CN117406653A

CN117406653A - 模拟量输出装置以及工业控制器

Info

Publication number: CN117406653A
Application number: CN202311696174.1A
Authority: CN
Inventors: 李红波; 梁海明; 解群眺; 陈建飞
Original assignee: Zhejiang Guoli Xin'an Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Guoli Xin'an Technology Co ltd
Priority date: 2023-12-12
Filing date: 2023-12-12
Publication date: 2024-01-16
Anticipated expiration: 2043-12-12
Also published as: CN117406653B

Abstract

本公开的实施例提供了一种模拟量输出装置和工业控制器。该模拟量输出装置包括：控制单元，被配置为生成数字信号；数模转换器，耦合到控制单元，并且被配置为将数字信号转换为模拟信号；第一输出单元，耦合到数模转换器并且适于耦合到负载，第一输出单元被配置为基于模拟信号向负载施加模拟输出量；以及电压至频率转换单元，耦合到控制单元，电压至频率转换单元被配置为从第一输出单元获取指示模拟输出量的模拟电压信号，并且将模拟电压信号转换为表示频率的反馈信号以输出至控制单元。通过本公开的实施例，可以有效降低工业控制中的输出检测的成本和复杂度，并且还有助于改善故障检测的全面性和准确性。

Description

模拟量输出装置以及工业控制器

技术领域

本公开涉及工业控制领域，更具体地，涉及模拟量输出装置以及包括该模拟量输出装置的工业控制器。

背景技术

工业控制也称为工业自动化控制，其利用电子和电气技术、计算机技术等来实现生产和制造过程的自动化。工业控制技术有效提升了工厂的自动化程度，并且使得生产和制造更加高效和精确。

随着工业自动化的发展，工业控制在各个工业领域中的应用越来越广泛和深入，由此对工业控制系统的输出信号的精度和可靠性的要求也越来越高。然而，控制系统内部的设备和器件会不可避免地出现老化和故障，并因此影响整个控制系统的可靠性。为此，可以针对系统输出进行检测以发现和排除可能出现的老化和故障。目前的控制系统的输出检测存在诸多问题，例如检测成本高、故障检测不全面、准确度差等。

发明内容

为了至少部分解决上述以及其他可能存在的问题，本公开的实施例提供了模拟量输出装置以及工业控制器。

根据本公开的第一方面，提供了一种模拟量输出装置，其包括：控制单元，被配置为生成数字信号；数模转换器，耦合到控制单元，并且被配置为将数字信号转换为模拟信号；第一输出单元，耦合到数模转换器并且适于耦合到负载，第一输出单元被配置为基于模拟信号向负载施加模拟输出量；以及电压至频率转换单元，耦合到控制单元，电压至频率转换单元被配置为从第一输出单元获取指示模拟输出量的模拟电压信号，并且将模拟电压信号转换为表示频率的反馈信号以输出至控制单元。

在本公开的一些实施例中，第一输出单元包括：第一开关器件，包括控制端、第一端和第二端，第一开关器件适于经由第一端而与负载串联耦合；第一运算放大器，包括输出端、第一输入端和第二输入端，第一输入端耦合到数模转换器以接收模拟信号，第二输入端耦合到第一开关器件的第二端，输出端耦合到第一开关器件的控制端；以及串联的多个电阻器，耦合在第一开关器件的第二端与地电位或电源电位之间，其中电压至频率转换单元被配置为获取跨多个电阻器中的部分电阻器的电压作为模拟电压信号。

在本公开的一些实施例中，多个电阻器包括第一电阻器和第二电阻器，并且电压至频率转换单元被配置为获取位于第一电阻器与第二电阻器之间的节点的电位信号作为模拟电压信号。

在本公开的一些实施例中，电压至频率转换单元包括：积分电路，包括第二运算放大器和电容器，并且被配置为基于模拟电压信号对电容器进行充电和放电；比较电路，包括第三运算放大器并且耦合到积分电路，比较电路被配置为基于电容器的充电电位与阈值的比较而生成开关控制信号；第二开关器件，耦合到积分电路和比较电路，第二开关器件被配置为基于开关控制信号指示充电电位超过第一阈值而被接通以对电容器放电，并且基于开关控制信号指示充电电位低于第二阈值而被关断以对电容器充电；以及输出电路，包括光耦器件，并且被配置为基于开关控制信号生成反馈信号。

在本公开的一些实施例中，控制单元被配置为基于反馈信号来生成指示故障的警告信号，该故障包括断线和输出偏差。

在本公开的一些实施例中，模拟量输出装置还包括：检测单元，包括二极管和电流检测设备，其中二极管的一端耦合到第一输出单元，并且二极管的另一端适于耦合到负载，并且其中在检测单元对负载的电流进行检测的情况下，电流检测设备与二极管并联连接以将流过二极管的负载电流旁路至电流检测设备。

在本公开的一些实施例中，模拟量输出装置还包括：第一旁路电路，耦合到第一输出单元，并且适于与负载并联耦合，第一旁路电路被配置为在非激活状态和激活状态之间切换，其中在非激活状态下，第一输出单元所施加的模拟输出量被施加到负载，并且在激活状态下，第一输出单元所施加的模拟输出量从负载旁路至第一旁路电路。

在本公开的一些实施例中，第一旁路电路包括：第三开关器件，适于与负载并联耦合，第三开关器件被配置为在非激活状态下被关断并且在激活状态下被接通。

在本公开的一些实施例中，第一旁路电路还耦合到控制单元，并且电压至频率转换单元被配置为从第一输出单元获取指示模拟输出量的模拟电压信号，并且其中控制单元被配置为：在第一旁路电路处于非激活状态的情况下，如果基于反馈信号确定存在故障，则控制第一旁路电路切换到激活状态；在控制第一旁路电路切换到激活状态之后，从电压至频率转换单元接收更新的反馈信号；以及如果基于更新的反馈信号确定存在故障，则生成指示模拟量输出装置存在故障的警告信号，或者如果基于更新的反馈信号确定不存在故障，则生成指示负载存在故障的警告信号。

在本公开的一些实施例中，模拟量输出装置还包括：第二输出单元，耦合到数模转换器并且适于耦合到负载，第二输出单元被配置为基于模拟信号向负载施加模拟输出量；以及第二旁路电路，耦合到第二输出单元，并且适于与负载并联耦合，第二旁路电路被配置为在非激活状态和激活状态之间切换，其中在非激活状态下，第二输出单元所施加的模拟输出量被施加到负载，并且在激活状态下，第二输出单元所施加的模拟输出量从负载旁路至第二旁路电路，其中第一旁路电路和第二旁路电路均耦合到控制单元，并且控制单元被配置为控制第一旁路电路和第二旁路电路中的一者切换到非激活状态并且控制另一者切换到激活状态。

在本公开的一些实施例中，控制单元被配置为：控制第一旁路电路切换到激活状态并且控制第二旁路电路切换到非激活状态；从第一输出单元经由电压至频率转换单元获取反馈信号；以及如果基于反馈信号确定存在故障，则生成指示第一输出单元存在故障的警告信号。

在本公开的一些实施例中，模拟量输出装置还包括选择开关，其中电压至频率转换单元经由选择开关选择性地耦合到第一输出单元或第二输出单元以从第一输出单元或第二输出单元获取模拟电压信号。

根据本公开的第二方面，提供了一种工业控制器，其包括根据第一方面的模拟量输出装置。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的关键特征或主要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本公开的实施例的工业控制器和负载的示意性框图。

图2示出了根据本公开的实施例的模拟量输出装置以及负载的示意性电路图。

图3示出了根据本公开的实施例的电压至频率转换单元的示意性电路图。

图4示出了根据本公开的实施例的电压至频率转换单元的电容器充电电位的波形示意图。

图5示出了根据本公开的实施例的输出单元和负载的示意性电路图。

图6示出了根据本公开的另一实施例的模拟量输出装置和负载的示意性电路图。

图7A示出了根据本公开的实施例的电流检测单元中的电流检测设备没有并联连接到二极管的示意性电路图。

图7B示出了根据本公开的实施例的电流检测单元中的电流检测设备并联连接到二极管的示意性电路图。

图8根据本公开的又一实施例的模拟量输出系统和负载的示意性电路图。

图9A示出了根据本公开的实施例的旁路电路处于非激活状态的示意性电路图。

图9B示出了根据本公开的实施例的旁路电路处于激活状态的示意性电路图。

图10示出了根据本公开的实施例的旁路电路和负载的示意性电路图。

图11示出了根据本公开的又一实施例的模拟量输出装置的部分电路以及负载的示意性电路图。

图12示出了根据本公开的实施例的旁路电路处于激活状态并且另一旁路电路处于非激活状态的示意性电路图。

图13示出了根据本公开的实施例的模拟量输出装置的部分电路的示意性电路图。

图14示出了根据本公开的实施例的用于控制模拟量输出装置的方法的示意性流程图。

图15示出了根据本公开的实施例的用于控制模拟量输出装置的方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。本领域的技术人员可以在不偏离本公开精神和保护范围的基础上从下述描述得到选替技术方案。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

如前文所述，为了确保工业控制系统的可靠性，需要对系统的输出进行检测或监测以便及时发现和排除故障。例如，控制系统的模拟量输出模块可以设置有模拟量输出检测功能。目前的模拟量输出检测通常采用模数转换ADC器件对输出的模拟量进行采样并根据采样的结果来确定系统输出是否正常。然而，诸如点点隔离型之类的模拟量输出模块具有较多的隔离支路，并且每个隔离支路均需要设置单独的ADC器件以及复杂的外围电路，这使得检测方案复杂并且成本高昂。此外，目前的检测方案还存在检测不全面以及不够准确的问题，例如无法检测模拟量输出模块中的精密电阻的老化或损坏、以及无法分辨故障处于控制系统内部还是外部。

在本公开的实施例中，提供了一种改进的模拟量输出装置以及包括该改进装置的工业控制器。在改进方案中，采用电压至频率的转换替代了传统的ADC采样。由此，系统输出的模拟量检测可以利用常规的器件来实现而不再需要ADC器件以及相关的外围电路，这大大降低了模拟量输出检测的成本和复杂度。此外，本公开的一些实施例还可以有效检测到模拟量输出装置中的精密电阻的老化和损坏，帮助确定故障的大体位置，并且在负载不断电的情况下利用外部电流检测设备来检测负载电流，由此改善了系统输出检测的准确性、便利性和全面程度。

图1示出了根据本公开的实施例的工业控制器10和负载20的示意性框图。图1中所示的工业控制器10可以用于各种工业领域的自动化系统和控制系统，并且可以根据预定程序和外部信号来对现场设备或负载20进行适当的控制，从而实现期望的自动化控制。作为示例，工业控制器10可以是PLC工业控制器。然而，可以理解的是，工业控制器10也可以是任何其他类型的工业控制器。

工业控制器10可以包括模拟量输出装置100。具体而言，模拟量输出装置100可以将工业控制器10中处理和生成的数字信号转换为模拟信号，从而根据需求来控制现场设备或负载20的操作。作为示例，模拟量输出装置100可以将数字信号转换为适当大小的模拟电压或模拟电流施加到现场设备或负载20，例如施加到电动机以使电动机按照期望的转矩或转速来工作。可以理解，工业控制器10中的模拟量输出装置100的数目可以根据需要设置，并且可以是任何适当的数目。此外，除了模拟量输出装置100之外，工业控制器10还可以根据需求包括适当的其他模块、装置和器件，例如模拟量输入模块、处理器、通信模块、人机接口等。

图2示出了根据本公开的实施例的模拟量输出装置100以及负载20的示意性电路图。如图2所示，模拟量输出系统100包括控制单元110和数模转换器DAC 120。控制单元110生成数字信号，并且DAC 120耦合到控制单元110并将控制单元120生成的数字信号转换为模拟信号。具体而言，控制单元110可以以具有计算和处理能力的控制器或控制芯片的形式来实现，例如单片机（MCU）、数字信号处理器（DSP）等。此外，控制单元110可以与工业控制器10中的其他模块或控制器进行通信，以获取指令或信号。控制单元110通过适当的计算和处理可以生成用于操作负载20的数字信号，以使负载20按照期望的方式工作。耦合到控制单元110的DAC 120可以将数字信号进一步转换为负载20所需的模拟信号。

根据本公开的实施例，模拟量输出系统100还包括第一输出单元130。第一输出单元130耦合到DAC 120并且适于耦合到负载20。第一输出单元130基于DAC 120输出的模拟信号向负载20施加模拟输出量Io。具体而言，第一输出单元130所施加的模拟输出量Io可以是操作负载20所需的电气量，例如电压和电流。第一输出单元130可以包括适当的元器件以使模拟信号能够施加到负载20。例如，第一输出单元130可以包括运算放大器和开关器件，其中运算放大器具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗等特性，从而可以将与模拟信号相对应的模拟量施加在负载20上。此外，作为示例，在模拟输出量Io是电流的情况下，输出单元还可以包括电阻器或电阻网络，以使模拟电压信号能够变为电流信号而施加到负载20。可以理解，第一输出单元130的实现方式并不受限于此，而可以以任何适当的方式来实现。

根据本公开的实施例，模拟量输出系统100还包括耦合到控制单元110的电压至频率转换单元140。电压至频率转换单元140从第一输出单元130获取指示模拟输出量Io的模拟电压信号V_i，并且将模拟电压信号V_i转换为表示频率的反馈信号Sf以输出至控制单元110。

作为示例，可以从第一输出单元130获得模拟电压信号V_i，该模拟电压信号V_i与模拟输出量Io相关联，由此可以指示第一输出单元130实际所施加的模拟输出量Io的状态。然而，可以理解的是，借助于附加的感测设备，也可以从负载20或者从第一输出单元130和负载20两者获取表征模拟输出量Io的模拟电压信号V_i。进一步地，电压至频率转换单元140接收模拟电压信号V_i并将模拟电压信号V_i转换为表示频率的反馈信号Sf以提供至控制单元110。由于诸如单片机之类的控制单元110具有定时器功能或频率计数功能，因此控制单元110能够基于表示频率的反馈信号Sf来确定模拟电压信号V_i，并因此检测出模拟量输出装置100实际所施加的模拟输出量Io的状态。

在传统的模拟量输出检测方案中，需要采用传统的模数转换ADC器件来对模拟电压信号V_i进行采样以转换为控制单元110所需的数字信号，从而确定模拟量的情况。特别地，对于诸如点点隔离型之类的模拟量输出系统，由于存在多个隔离支路，因此每个隔离支路均需设置ADC器件并且还需要设置复杂的外围电路。通过利用电压至频率转换单元来替代传统的ADC器件，只需要ADC器件以外的常规元器件就可以实现电压至频率的转换并因此有效获取系统输出的模拟量，这避免了使用大量ADC器件及其外围电路，从而有效降低了系统成本和复杂度。

图3示出了根据本公开的实施例的电压至频率转换单元140的示意性电路图。如图3所示，电压至频率转换单元140包括积分电路141、比较电路142、第二开关器件143和输出电路144。积分电路141包括第二运算放大器1411和电容器1412，并且基于模拟电压信号V_i对电容器1412进行充电和放电。比较电路142包括第三运算放大器1421并且耦合到积分电路141，该比较电路142基于电容器1412的充电电位与阈值的比较而生成开关控制信号SW。第二开关器件143耦合到积分电路141和比较电路142，并且基于开关控制信号SW指示充电电位超过第一阈值V_H而被接通以对电容器1412放电，并且基于开关控制信号SW指示充电电位低于第二阈值V_L而被关断以对电容器1412充电。输出电路144基于开关控制信号SW生成表示频率的反馈信号Sf。

通过这种方式，电压至频率转换单元140可以基于模拟电压信号V_i来产生表示频率的反馈信号Sf，该反馈信号Sf通过特定的频率反映了模拟电压信号V_i的大小。例如，在模拟电压信号V_i的电位较高时，反馈信号Sf具有较快的频率，而在模拟电压信号V_i的电位较低时，反馈信号Sf具有较慢的频率。由此，接收到反馈信号Sf的控制单元110可以利用其定时器功能或频率计数功能来确定模拟输出量Io的实际状态。

在本公开的一些实施例中，输出电路144包括光耦器件1441。光耦器件1441基于开关控制信号SW输出周期性交变信号，该周期性交变信号具有与模拟电压信号V_i相关联的频率。通过这种方式，频率信号可以通过常规低速光耦而被传递到控制单元110。可以理解，电压至频率转换单元140还可以根据实际需要包括其他元器件，例如图3中所示出的电阻器R1至R10、二极管D2等。

图4示出了根据本公开的实施例的电压至频率转换单元140的电容器1412的充电电位（即第三运算放大器1421的反向输入端的电位）的波形示意图。如图3和图4所示，第二开关器件143关断并且积分电路141的电容器1412被充电，由此，第三运算放大器1421的反向输入端的电位（即充电电位）上升，并且到达A点。在A点，充电电位超过第一阈值V_H，因此比较电路142发生了翻转。然而，由于第三运算放大器1421存在一个比较小的压摆率SR，因此比较电路142的输出从正饱和V_OH到0.7V需要较长的一段时间（约为(V_OH-0.7V)/SR），并且在这段时间之后到达B点。在B点，第二开关器件143接通，并且积分电路141的电容器1412由充电转为放电。类似地，随着放电的进行，第三运算放大器1421的反向输入端的电位线性降低，并且到达C点。在C点，充电电位低于第二阈值V_L，因此比较电路142再次发生翻转。同样，由于压摆率的影响，放电会再继续一段时间（约为(0.7V-V_OL)/SR））并且到达D点。在D点，第二开关器件143关断，并且积分电路141的电容器1412由放电转为充电。E点和F点将重复A点和B点的过程。由此，后续过程循环进行，因此不再赘述。B点至F点的时长T_BF即是模拟电压信号V_i所对应的频率信号（即反馈信号Sf）的周期。以下将示例性描述时长T_BF的计算过程。

积分电路141的第二运算放大器1411的正向输入端处的电位（电阻R1至R10参见图3所示），并且第二运算放大器1411的反向输入端处的电位/>。由此，可以确定电容器1412的充电电流为/>，而放电电流为/>（其中V_sat为第二开关器件143的饱和压降）。

当流经二极管的电流不同时，二极管上的压降会有一定的变化。假设两种情况下输出的稳压电压分别为V_RH和V_RL。V_OH和V_OL分别为第三运算放大器1421正饱和以及负饱和的输出，其中V_OH接近电源电压，而V_OL接近地电平。V_H和V_L为第一阈值和第二阈值，即比较电路142发生翻转时，充电电位或第三运算放大器1421的反向输入端的电位。表示迟滞大小，即充放电电量大小，其中/>。

在B点，比较电路142的第三运算放大器1421的反向输入端电位为（其中C为电容器1412的电容）。由此，B点到C点之间的时长，C点到D点的时长为/>，并且放电时长为。

在D点，比较电路142的第三运算放大器1421的反向输入端电位为。由此，D点到E点的时长为/>，E点到F点的时长为/>，并且充电时长为/>。

由此，B点到F点的总时长T_BF可以计算为：

反馈信号Sf（即开关控制信号SW）的频率为1/T_BF。通过上述公式可见，反馈信号Sf的频率受到V_OH、V_OL、V_H、V_L、C（电容器1412的电容）、SR等多个参数影响，其中运算放大器的压摆率SR对频率影响较大，因此在选择运算放大器时，优选地可以选择压摆率SR较大的运算放大器，以使反馈信号Sf的频率1/T_BF在可检测的合理范围内。在一个实施例中，输入到电压至频率转换单元140的模拟电压信号V_i的范围为0V至2V，并且反馈信号Sf的频率范围为0至10千赫兹。由此，可以有利地降低电压至频率转换单元140中的元器件的选型要求，并且运算放大器和二极管均可采用常规型号即可。

可以理解，图3示出的电压至频率转换单元140的结构是示例性的而非是限制性的，并且可以根据需要对其中的元器件进行增加、减少或替换。此外，除了图3所描述的电路架构之外，电压至频率转换单元140还可以采用已有的或未来开发的其他电压至频率转换电路架构，只要无需使用ADC转换、并且能够实现从电压信号到能够被控制单元110识别的频率信号的转换即可。

图5示出了根据本公开的实施例的第一输出单元130和负载20的示意性电路图。如图5所示，第一输出单元130包括第一开关器件131，该第一开关器件131包括控制端1311、第一端1312和第二端1313，并且适于经由第一端1312而与负载20串联耦合。作为示例，第一开关器件131可以是N型金属氧化物半导体晶体管（N型MOSFET），其可以在高电平下被触发接通，并且在低电平下被关断。在第一开关器件131是N型MOSFET的情况下，第一开关器件131的漏源极（即第一端1312和第二端1313）被连接在负载20与地电位GND之间（如图5所示）。第一输出单元130还包括第一运算放大器132，第一运算放大器132包括输出端1321、第一输入端1322和第二输入端1323。第一输入端1322耦合到数模转换器120以接收模拟信号，第二输入端1323耦合到第一开关器件131的第二端1313，并且输出端1321耦合到第一开关器件131的控制端1311。

可以理解的是，第一开关器件131也可以是P型MOSFET。不同之处在于，在采用P型MOSFET的情况下，第一开关器件131的源漏极要被连接在电源电位Vs与负载20之间，并且第一运算放大器132的连接方式也要进行相应地调整。此外，除了MOSFET之外，第一开关器件131还可以是其他类型的开关器件，其包括但不限于绝缘栅双极晶体管（IGBT）、结型场效应晶体管（JFET）、双极结型晶体管（BJT）、栅关断晶闸管（GTO）、MOS控制晶闸管（MCT）、集成栅换流晶闸管（IGCT）、碳化硅（SiC）开关器件或氮化镓（GaN）开关器件等。

在本公开的一些实施例中，第一输出单元130包括串联的多个电阻器（例如1331和1332）。多个电阻器耦合在第一开关器件131的第二端1313与地电位GND之间，其中电压至频率转换单元140获取跨多个电阻器中的部分电阻器的电压作为模拟电压信号V_i。

作为示例，在第一开关器件131为诸如N型MOSFET之类的高电平触发接通的开关器件的情况下，多个电阻器耦合在第一开关器件131的第二端1313（即源极）与地电位GND之间。多个电阻器的数目可以是两个、三个或者更多，并且可以由精密电阻器组成，以使多个电阻器能够与模拟电压信号V_i配合生成精确的模拟量Io以施加到负载20。具体而言，假设DAC 120输出到第一运算放大器132的第一输入端1322处的电位为V₁₃₂₂，则根据运算放大器的虚短和虚断特性可知，第二输入端1323的电位V₁₃₂₃以及第一开关器件131的第二端1313处的电位V₁₃₁₃均等于电位V₁₃₂₂。由此，施加到负载20的模拟输出量（即流过负载20的电流）Io=V₁₃₁₃/R_S=V₁₃₂₂/R_S，其中R_S是多个电阻器的总电阻。进一步地，在对模拟输出量Io进行检测时，可以获取跨多个电阻器中的部分电阻器的电压作为模拟电压信号V_i。假设多个电阻器中的部分电阻器的电阻值为R_part，则V_i =Io*R_part= V₁₃₂₂*R_part /R_S。

通过这种方式，可以更有利地检测到模拟量输出装置100中的元器件的故障和老化，特别是精密电阻器的故障和老化。具体而言，在传统方案中，通常仅会采用一个精密电阻器而不是多个电阻器，并且在精密电阻器与开关器件之间的连接节点处获取模拟电压信号。然而，传统方案中所获取的模拟电压信号会等于DAC输出端的电位，并且即使精密电阻器由于老化而产生漂移或偏差（如百分之几十到数倍的变化），用于检测的模拟电压信号也会由于运算放大器的虚短和虚断特性而始终保持等于DAC输出端的电位。由此，传统方案实际上无法检测到精密电阻器的老化和故障。通过利用多个电阻器来替换单个电阻器，并且将跨多个电阻器中的部分电阻器的电压作为模拟电压信号V_i，可以在多个电阻器中的任何电阻器发生参数漂移时引起R_part/R_S改变，进而导致模拟电压信号V_i=V₁₃₂₂*R_part /R_S也随着发生改变。由此，用于检测的模拟电压信号V_i可以更全面的反映模拟量输出装置100中的元器件的状况。

需要说明的是，在第一开关器件131为诸如P型MOSFET之类的低电平触发接通的开关器件的情况下，多个电阻器将被耦合在第一开关器件131的源极（即第二端1313，此时第二端1313更靠近电源电位Vs，而第一端1312更靠近地电位GND）与电源电位Vs之间。在这种情况下，通过获取跨多个电阻器中的部分电阻器的电压，同样可以实现上述检测目的。

在本公开的一些实施例中，多个电阻器包括第一电阻器1331和第二电阻器1332，并且电压至频率转换单元140获取位于第一电阻器1331与第二电阻器1332之间的节点的电位信号作为模拟电压信号V_i。作为示例，图5中的两个电阻器1331和1332之间的节点电位实际上等同于跨第二电阻器1332的电压，因此该节点电位可以直接被输出用作模拟电压信号V_i。在这种情况下，模拟输出量（即负载电流）Io=V₁₃₂₂/(R₁₃₃₁+R₁₃₃₂)，并且模拟电压信号V_i=R₁₃₃₂*Io=V₁₃₂₂*R₁₃₃₂/(R₁₃₃₁+R₁₃₃₂)。通过这种方式，可以更加简单可靠地获取模拟电压信号V_i，并且利用该模拟电压信号V_i可以有效检测到精密电阻器的老化和故障。

在本公开的一些实施例中，控制单元110可以基于表示频率的反馈信号Sf来生成指示故障的警告信号。作为示例，反馈信号Sf反映了实际产生的模拟输出量Io的状态，因此控制单元110可以将检测到的模拟输出量Io与期望的模拟输出量进行比较，以确定系统的输出是否正常并因此确定是否存在故障。如果确定存在故障，控制单元110可以生成警告信号以提示操作人员及时进行维护。在一个实施例中，故障包括断线和输出偏差。例如，在负载电流为4mA至20mA的情况下，如果检测到的电流低于2mA，则控制单元110可以确定存在断线；如果电流的偏差大于1mA，则控制单元110可以确定存在输出偏差。

图6示出了根据本公开的另一实施例的模拟量输出装置100和负载20的示意性电路图。与图2所示出的模拟量输出系统100的不同之处在于，图6中的模拟量输出系统100还包括检测单元150。检测单元150包括二极管151，其中二极管151的一端耦合到第一输出单元130，并且二极管151的另一端耦合到负载20。此外，检测单元150还包括电流检测设备152。电流检测设备152可以根据检测需求而并联连接到二极管151。

图7A示出了电流检测设备152没有并联连接到二极管151的示意性电路图，并且图7B示出了电流检测设备152并联连接到二极管151的示意性电路图。如图7A所示，在检测单元150不需要对负载20的电流进行检测的情况下，电流检测设备152与二极管151分离，并且负载电流将直接流过二极管151。如图7B所示，在检测单元150对负载20的电流进行检测的情况下，电流检测设备152与二极管151并联连接以将流过二极管151的负载电流旁路至电流检测设备152。由此，作为模拟输出量Io的负载电流将直接流过电流检测设备152，并因此被电流检测设备152检测。

通过设置包括二极管的检测单元150，在用外部的电流检测设备152检测模拟输出量时可以无需对负载20断电，这避免了外部检测仪器的接入对负载工作的影响，从而实现了在线检测功能。

图8根据本公开的又一实施例的模拟量输出系统100和负载20的示意性电路图。与图2所示出的模拟量输出系统100的不同之处在于，图8中的模拟量输出系统100还包括第一旁路电路160，第一旁路电路160耦合到第一输出单元130，并且适于与负载20并联耦合。通过设置旁路电路160，可以对模拟输出量Io是否施加到负载20进行有效控制，从而有助于实现故障维护和检测等多个功能。

图9A示出了根据本公开的实施例的第一旁路电路160处于非激活状态的电路示意图，并且图9B示出了根据本公开的实施例的第一旁路电路160处于激活状态的示意图。如图9A所示，在第一旁路电路160处于非激活状态时，第一输出单元130所施加的模拟输出量Io被施加到负载20。如图9B所示，在第一旁路电路160处于激活状态时，第一输出单元130所施加的模拟输出量Io从负载20旁路至第一旁路电路160。例如，在第一输出单元130出现故障时，可以第一将旁路电路160切换到激活状态以将第一输出单元130所施加的负载电流旁路到第一旁路电路160。由此，可以有助于将负载20切换到冗余的另一输出单元，或者有助于对故障的第一输出单元130进行维护或更换。

图10示出了根据本公开的实施例的第一旁路电路160和负载20的示意性电路图。如图10所示，第一旁路电路160包括第三开关器件161，第三开关器件161与负载20并联耦合。在第一旁路电路160的非激活状态下，第三开关器件161被关断，并且在第一旁路电路160的激活状态下，第三开关器件161被接通。作为示例，第三开关器件161可以是三极管，并且由于被并联连接到负载20，因此在三极管被接通时，负载20被三极管短路，而在三极管被关断时，负载电流可以正常流过负载20。通过这种方式，第一旁路电路160可以简单可靠地被激活以旁路负载20。除了第三开关器件161之外，第一旁路电路160还可以根据需要包括用于与第三开关器件161配合的其他元器件，例如光耦、电阻器R11和R12以及二极管D20等。可以理解的是，第一旁路电路160的上述实现方式是示例性的而非限制性的，并且可以根据需要对其中的元器件进行增加、减少或替换。在一个实施例中，第一旁路电路160或第三开关器件161可以与负载20和二极管151形成的串联支路并联耦合。通过这种方式，当负载20的阻抗或压降较小而导致第一旁路电路160的旁路效果不佳时，可以通过前文提及的二极管151来增加大负载支路的阻抗或压降，从而确保第一旁路电路160能够在旁路操作中可靠地旁路负载20。

在本公开的一些实施例中，第一旁路电路160还耦合到控制单元110。在电压至频率转换单元140从第一输出单元130获取模拟电压信号V_i并转换为反馈信号Sf提供给控制单元110的情况下，控制单元110可以通过对第一旁路电路160进行操作来确定故障发生的大体位置。以下将对控制单元110的这种操作进行描述。

在第一旁路电路160处于非激活状态的情况下，如果控制单元110基于反馈信号Sf确定存在故障，则控制单元110控制第一旁路电路160切换到激活状态。具体地，在第一旁路电路160未被激活时，第一输出单元130将模拟输出量Io施加到负载20，并且如果此时检测到故障（例如断线），控制单元110确定存在故障，但是不能判断出故障是在发生在模拟量输出装置100中还是发生在负载20中。例如，模拟量输出装置100中的断线或负载20中的断线都可能导致控制单元110检测到故障。为了确定故障位置，控制单元110可以激活第一旁路电路160，以将负载20旁路。

在控制第一旁路电路160切换到激活状态之后，控制单元110从电压至频率转换单元140接收更新的反馈信号Sf。如果控制单元110基于更新的反馈信号Sf确定存在故障，则控制单元110可以确定故障位于模拟量输出装置100中，并且生成指示模拟量输出装置100存在故障的警告信号，而如果控制单元110基于更新的反馈信号Sf确定不存在故障，则控制单元110可以确定故障位于负载20中，并且生成指示负载20存在故障的警告信号。具体地，在第一旁路电路160被切换到激活状态之后，第一输出单元130所施加的负载电流或模拟输出量Io将流过第一旁路电路160（例如第三开关器件161）而不再流过负载20。因此，如果控制单元110通过电压至频率转换单元140仍然检测到存在故障，则控制单元110可以确定故障存在于模拟量输出装置100，而如果故障不再被检测到，则控制单元110可以确定先前检测到的故障是由于负载20故障所导致的。因此，通过控制单元110和第一旁路电路160的配合操作，可以更准确地定位故障的位置，从而有利于发生故障后的快速维护和故障排除。

图11示出了根据本公开的又一实施例的模拟量输出装置100的部分电路以及负载20的示意性电路图。如图11所示，除了第一输出单元130和第一旁路电路160之外，模拟量输出装置100还可以包括第二输出单元130’和第二旁路电路160’。第二输出单元130’具有与输出单元130相同或相似的配置。第二输出单元130’耦合到数模转换器120并耦合到负载20，并且基于数模转换器120输出的模拟信号向负载20施加模拟输出量Io。第二旁路电路160’具有与第一旁路电路160相同或相似的配置。第二旁路电路160’耦合到第二输出单元130’，并且与负载20并联耦合，第二旁路电路160’在非激活状态和激活状态之间切换。在非激活状态下，第二输出单元130’所施加的模拟输出量被施加到负载20，并且在激活状态下，第二输出单元130’所施加的模拟输出量从负载20旁路至第二旁路电路160’。通过这种方式，第一输出单元130和第二输出单元130’可以作为彼此的冗余单元，以确保在其中一个输出单元出现故障的情况下可以通过第一旁路电路160和第二旁路电路160’切换到另一输出单元，从而确保了系统输出和控制的可靠性。

在本公开的一些实施例中，第一旁路电路160和第二旁路电路160’均耦合到控制单元110，并且控制单元110控制第一旁路电路160和第二旁路电路160’中的一者切换到非激活状态并且控制另一者切换到激活状态。由此，控制单元110可以根据输出检测的结果来自动进行冗余单元的切换，以将正常的输出单元连接到负载20，并且将故障的输出单元旁路，这提高了系统的可靠性和实时性。此外，在本公开的一些实施例中，控制单元110还可以通过对第一旁路电路160和第二旁路电路160’进行操作来确定第一输出单元130或第二输出单元130’是否存在故障。以下将对控制单元110的这种操作进行描述。

图12示出了根据本公开的实施例的第一旁路电路160处于激活状态并且第二旁路电路160’处于非激活状态的电路示意图。如图11和图12所示，控制单元110可以控制第一旁路电路160切换到激活状态并且控制第二旁路电路160’切换到非激活状态。由此，被激活的第一旁路电路160使得第一输出单元130相对于负载20被旁路。随后，控制单元110从第一输出单元130经由电压至频率转换单元140获取反馈信号Sf。具体地，由于第一输出单元130的模拟输出量或负载电流Io不再流过负载20而是流过第一旁路电路160，因此从第一输出单元130经由电压至频率转换单元140获取的反馈信号Sf将仅反映第一输出单元130内部是否存在故障。

如果控制单元110基于反馈信号Sf确定存在故障，则控制单元110可以确定第一输出单元130存在故障，并且生成指示第一输出单元130存在故障的警告信号。如果控制单元110基于反馈信号Sf未检测到故障，则控制单元110可以确定第一输出单元130不存在故障，并且可以生成指示第一输出单元130正常的信号。类似地，在将第二旁路电路160’切换到激活状态并且控制第一旁路电路160切换到非激活状态之后，控制单元110也可以确定第二输出单元130’是否存在故障。通过控制单元110和旁路电路130和130’的配合操作，可以准确地确定输出单元130和130’是否存在故障，并且排除负载故障对故障判断的干扰，从而提高了系统的可靠性并且有利于故障的快速定位和排除。

图13示出了根据本公开的实施例的模拟量输出装置100的部分电路的示意性电路图。如图13所示，模拟量输出装置100还包括选择开关170，其中电压至频率转换单元140经由选择开关170选择性地耦合到第一输出单元130或第二输出单元130’以从第一输出单元130或第二输出单元130’获取所述模拟电压信号V_i。例如，当需要检测第一输出单元130的输出时，可以经由选择开关170将电压至频率转换单元140耦合到第一输出单元130，以从第一输出单元130接收模拟电压信号，并将模拟电压信号转换为频率信号后提供给控制单元110；当需要检测第二输出单元130’的输出时，可以经由选择开关170将电压至频率转换单元140耦合到第二输出单元130’，以从第二输出单元130’接收模拟电压信号。通过设置选择开关170，可以在输出单元130和130’之间复用电压至频率转换单元140，从而降低系统成本。然而，可以理解的是，也可以针对两个输出单元130和130’分别设置两个电压至频率转换单元140，而不再设置选择开关170，这同样可以实现本公开的实施例。

图14示出了根据本公开的实施例的用于控制模拟量输出装置100的方法1400的示意性流程图。方法1400可以在图8的模拟量输出装置100中实现，并且例如可以由控制单元110执行。可以理解，上面关于图8至图10所描述的各个方面，可以适用于方法1400。为了讨论的目的，将结合图8至图10来描述方法1400。

在框1401，在第一旁路电路160处于非激活状态的情况下，控制单元110基于反馈信号Sf确定是否存在故障。如果确定不存在故障，将返回到框1401，并且如果确定存在故障，则进行到框1402。

在框1402，控制单元110控制第一旁路电路160切换到激活状态。

在框1403，控制单元110从电压至频率转换单元140接收更新的反馈信号。

在框1404，控制单元110基于更新的反馈信号确定是否存在故障。如果确定存在故障，则进行到框1405，并且如果确定不存在故障，则进行到框1406。

在框1405，控制单元110生成指示模拟量输出装置100存在故障的警告信号。

在框1406，控制单元110生成指示负载20存在故障的警告信号。

图15示出了根据本公开的实施例的用于控制模拟量输出装置100的方法1500的示意性流程图。方法1500可以在图11至图13中实现，并且例如可以由控制单元110执行。可以理解，上面关于图11至图13所描述的各个方面，可以适用于方法1500。为了讨论的目的，将结合图11至图13来描述方法1500。

在框1501，控制单元110控制第一旁路电路160切换到激活状态，并且控制第二旁路电路160’切换到非激活状态。

在框1502，控制单元110从第一输出单元130经由电压至频率转换单元140获取反馈信号Sf。

在框1503，控制单元110基于反馈信号Sf确定是否存在故障。如果确定存在故障，则进行到框1504，并且如果确定不存在故障，则进行到框1505。

在框1504，控制单元110生成指示第一输出单元130存在故障的警告信号。

在框1505，控制单元110生成指示第一输出单元130不存在故障的信号。

通过以上描述和相关附图中所给出的教导，这里所给出的本公开的许多修改形式和其它实施方式将被本公开相关领域的技术人员所意识到。因此，所要理解的是，本公开的实施方式并不局限于所公开的具体实施方式，并且修改形式和其它实施方式意在包括在本公开的范围之内。此外，虽然以上描述和相关附图在部件和/或功能的某些示例组合形式的背景下对示例实施方式进行了描述，但是应当意识到的是，可以由备选实施方式提供部件和/或功能的不同组合形式而并不背离本公开的范围。就这点而言，例如，与以上明确描述的有所不同的部件和/或功能的其它组合形式也被预期处于本公开的范围之内。虽然这里采用了具体术语，但是它们仅以一般且描述性的含义所使用而并非意在进行限制。

Claims

1.一种模拟量输出装置（100），包括：

控制单元（110），被配置为生成数字信号；

数模转换器（120），耦合到所述控制单元（110），并且被配置为将所述数字信号转换为模拟信号；

第一输出单元（130），耦合到所述数模转换器（120）并且适于耦合到负载（20），所述第一输出单元（130）被配置为基于所述模拟信号向所述负载（20）施加模拟输出量；以及

电压至频率转换单元（140），耦合到所述控制单元（110），所述电压至频率转换单元（140）被配置为从所述第一输出单元（130）获取指示所述模拟输出量的模拟电压信号，并且将所述模拟电压信号转换为表示频率的反馈信号以输出至所述控制单元（110）。

2.根据权利要求1所述的模拟量输出装置（100），其中所述第一输出单元（130）包括：

第一开关器件（131），包括控制端（1311）、第一端（1312）和第二端（1313），所述第一开关器件（131）适于经由所述第一端（1312）而与所述负载（20）串联耦合；

第一运算放大器（132），包括输出端（1321）、第一输入端（1322）和第二输入端（1323），所述第一输入端（1322）耦合到所述数模转换器（120）以接收所述模拟信号，所述第二输入端（1323）耦合到所述第一开关器件（131）的所述第二端（1313），所述输出端（1321）耦合到所述第一开关器件（131）的所述控制端（1311）；以及

串联的多个电阻器（1331、1332），耦合在所述第一开关器件（131）的所述第二端（1313）与地电位或电源电位之间，其中所述电压至频率转换单元（140）被配置为获取跨所述多个电阻器（1331、1332）中的部分电阻器的电压作为所述模拟电压信号。

3.根据权利要求2所述的模拟量输出装置（100），其中所述多个电阻器（1331、1332）包括第一电阻器（1331）和第二电阻器（1332），并且所述电压至频率转换单元（140）被配置为获取位于所述第一电阻器（1331）与所述第二电阻器（1332）之间的节点的电位信号作为所述模拟电压信号。

4.根据权利要求1所述的模拟量输出装置（100），其中所述电压至频率转换单元（140）包括：

积分电路（141），包括第二运算放大器（1411）和电容器（1412），并且被配置为基于所述模拟电压信号对所述电容器（1412）进行充电和放电；

比较电路（142），包括第三运算放大器（1421）并且耦合到所述积分电路（141），所述比较电路（142）被配置为基于所述电容器（1412）的充电电位与阈值的比较而生成开关控制信号；

第二开关器件（143），耦合到所述积分电路（141）和所述比较电路（142），所述第二开关器件（143）被配置为基于所述开关控制信号指示所述充电电位超过第一阈值而被接通以对所述电容器（1412）放电，并且基于所述开关控制信号指示所述充电电位低于第二阈值而被关断以对所述电容器（1412）充电；以及

输出电路（144），包括光耦器件（1441），并且被配置为基于所述开关控制信号生成所述反馈信号。

5.根据权利要求1所述的模拟量输出装置（100），其中所述控制单元（110）被配置为基于所述反馈信号来生成指示故障的警告信号，所述故障包括断线和输出偏差。

6.根据权利要求1所述的模拟量输出装置（100），还包括：

检测单元（150），包括二极管（151）和电流检测设备（152），其中所述二极管（151）的一端耦合到所述第一输出单元（130），并且所述二极管（151）的另一端适于耦合到所述负载（20），并且其中在所述检测单元（150）对所述负载（20）的电流进行检测的情况下，所述电流检测设备（152）与所述二极管（151）并联连接以将流过所述二极管（151）的负载电流旁路至所述电流检测设备（152）。

7.根据权利要求1所述的模拟量输出装置（100），还包括：

第一旁路电路（160），耦合到所述第一输出单元（130），并且适于与所述负载（20）并联耦合，所述第一旁路电路（160）被配置为在非激活状态和激活状态之间切换，其中在非激活状态下，所述第一输出单元（130）所施加的模拟输出量被施加到所述负载（20），并且在激活状态下，所述第一输出单元（130）所施加的模拟输出量从所述负载（20）旁路至所述第一旁路电路（160）。

8.根据权利要求7所述的模拟量输出装置（100），其中所述第一旁路电路（160）包括：

第三开关器件（161），适于与所述负载（20）并联耦合，所述第三开关器件（161）被配置为在所述非激活状态下被关断并且在所述激活状态下被接通。

9.根据权利要求7所述的模拟量输出装置（100），其中所述第一旁路电路（160）还耦合到所述控制单元（110），并且所述电压至频率转换单元（140）被配置为从所述第一输出单元（130）获取指示所述模拟输出量的模拟电压信号，并且其中所述控制单元（110）被配置为：

在所述第一旁路电路（160）处于非激活状态的情况下，如果基于所述反馈信号确定存在故障，则控制所述第一旁路电路（160）切换到所述激活状态；

在控制所述第一旁路电路（160）切换到所述激活状态之后，从所述电压至频率转换单元（140）接收更新的反馈信号；以及

如果基于所述更新的反馈信号确定存在故障，则生成指示所述模拟量输出装置（100）存在故障的警告信号，或者

如果基于所述更新的反馈信号确定不存在故障，则生成指示所述负载（20）存在故障的警告信号。

10.根据权利要求7所述的模拟量输出装置（100），还包括：

第二输出单元（130’），耦合到所述数模转换器（120）并且适于耦合到所述负载（20），所述第二输出单元（130’）被配置为基于所述模拟信号向所述负载（20）施加模拟输出量；以及

第二旁路电路（160’），耦合到所述第二输出单元（130’），并且适于与所述负载（20）并联耦合，所述第二旁路电路（160’）被配置为在非激活状态和激活状态之间切换，其中在非激活状态下，所述第二输出单元（130’）所施加的模拟输出量被施加到所述负载（20），并且在激活状态下，所述第二输出单元（130’）所施加的模拟输出量从所述负载（20）旁路至所述第二旁路电路（160’），

其中所述第一旁路电路（160）和所述第二旁路电路（160’）均耦合到所述控制单元（110），并且所述控制单元（110）被配置为控制所述第一旁路电路（160）和所述第二旁路电路（160’）中的一者切换到非激活状态并且控制另一者切换到激活状态。

11.根据权利要求10所述的模拟量输出装置（100），其中所述控制单元（110）被配置为：

控制所述第一旁路电路（160）切换到激活状态并且控制所述第二旁路电路（160’）切换到非激活状态；

从所述第一输出单元（130）经由所述电压至频率转换单元（140）获取所述反馈信号；以及

如果基于所述反馈信号确定存在故障，则生成指示所述第一输出单元（130）存在故障的警告信号。

12.根据权利要求11所述的模拟量输出装置（100），还包括选择开关（170），其中所述电压至频率转换单元（140）经由所述选择开关（170）选择性地耦合到所述第一输出单元（130）或所述第二输出单元（130’）以从所述第一输出单元（130）或所述第二输出单元（130’）获取所述模拟电压信号。

13.一种工业控制器（10），包括根据权利要求1至12中任一项所述的模拟量输出装置（100）。