装置，将上述输入电路产生的上述模拟电压信号转换成数字信号；

第一数字滤波装置，从上述模数转换装置输出的数字信号中提取低速信号分量；

第二数字滤波装置，从上述模数转换装置输出的数字信号中提取高速信号分量；

其特征在于：

第一数字处理装置对上述的第一数字滤波装置所提取的低速信号分量进行数字处理，以得到测量信息；

第二数字处理装置，对上述的第二数字滤波装置所提取的高速信号分量进行数字处理，以得到通讯信息。

2、根据权利要求1的信号调节器，其中所述的传输路径由二根传输线构成。

3、根据权利要求2的信号调节器，其中所述的二根传输线包括：用于向上述的传感器提供直流电源的供电装置。

4、根据权利要求3的信号调节器，其中上述的供电装置还包括：

稳定器，它能工作在恒流方式或恒压方式，在恒流方式下该稳定向与所述双传输线之一相连的外部终端提供恒定电流，在恒压方式下该稳定器向外部终端提供恒定电压;以及

方式切换装置，它根据与外部终端相连的传感器的种类，在恒压方式和恒流方式之间切换稳定器的工作方式。

5、根据权利要求1的信号调节器，其中，

上述的第一数字处理装置是一个测量装置，用于对所提取的低速信号进行数字处理。以取得测量所得到的值;以及

上述的第二数字处理装置是一个解调装置，用于对所提取的高速信号分量进行数字处理，以取得传感器向控制单元单向传送的通讯信息。

6、根据权利要求1的信号调节器，其中上述的信号调节器还包括：

数字调制装置，它接收上表示从一个控制单元向一个执行机构传送的通讯信息的第一数字信号，并产生一个第二数字信号，该第二数字信号对应于表示通讯信息的被调制信号幅度的每个瞬时值;

加法器，它产生一个第三数字信号与所述第二数字信号之和，该第三数字信号对应于执行机构受控制的程度;

数模转换装置，接收来自加法器的输出信号，并将其转换成一个模拟信号;

输出电路，接收来自所述数模转换装置的模拟输出信号，放大该模拟信号，并将放大的信号送到执行机构。

7、根据权利要求6的信号调节器，其中所述的传输路径由二根传输线构成。

8、根据权利要求7的信号调节器，其中所述的输出电路包括：

稳定器，它能工作在恒流方式或恒压方式，在恒流方式下该稳定器向与所述双传输线之一相连的外部终端提供恒定电流，在恒压方式下该稳定器向外部终端提供恒定电压;以及

方式切换装置，它根据与外部终端相连的执行机构的种类，在恒压方式和恒流方式之间切换稳定器的工作方式。

Images