KR101867126B1 - 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로 - Google Patents

계측용 아날로그 프론트 엔드 회로 Download PDF

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KR101867126B1
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카즈히로 시미즈
토모노리 코마치
카즈히데 야스다
사다오 모리
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요코가와 덴키 가부시키가이샤
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Abstract

센서와 제어 장치와의 인터페이스로서 사용되는 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로로서, 센서와의 인터페이스를 담당하는, 적어도 AD 변환 회로를 포함하는 절연부와, 제어 장치와의 인터페이스를 담당하는, 적어도 제어 회로를 포함하는 비절연부와, 절연부와 비절연부 사이에서 반이중 절연 통신을 행하는 절연 통신부를 구비하고, 제어 회로는, 절연 통신부를 통해 측정에 관한 설정을 절연부에 대해 행한 후, AD 변환 회로에 대하여 AD 변환 실행 명령을 송신하고, AD 변환 회로에 의한 AD 변환 결과를, 절연 통신부를 통해 절연부로부터 취득하고, 취득한 AD 변환 결과를 제어 장치로 전송한다.

Description

계측용 아날로그 프론트 엔드 회로{ANALOG FRONT-END CIRCUIT FOR MEASUREMENT}
본 개시는, 예를 들어, 기록계 및 온도 조절계 등의 프론트 엔드에 사용하기에 바람직한 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로에 관한 것이다.
아날로그 프론트 엔드 회로로서, 예를 들어, 맥심사 제조의 센서 신호 프로세서(MAX1464)가 알려져 있다(비특허문헌 1: "Low-Power, Low-Noise Multichannel sensor Signal Processor", MAX146 Data Sheet Rev 0, http://www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/4590). MAX1464는, 저전력, 저노이즈, 멀티 채널의 센서 신호 프로세서이다. 이 MAX1464는, 압력 검출/보상, RTD(Resistance Temperature Detector)/열전대 선형화, 중량 검출/분류 및 한계 표시용의 리모트 프로세스 모니터링 등, 공업용, 자동차용 및 프로세스 제어용의 어플리케이션에 많이 사용되고 있다.
MAX1464는, MUX(Multiplexer)와, PGA(Programmable Gain Amplifier)와, ADC(Analog-Digital Convertor)와, CPU(Central Processing Unit)와, DAC(Digital-Analog Convertor)와, PWM(Pulse Width Modulator)을 구비한다. 이와 같이 구성되는 MAX1464는, 예를 들어, 이하와 같이 동작한다. 즉, MAX1464에 접속된 센서로부터의 출력은, MUX로 선택되고, PGA로 게인 조정된다. 계속해서, 센서 출력은, ADC로 디지털값으로 변환된다. 그리고, 이 디지털값으로 변환된 데이터는, CPU에 의해 연산 처리된다. 결과로서 얻어지는 데이터는, 디지털 신호로서 CPU로부터 시리얼 인터페이스를 통해 시스템측으로 출력된다. 혹은, 디지털 신호는, DAC에 의해 아날로그 신호, 또는, PWM에 의해 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation)(PWM) 신호로 변환된 후에 출력된다.
그런데, 계측용 프론트 엔드, 예를 들어 온도 조절계의 아날로그 프론트 엔드로서 요구되는 상기 센서 신호 프로세서(MAX1464)의 사양 중에는, 과대 입력 보호, AD 변환, 절연 및 연산이 있다. 그러나, 상기 MAX1464는, AD 변환 및 연산 기능을 갖지만, 과대 입력 보호 기능 및 절연 기능을 갖고 있지 않다. 따라서, 과대 입력 보호 기능 및 절연 기능은, 외장형 회로로 실현할 필요가 있다. 특히, 절연 기능에 대해서는, 전원의 절연 및 통신의 절연이 필요하다.
MAX1464에 관하여, 통신의 절연에서는, SCLK(클록), DI(데이터 입력), DO(데이터 출력) 및 CS(칩 셀렉트)의 4개의 신호를 절연할 필요가 있다. 이 때문에, MAX1464와, 그 MAX1464와 신호 전달을 행하는 회로 사이에 포토 커플러와 같은 절연용 소자가 추가된다. 포토 커플러의 추가는, 비용 및 기판에 대한 실장 면적의 관점에서 불리해진다. 예를 들어, (주)도시바 제조의 포토 커플러 TLP283을 4개 사용하는 경우, 7mm×2.6mm×4의 실장 면적을 필요로 한다. 또한, MAX1464로부터 아날로그 출력하는 경우, DAC에도 절연 소자로서 고정밀도의 절연 앰프가 필요하다. 그 결과, 비용 및 실장 면적의 증대로 이어진다.
또한, MAX1464는, 구성 부품(예를 들어, CPU 및 메모리 등) 전부를 구동하기 위한 절연 전원을 별도로 필요로 한다. 그 때문에, 절연 전원에서의 손실에 의해 소비 전력이 증가한다. 따라서, 소형, 저소비 전력 및 저비용을 지향하는 계측용 프론트 엔드의 실현이 곤란하였다.
"Low-Power, Low-Noise Multichannel sensor Signal Processor", MAX146 Data Sheet Rev 0, http://www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/4590
따라서, 본 개시는, 소형, 저소비 전력 및 저비용을 실현하는 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시에 기초하는 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로는, 센서와 제어 장치와의 인터페이스로서 사용되는 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로로서, 센서와의 인터페이스를 담당하는, 적어도 AD 변환 회로를 포함하는 절연부와, 제어 장치와의 인터페이스를 담당하는, 적어도 제어 회로를 포함하는 비절연부와, 절연부와 비절연부 사이에서 반이중 절연 통신을 행하는 절연 통신부를 구비하고, 제어 회로는, 절연 통신부를 통해 측정에 관한 설정을 절연부에 대해 행한 후, AD 변환 회로에 대하여 AD 변환 실행 명령을 송신하고, AD 변환 회로에 의한 AD 변환 결과를, 절연 통신부를 통해 절연부로부터 취득하고, 취득한 AD 변환 결과를 제어 장치로 전송한다.
본 개시에 의하면, 소형, 저소비 전력, 저비용을 실현하는 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로를 제공할 수 있다.
도 1은, 본 개시의 실시형태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는, 본 개시의 실시형태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로의 절연 통신부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 개시의 실시형태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로에 사용되는 절연 통신용 트랜스의 실장 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 개시의 실시형태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로에서 사용되는 절연 통신 프로토콜을 설명하기 위하여 인용한 도면이다.
하기의 상세 설명에서는, 설명을 목적으로, 개시된 실시형태에 대한 완벽한 이해를 위해 다양하고 자세한 내용이 명기되어 있다. 그러나 하나 혹은 그 이상의 실시형태가 이와 같은 구체적인 설명 없이 실시될 수 있다. 다른 예에서는 주지의 구조와 장치들을 도면의 간략화를 위해 개략적으로 제시한다.
본 개시의 제1 양태는, 센서와 제어 장치와의 인터페이스가 되는 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로로서, 센서와의 인터페이스를 담당하는, 적어도 AD 변환 회로를 포함하는 절연부와, 제어 장치와의 인터페이스를 담당하는, 적어도 제어 회로를 포함하는 비절연부와, 절연부와 비절연부 사이에서 반이중 절연 통신을 행하는 절연 통신부를 구비하고, 제어 회로는, 절연 통신부를 통해 측정에 관한 설정을 절연부에 대해 행한 후, AD 변환 회로에 대하여 AD 변환 실행 명령을 송신하고, AD 변환 회로에 의한 AD 변환 결과를, 절연 통신부를 통해 절연부로부터 취득하고, 취득한 AD 변환 결과를 제어 장치로 전송한다.
본 개시에 기초하는 제1 양태에 의하면, 비절연부에 포함되는 제어 회로는, 반이중 절연 통신을 행하는 절연 통신부를 통해 측정에 관한 설정을 AD 변환 회로를 포함하는 절연부에 대하여 행한다. 그 후, 제어 회로는, AD 변환 실행 명령을 AD 변환 회로에 대하여 송신한다. AD 변환 회로에서 AD 변환이 행하여진 후, 제어 회로는, AD 변환 회로에 의한 AD 변환 결과를, 절연 통신부를 통해 절연부로부터 취득한다. 또한, 제어 회로는, 취득한 AD 변환 결과를 제어 장치로 전송한다. 이와 같이, 절연 통신부에 의한 반이중 절연 통신에 의해, 쌍방향의 데이터 통신을 1계통으로 실현할 수 있다. 따라서, 포토 커플러 등의 절연용 소자의 추가가 불필요하다. 그 결과, 비용 및 실장 면적 면에서 유리해진다. 또한, 상기한 바와 같이, 제어 회로가 비절연부에 배치되어 있다. 따라서, 절연부에 포함되는 AD 변환 회로와 비절연부에 포함되는 제어 회로 사이에서의 절연 통신이 가능하다. 따라서, 제어 회로를 절연부에 배치하는 구성과 비교하여, 전송하는 데이터량의 삭감이 가능하게 된다.
본 개시에 기초하는 제2 양태에 의하면, 상기 제1 양태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로에 있어서, 비절연부는, AD 변환 실행 명령과 다음의 AD 변환 실행 명령 사이에 NOP 명령을 연속으로 또한 등간격으로 두고, 이들 명령을, 절연 통신부를 통해 절연부에 대하여 송신하도록 구성되며, 한편, 절연부는, AD 변환 실행 명령과 NOP 명령에 중첩된 클록 성분을 추출함으로써 내부에서 사용하는 클록을 재생하고, 또한, 비절연부에 대하여, 절연 통신부를 통해 AD 변환 결과의 전송 및 스테이터스 응답을 행한다. 본 개시에 의하면, 비절연부로부터 송신되는 AD 변환 실행 명령 및 NOP 명령에 클록 성분을 중첩하고, 절연부에서 클록 재생을 행함으로써, 반이중 통신 1계통만으로 절연부와 비절연부 사이에 필요한 신호와 클록의 전송을 행할 수 있게 된다.
본 개시에 기초하는 제3 양태에 의하면, 상기의 제1 또는 제2 양태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로에 있어서, 절연부는, 1 이상의 센서 출력의 입력 전환을 행하는 입력 전환 회로와, 비절연부에 의해 설정되는 측정에 관한 설정 내용이 저장되는 설정 모니터 레지스터와, 설정 내용에 포함되는 레인지에서 선택된 센서의 출력을 증폭하여 AD 변환 회로에 출력하는 증폭기와, 절연 통신용 트랜스를 통해 비절연부와의 사이에서 반이중 절연 통신을 행하는 통신 회로와, 비절연부 및 절연 전원용 트랜스를 통해 제어 장치로부터 공급되는 전력을 필요한 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 갖는다. 본 양태에 의하면, 절연부에 포함되는 AD 변환 회로와 비절연부에 포함되는 제어 회로 사이를, 반이중 절연 통신을 행하는 절연 통신부로 절연할 수 있다. 또한, 본 양태에 의하면, 절연부에는, AD 변환 회로에 필요한 최소한의 회로만이 배치된다. 따라서, 절연 전원을 통해 급전되는 회로의 소비 전력을 삭감하여, 절연 전원의 손실분을 억제할 수 있다. 그 결과, 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로의 저소비 전력화가 달성된다.
본 개시에 기초하는 제4 양태에 의하면, 상기의 제3 양태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로에 있어서, 절연부는, 센서와 입력 전환 회로 사이에, 센서의 출력에 의한 과대 입력으로부터 내부의 회로를 보호하는 과대 입력 보호 회로를 더 갖는다. 본 양태에 의하면, 과대 입력으로부터 내부의 구성 부품을 보호하는 과대 입력 보호 회로를 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로에 내장시킨다. 따라서, 본 양태에 의하면, 절연 기능 외에 과대 입력 보호 기능도 실현할 수 있다.
본 개시에 기초하는 제5 양태에 의하면, 상기 제3 양태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로에 있어서, 절연 통신용 트랜스는, 절연부 및 비절연부가 실장되는 기판의 배선 패턴으로 형성된다. 본 양태에 의하면, 절연 통신용 트랜스를 기판 상의 배선 패턴으로 실현하고 있다. 그 때문에, 절연 통신에 종래 필요했던 포토 커플러 등의 부품을 불필요로 하는 점에서, 비용 및 실장 면적의 삭감으로 이어진다.
본 개시에 기초하는 제6 양태에 의하면, 상기 제1 양태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로에 있어서, 비절연부는, 주변 회로와 트랜스 드라이버를 갖고, 주변 회로는, 내부 버스에 접속되고, 또한 제어 회로, 및 절연 통신부를 통해 반이중의 절연 통신을 행하는 통신 회로를 포함하고, 트랜스 드라이버는, 제어 장치로부터 공급되는 전력을 절연부에 공급하는 절연 전원용 트랜스를 구동한다. 본 개시에 의하면, 절연부에 포함되는 AD 변환 회로와 비절연부에 포함되는 제어 회로 사이를 반이중 절연 통신을 행하는 절연 통신부로 절연할 수 있다. 또한, 절연 전원을 통해 급전하는 회로의 소비 전력을 삭감하여, 절연 전원의 손실분을 억제할 수 있다. 따라서, 본 양태에 의하면, 저소비 전력화가 도모된다.
본 개시에 기초하는 제7 양태에 의하면, 상기 제3 양태 내지 제6 양태 중 어느 하나의 양태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로에 있어서, 절연 전원용 트랜스는 압전 트랜스이다. 본 양태에 의하면, 절연 전원용 트랜스로 압전 트랜스를 사용함으로써, 절연 전원을 실현할 수 있다. 그 때문에, 소형화, 고효율, 저전자 노이즈의 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로를 제공할 수 있다.
본 개시에 기초하는 제8 양태에 의하면, 상기 제1 양태 내지 제7 양태 중 어느 하나의 양태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로에 있어서, 절연부, 비절연부 및 절연 통신부 각각은, 동일 기판 상에 실장된다. 본 양태에 의하면, 계측에 필요한 기능을 1패키지로 실현할 수 있다. 그 때문에, 제품의 개발 공수를 삭감할 수 있다. 따라서, 소형화 및 저비용화에 기여할 수 있다.
본 개시에 기초하는 제9 양태에 의하면, 상기 제3 양태 내지 제7 양태 중 어느 하나의 양태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로에 있어서, 절연부, 비절연부, 절연 통신부 및 절연 전원용 트랜스 각각은, 동일 기판 상에 실장된다. 본 개시에 의하면, 계측에 필요한 기능을 1패키지로 실현할 수 있다. 그 때문에, 제품의 개발 공수를 삭감할 수 있다. 따라서, 소형화 및 저비용화에 기여할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 개시의 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다.
(실시형태의 구성)
도 1은, 본 개시의 일 실시형태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1에 의하면, 본 실시형태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)는, 센서(10)와 시스템의 메인 컨트롤러(20)(제어 장치)와의 인터페이스로서의 역할을 담당한다. 이 프론트 엔드 회로(30)는, 절연부(31), 비절연부(32) 및 절연 통신부(33)를 갖는다. 절연부(31)는, 센서(10)와의 인터페이스를 담당한다. 한편, 비절연부(32)는, 메인 컨트롤러(20)와의 인터페이스를 담당한다. 절연 통신부(33)는, 절연부(31)와 비절연부(32)를 접속하고, 반이중의 절연 통신을 행한다. 이들 절연부(31), 비절연부(32) 및 절연 통신부(33)는, 후술하는 절연 전원용 트랜스와 함께 동일한 기판(도시하지 않음)에 실장되어 있다.
비절연부(32)는, AD 변환 실행 명령을, 절연 통신부(33)를 통해 절연부(31)로 송신한다. 이 때, AD 변환 실행 명령과 다음의 AD 변환 실행 명령 사이에 NOP(No Operation) 명령을 연속으로 또한 등간격으로 두고 송신한다. 이들 명령을 수신한 절연부(31)는, AD 변환 실행 명령과 NOP 명령에 중첩된 클록 성분을 추출함으로써 내부에서 사용하는 클록을 재생한다. 계속해서, 절연부(31)는, AD 변환 회로(313)에서의 AD 변환(후술)에 의해 얻어진 변환 결과의 전송 및 스테이터스 응답을, 절연 통신부(33)를 통해 비절연부(32)에 대하여 행한다.
절연부(31)는, 입력 전환 회로(MUX)(311)와, 증폭기(312)와, AD 변환 회로(313)와, 설정 모니터 레지스터(314)와, 통신 회로(315)와, 클록 재생 회로(316)와, DC-DC 컨버터(317)를 갖는다.
입력 전환 회로(311)에는, 과대 입력 보호 회로(35)를 통해 센서(10)로부터 센서 출력 신호를 수신한다. 입력 전환 회로(311)는, 입력되는 1 이상의 센서 출력의 입력 전환을 행하고, 입력 전환(선택)된 센서 출력을 증폭기(312)에 출력한다. 다음으로, 증폭기(312)는, 설정 모니터 레지스터(314)에 미리 설정된 레인지에서 센서 출력을 증폭한다. 증폭된 센서 출력은, 증폭기(312)로부터 AD 변환 회로(313)로 출력된다. AD 변환 회로(313)는, 센서 출력의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 또한, 본 실시형태에서는, AD 변환 회로(313)로서, ΔΣ 변조라는 방식으로 아날로그 ㆍ 디지털 변환을 행하는 ΔΣ형 AD 변환 회로를 사용한다. 이 ΔΣ형 AD 변환 회로는, 축차 변환이나 플래시 변환형에 비하여 라인 노이즈의 영향이 적고, 또한 높은 정밀도로 측정할 수 있다. 여기서, 본 개시에서는, AD 변환 회로(313)는 이에 한정되는 것은 아니며, 병렬 비교형, 축차 비교형, 추종 비교형 등, 다른 형의 AD 변환 회로를 사용할 수도 있다. 또한, 설정 모니터 레지스터(314)에는, 비절연부(32)(후술하는 제어 회로)에 의해 설정되는, 상기한 레인지를 포함하는 측정에 관한 설정 내용이 저장된다.
통신 회로(315)는, 비절연부(32)와의 사이에서 절연 통신용 트랜스(330)를 통해 반이중의 절연 통신을 행하는 통신 인터페이스이다. 클록 재생 회로(316)는, 비절연부(32)로부터 송신되고, 또한 통신 회로(315)에 의해 수신되는 AD 변환 실행 명령 및 NOP 명령에 중첩된 클록 성분을 추출하여, 내부에서 사용하는 클록을 재생한다. DC-DC 컨버터(317)는, 메인 컨트롤러(20)로부터 비절연부(32) 및 절연 전원용 트랜스(34)를 통해 공급되는 전력을, 필요한 전압으로 변환하여 내부의 구성 부품을 구동한다.
또한, 절연부(31)는, 과대 입력 보호 회로(35)를 통해 센서(10)에 접속되어도 된다. 과대 입력 보호 회로(35)는, 센서(10)의 출력에 의한 과대 입력으로부터 내부의 회로를 보호하는 보호 스위치(SW)(351)와, 고전압 입력시에 고전압을 소정의 전압까지 감쇠시키는 감쇠기(ATT)(352)와, 감쇠기(ATT)(352)의 ON-OFF를 행하는 스위치(353)를 포함한다.
비절연부(32)는, 측정에 관한 설정을, 절연 통신부(33)를 통해 절연부(31)에 대하여 행한다. 그 후, AD 변환 회로(313)에 AD 변환 명령을 송신한다. 또한, 비절연부(32)는, AD 변환 회로(313)에 의한 변환 결과를, 절연 통신부(33)를 통해 절연부(31)로부터 취득한다. 계속해서, 비절연부(32)는, 취득한 변환 결과를 메인 컨트롤러(20)로 전송한다. 이 때문에, 비절연부(32)는, 내부 버스(326)를 통해 접속되는 다른 구성 부품(제어 회로(CPU(321)), 메모리(322), 통신부(323), 통신 회로(324) 및 기타 주변 회로(325))을 포함한다. 또한, 내부 버스(326)는, 어드레스, 데이터 및 컨트롤을 위한 복수 개의 라인으로 구성되고, 또한 그들의 구성 부품을 공통 접속하고 있다.
제어 회로(321)는, 메모리(322)에 기록된 프로그램에 기초하여, 상기한 명령의 생성과, 절연부(31)의 AD 변환 회로(313)에 대한 상기 명령의 공급을 행한다. 제어 회로(321)는, 발진기(327)에 의해 생성되는 클록을 상기한 명령에 중첩한다. 계속해서, 제어 회로(321)는, 클록이 중첩된 명령을, 통신 회로(324) 및 절연 통신용 트랜스(330)를 통해 절연부(31)(통신 회로(315))로 송신한다. 또한, 절연부(31)의 통신 회로(315) 및 비절연부(32)의 통신 회로(324)는, 절연 통신용 트랜스(330)를 통해 절연부(31)와 비절연부(32) 사이의 반이중의 절연 통신을 행하기 위한 통신 인터페이스이다.
비절연부(32)는, 추가로 발진기(OSC)(327) 및 트랜스 드라이버(328)를 포함한다. 발진기(327)는, 기본 클록을 생성한다. 한편, 트랜스 드라이버(328)는, 메인 컨트롤러(20)로부터 공급되는 전력을 절연부(31)에 공급하는 후술하는 절연 전원용 트랜스(34)를 구동하기 위하여 사용된다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 절연 통신부(33)는, 절연부(31)의 통신 회로(315)와, 절연 통신용 트랜스(330)와, 비절연부(32)의 통신 회로(324)로 구성된다. 즉, 절연 통신부(33)는, 절연부(31)와 비절연부(32) 사이에서 반이중의 절연 통신을 행하도록 구성되어 있다.
통신 회로(315 및 324)는, 모두 트랜스미터(Tr) 및 리시버(Rv)를 구비하고, 2값의 ASK(Amplitude Shift Keying) 변조를 채용하여 반이중 통신을 행한다. 즉, 비절연부(32)로부터 절연부(31)로의 설정 기록 명령 및 측정 개시 명령(AD 변환 실행 명령)의 송신과, 절연부(31)로부터 비절연부(32)로의 AD 변환 결과의 송신, 스테이터스의 송신, 설정 판독의 데이터 전송을 1계통의 통신로로 실현한다. 절연 통신용 트랜스(330)는, 기판 상의 배선을 사용하여 형성된다. 예를 들어, 도 3에 나타내는 바와 같이, 절연 통신용 트랜스(330)는, 절연부(31)와 비절연부(32)가 실장되는 기판(계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30))에 프린트된 배선 패턴을 절첩함으로써 실현된다.
(실시형태의 동작)
이하, 본 실시형태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)의 동작에 대하여 상세하게 설명한다.
센서(10)에 의한 측정 결과로서, 그 센서(10)로부터 생성되는 센서 출력 신호는, 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)의 입력 전환 회로(311)(절연부(31))에 입력된다. 입력 전환 회로(311)에서는, 입력된 센서 출력 신호를 순차적으로 전환한다. 여기서, 선택된 센서 출력 신호는, 증폭기(312)에 입력된다. 또한, 센서 출력 신호는, 필요에 따라 과대 입력 보호 회로(35)를 통해 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)의 절연부(31)에 입력된다. 증폭기(312)는, 설정 모니터 레지스터(314)에 설정된 레인지에 맞도록, 입력된 센서 출력 신호의 게인을 조정한다. 게인 조정된 신호는, 증폭기(312)로부터 AD 변환 회로(313)로 출력된다. 입력된 신호는, AD 변환 회로(313)에 의해 AD 변환된다. AD 변환의 결과(AD 변환 데이터)는, 절연 통신부(33)(통신 회로(315), 절연 통신용 트랜스(330) 및 통신 회로(324))를 통해 절연부(31)로부터 비절연부(32)로 송신된다. 비절연부(32)에 입력된 데이터는, 비절연부(32)의 제어 회로(321)에 의한 제어하에서 메모리(322)에 저장된다.
제어 회로(321)는, 상기 AD 변환의 결과(AD 변환 데이터)에 대하여, 온도 측정용 리니어 라이즈, 교정 등의 연산을 행한다. 연산 결과는, 물리량으로서, 통신부(323)를 통해 제어 회로(321)로부터 메인 컨트롤러(20)로 전송된다. 또한, 센서 종류, 레인지, 측정 주기 등의 측정에 관한 설정은 명령으로서, 통신부(323)를 통해 메인 컨트롤러(20)로부터 명령 제어 회로(321)로 입력된다. 제어 회로(321)는, 이 측정에 관한 설정값에 기초하여 절연부(31)의 설정을 결정한다. 즉, 제어 회로(321)는, 상기 설정(명령)을, 절연 통신부(33)를 통해 절연부(31)로 송신한다. 절연부(31)로 보내진 명령은, 설정 모니터 레지스터(314)에 저장된다. 절연부(31)에 필요한 설정은, 예를 들어, 감쇠기(352)의 ON/OFF, 스위치(353)의 ON/OFF, 입력 전환 회로(311)에 의한 센서 선택, 증폭기(312)의 게인 설정, AD 변환 회로(313)의 측정 시간 등이다.
측정 개시의 트리거는, 메인 컨트롤러(20)로부터 트리거 명령으로서 통신부(323)를 통해 제어 회로(321)로 입력된다. 트리거 명령이 입력되면, 제어 회로(321)는, 절연 통신부(33)를 통해, AD 변환 실행 명령을 절연부(31)로 송신한다. 절연부(31)(AD 변환 회로(313))는, 이 AD 변환 실행 명령을 수신하여 AD 변환을 실행한다. AD 변환이 종료되면, 절연부(31)는, 절연 통신부(33)를 통해 그 변환 결과를 비절연부(32)로 송신한다. 비절연부(32)는, 절연부(31)의 회로 이상 등의 에러 스테이터스나 설정값의 판독 등도 절연 통신부(33)를 통해 행할 수 있다.
본 실시형태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)(비절연부(32))로의 전력 공급은, 시스템측의 메인 컨트롤러(20)로부터 행하여진다. 절연부(31)로의 전력 공급은, 절연 전원용 트랜스(34)에 의해 행하여진다. 즉, 비절연부(32)는, 트랜스 드라이버(328)를 통해 절연 전원용 트랜스(34)를 구동한다. 여기서, 절연 전원용 트랜스(34)에 접속된 DC-DC 컨버터(317)는, 절연 전원용 트랜스(34)의 출력 전압을 절연부(31)에서 필요한 전압으로 변환한다.
도 4는, 본 실시형태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)에서 사용되는 절연 통신 프로토콜의 일례를 나타낸다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 비절연부(32)는, 절연부(31)로 AD 변환 실행 명령과 함께 필요한 설정 정보를 송신한다. 한편, 절연부(31)는, 비절연부(32)로는 AD 변환 결과와 스테이터스를 송신한다. 도 4에서는, 편의상 전송 파형을 2개로 분할하여 나타내고 있지만, 실제로는 동일한 선로 상을 쌍방향에서 전송한다.
상세하게는, 비절연부(32)의 제어 회로(321)는, 생성되는 AD 변환 실행 명령과 다음의 AD 변환 실행 명령 사이에 NOP 명령을 정간격으로 삽입한다. 계속해서, 제어 회로(321)는, 이들 명령을 절연부(31)에 대하여 절연 통신부(33) 경유로 계속적으로 송신한다. 절연부(31)에서는, 수신한 AD 변환 실행 명령에 기초하여, 클록 재생 회로(316)가 중첩된 클록 성분을 추출한다. 이에 의해, 절연부(31)에서 사용하는 클록이 생성된다. 여기서 기본이 되는 클록은, 비절연부(32)가 내장하는 발진기(327)에 의해 생성된다.
제어 회로(321)는, AD 변환 실행 명령 및 NOP 명령에 대해, 같은 내용을 절연부(31)에 대하여 2번 전송한다. 마찬가지로, 절연부(31)는, AD 변환 결과에 대해, 같은 내용을 비절연부(32)에 대하여 2번 전송한다. 그 때에 CRC(Cyclic Redundancy Check)에 의해 에러의 유무를 검출한다. 이에 따라, 노이즈에 의한 통신 에러를 회피할 수 있다.
(실시형태의 효과)
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)는, 절연부(31)(AD 변환 회로(313))와 비절연부(32)(제어 회로(321)) 사이가 절연되어 있다. 그 결과, 절연 통신에서 전송하는 데이터량을 삭감할 수 있다. 이 때, 절연 통신은, 반이중 통신 쌍방향의 데이터 송신이 1계통으로 실현된다. 또한, 클록의 전송은, 데이터 통신에 클록의 성분을 중첩하여 송신된다. 또한, 절연부(31)(클록 재생 회로(316))는, 클록의 리커버리를 행할 수 있다. 이 때문에, 반이중에 의한 절연 통신에 의해, 절연부(31)와 비절연부(32) 사이에서 필요한 신호의 전송을 행할 수 있게 된다. 여기서 필요한 신호에는, 설정, 측정에 의해 얻어지는 AD 변환 결과, 스테이터스 등의 데이터에 더하여, 클록 및 리셋의 데이터도 포함된다.
또한, 절연 통신용 트랜스(330)는, 본 실시형태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)에 실장되는 기판 상의 배선 패턴으로 실현되어 있다. 그 때문에, 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)는, 절연 통신에 종래 필요했던 포토 커플러 등의 부품이 불필요하다. 그 때문에, 본 실시형태에 의하면, 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)의 저비용화가 가능하고, 또한 기판 실장 면적의 삭감이 가능하다. 또한, AD 변환 회로(313)와 제어 회로(321) 사이를 절연함으로써, 절연 전원을 통해 급전하는 회로의 소비 전력이 삭감된다. 즉, 절연 전원의 손실분을 억제할 수 있어, 저소비 전력화가 가능하게 된다. 또한, 절연 전원용 트랜스(34)로 압전 트랜스를 사용하여 절연 전원을 실현함으로써, 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)의 소형화, 고효율 및 저전자 노이즈화가 가능하게 된다.
또한 본 실시형태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)에서는, 계측에 필요한 측정, 절연, 연산 등의 기능이 1패키지화되어 있다. 그 때문에, 제품 개발 공수를 크게 삭감할 수 있다. 또한, 제어 회로(321)를 CPU로 구성함으로써, 프로그램에 의해 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)의 동작이 변경 가능하다. 따라서, 본 실시형태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)를 광범위한 제품에 적용할 수 있어, 제품의 개발 공수 삭감, 수량 효과에 의한 비용 절감을 실현할 수 있다. 또한, 본 실시형태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)는, 종래의 것에 비하여 소형화 및 저소비 전력이 한층 더 가능하다. 그 때문에, 다점 측정 장치에 있어서도, 본 실시형태에 관련된 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로(30)를 복수 병렬로 배열할 수 있어, 종래의 스캐너 타입에 비하여 측정의 고속화 등, 성능 향상이 도모된다.
상기의 상세설명은 사례를 설명하고 상세묘사를 위해서 제시되었다. 상기 제시된 내용에 입각하여 다양한 변형과 변화가 가능하다. 여기에서 설명한 대상은 포괄적으로 설명하거나 혹은 개시된 명확한 형태로 제한하려고 의도하지는 않았다. 대상은 구조적 특징 및/또는 방법론적 행위에 있어서 구체적인 언어로 설명되었지만, 첨부된 청구항에서 정의된 대상은 상기 설명된 구체적인 구조 또는 행위에 반드시 제한되는 것은 아니다. 그보다는, 상기 설명된 구체적 구조와 행위는 첨부된 청구항을 실행하기 위한 예시형태로 개시되었다.

Claims (10)

  1. 센서와 제어 장치와의 인터페이스로서 사용되는 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로로서,
    상기 센서와의 인터페이스를 담당하는, 적어도 AD 변환 회로를 포함하는 절연부와,
    상기 제어 장치와의 인터페이스를 담당하는, 적어도 제어 회로를 포함하는 비절연부와,
    상기 절연부와 상기 비절연부 사이에 형성되는 절연 통신용 트랜스를 통해 반이중 절연 통신을 행하는 절연 통신부를 구비하고,
    상기 절연 통신용 트랜스는,
    상기 절연부 및 상기 비절연부가 실장되는 기판의 배선 패턴으로 형성되고,
    상기 제어 회로는,
    상기 절연 통신부를 통해 측정에 관한 설정을 절연부에 대해 행한 후, 상기 AD 변환 회로에 대하여 AD 변환 실행 명령을 송신하고, 상기 AD 변환 회로에 의한 AD 변환 결과를, 상기 절연 통신부를 통해 상기 절연부로부터 취득하고, 취득한 AD 변환 결과를 상기 제어 장치로 전송하는, 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비절연부는,
    상기 AD 변환 실행 명령과 다음의 AD 변환 실행 명령 사이에 NOP 명령을 연속으로 또한 등간격으로 두고, 이들 명령을, 상기 절연 통신부를 통해 상기 절연부에 대하여 송신하고,
    상기 절연부는,
    상기 AD 변환 실행 명령 및 NOP 명령에 중첩된 클록 성분을 추출함으로써 내부에서 사용하는 클록을 재생하고, 또한, 상기 비절연부에 대하여, 상기 절연 통신부를 통해 상기 AD 변환 결과의 전송 및 스테이터스 응답을 행하는, 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연부는,
    1 이상의 센서 출력의 입력 전환을 행하는 입력 전환 회로와, 비절연부에 의해 설정되는 상기 측정에 관한 설정 내용이 저장되는 설정 모니터 레지스터와,
    상기 설정 내용에 포함되는 레인지에서 선택된 상기 센서의 출력을 증폭하여 상기 AD 변환 회로에 출력하는 증폭기와,
    상기 절연 통신용 트랜스를 통해 상기 비절연부와의 사이에서 상기 반이중의 절연 통신을 행하는 통신 회로와,
    상기 비절연부 및 절연 전원용 트랜스를 통해 상기 제어 장치로부터 공급되는 전력을 필요한 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터를 갖는, 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연부는,
    상기 센서와 상기 입력 전환 회로 사이에, 상기 센서의 출력에 의한 과대 입력으로부터 내부의 회로를 보호하는 과대 입력 보호 회로를 더 갖는, 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 절연 전원용 트랜스는 압전 트랜스인, 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연부, 상기 비절연부 및 상기 절연 통신부 각각은, 동일 기판 상에 실장되는, 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로.
  9. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 절연부, 상기 비절연부, 상기 절연 통신부 및 상기 절연 전원용 트랜스 각각은, 동일 기판 상에 실장되는, 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비절연부는, 상기 AD 변환 실행 명령을, 상기 절연 통신부를 통해 상기 절연부에 송신할 때, 상기 AD 변환 실행 명령과 다음의 AD 변환 실행 명령 사이에 NOP 명령을 연속으로 또한 등간격으로 두고 송신하는, 계측용 아날로그 프론트 엔드 회로.
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