TWI521876B - 多功能信號輸出裝置 - Google Patents

Description

多功能信號輸出裝置

本揭示內容是有關於一種信號輸出裝置，且特別是有關於一種具有多種信號輸出之多功能信號輸出裝置。

在科學技術高度發展的今天，工業控制也隨之日新月異。工業控制的方法包含通訊控制以及物理量控制，其中通訊控制可採用無線方式進行工業產品之控制，並可節省實際配線之成本。然而，物理量控制仍為工業控制中的一種不可取代且有效的控制方式，包含透過壓力信號、流量信號以及溫度信號等類比信號之傳遞，以提供實際之物理量信號給控制器進行信號處理並產生相對應之控制命令。因此，現今的工業控制產品必然具有相對應的類比以及數位端點作為控制信號之輸入或輸出端點，以接收或輸出相對應之類比與數位信號。

然而，目前能提供工業控制產品所需之類比或數位信號之信號源裝置大多僅包含一種信號輸出型式，例如，僅能輸出0V~10V之類比電壓，而無法同時提供工業控制產品之-10V~+10V與4mA~20mA等不同信號需求。因此，習知的信號源裝置無法滿足工業控制產品之所有信號需求，使得在對工業控制產品(例如：控制器以及驅動器)進行測試或控制時，需要另外購置相對應之信號源裝置，以產生所需之多重類比與數位信號。

因此，迄今習知技術仍具有上述缺陷與不足之處需要 解決。

本揭示內容之一態樣係關於一種多功能信號輸出裝置，包含第一調節單元、信號放大單元、輸出單元以及檢測單元。第一調節單元用以產生第一電壓信號。信號放大單元電性耦接第一調節單元，用以接收第一電壓信號，並將第一電壓信號放大為第二電壓信號。輸出單元包含第一輸入端、第二輸入端以及輸出端，其中輸出單元之第一輸入端電性耦接信號放大單元，用以接收信號放大單元所輸出之第二電壓信號。輸出單元對第二電壓信號進行信號放大與信號轉換，以產生相對應第二電壓信號位準之電流信號，並透過輸出端輸出電流信號。檢測單元並聯耦接於輸出單元之第二輸入端以及輸出單元之輸出端之間，用以檢測輸出單元所輸出之電流信號，並產生回授信號給輸出單元之第二輸入端。

依據本揭示內容之一實施例，其中第一調節單元包含第一可變電阻。第一調節單元係透過第一可變電阻之調整而對所接收之調節電壓進行分壓，以產生第一電壓信號。

依據本揭示內容之一實施例，其中信號放大單元包含第一運算放大器以及複數個電阻，且第一運算放大器以及電阻係配置為負回授放大電路，以對第一電壓信號進行反相放大。

依據本揭示內容之一實施例，上述輸出單元更包含第二運算放大器、複數個電阻以及電晶體。第二運算放大器 以及電阻係配置為負回授放大電路，以對第二電壓信號進行反相放大。電晶體電性耦接第二運算放大器之輸出端，並受第二電壓信號之反相放大信號的驅動而產生相對應之電流信號。

依據本揭示內容之一實施例，其中檢測單元包含配置為隨耦器型式之第三運算放大器。第三運算放大器用以對電流信號進行檢測，並產生相對應之回授信號，使輸出單元依據第二電壓信號以及回授信號對電流信號進行回授控制。

依據本揭示內容之一實施例，上述信號輸出裝置更包含電源供應單元。電源供應單元包含電源轉換電路以及複數個電阻，且電源供應單元電性耦接信號放大單元、輸出單元以及檢測單元，並透過電源轉換電路以及電阻之配置而對第一電源信號進行位準轉換與分壓，以產生複數個操作電壓信號。

依據本揭示內容之一實施例，其中操作電壓信號包含第一操作電壓信號、第二操作電壓信號、第三操作電壓信號、第四操作電壓信號以及參考電壓信號。第一操作電壓信號與第二操作電壓信號係用以提供操作上所需之電壓給信號放大單元、輸出單元以及檢測單元之運算放大器。

依據本揭示內容之一實施例，上述信號輸出裝置更包含第二調節單元。第二調節單元包含第二可變電阻、第三可變電阻、串聯電阻以及穩壓二極體。第二調節單元電性耦接電源供應單元以及第一調節單元，用以接收第二電源信號、第三操作電壓信號、第四操作電壓信號以及參考電 壓信號，並透過穩壓二極體以及第二可變電阻與第三可變電阻之調整對所接收之上述電壓信號進行調節與分壓，以產生調節電壓、第一類比電壓以及第二類比電壓。

依據本揭示內容之一實施例，上述信號輸出裝置更包含數位控制單元。數位控制單元包含複數個切換開關以及複數個繼電器，且數位控制單元電性耦接電源供應單元以及第二調節單元，並透過切換開關以及繼電器之配置選擇數位控制之方式。

依據本揭示內容之一實施例，其中切換開關中之第一切換開關係用以控制繼電器之動作，以選擇由數位控制單元或外部控制裝置控制數位輸出信號。

因此，依據本揭示內容所述之技術內容，上述多功能信號輸出裝置可具有多種類比電壓輸出、可調整的類比電流輸出以及可控制的數位信號輸出，使其能夠有效解決習知技術上的問題。

由此可知，本揭示內容之多功能信號輸出裝置可提供各種類比與數位信號，以符合工業控制產品之需求，使得本發明無論在工業控制的現場前期調試或在實驗室中進行測試時，都可帶來極大的便利性。

以下將以圖式及詳細敘述清楚說明本揭示內容之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本揭示內容之較佳實施例後，當可由本揭示內容所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本揭示內容之精神與範圍。

第1圖係繪示依照本揭示內容之第一實施方式的一種多功能信號輸出裝置100的電路方塊示意圖。多功能信號輸出裝置100包含第一調節單元110、信號放大單元120、輸出單元130以及檢測單元140。第一調節單元110用以產生第一電壓信號V1。信號放大單元120電性耦接第一調節單元120，用以接收第一電壓信號V1，並將第一電壓信號V1放大為第二電壓信號V2。輸出單元130包含第一輸入端131、第二輸入端132以及輸出端133，其中輸出單元130之第一輸入端131電性耦接信號放大單元120，用以接收信號放大單元120所輸出之第二電壓信號V2。隨後，輸出單元120對第二電壓信號V2進行信號放大與信號轉換，以產生相對應第二電壓信號V2位準之電流信號Io(例如：4mA~20mA)，並透過輸出端133輸出電流信號Io。檢測單元140並聯耦接於輸出單元130之第二輸入端132以及輸出單元130之輸出端133之間，用以檢測輸出單元130所輸出之電流信號Io，並產生回授信號FB給輸出單元130之第二輸入端132。

第2圖係繪示如第1圖所示之多功能信號輸出裝置100的電路結構示意圖。在本揭示內容之一實施例中，第一調節單元110可包含第一可變電阻112。因此，第一調節單元110可透過第一可變電阻112之調整而對所接收之調節電壓VD進行分壓，以產生第一電壓信號V1。

在本揭示內容之一實施例中，信號放大單元120可包含第一運算放大器121以及電阻122~電阻124，且第一運算放大器121、電阻122以及電阻123係配置為負回授放 大電路之型式，以對第一電壓信號V1進行反相放大。

在本揭示內容之一實施例中，輸出單元130可包含第二運算放大器134、電阻136~電阻139、輸出電阻Rout以及電晶體135。第二運算放大器134、電阻136以及電阻137係配置為負回授放大電路，以對第二電壓信號V2進行反相放大。電晶體135電性耦接第二運算放大器134之輸出端，並受第二電壓信號V2之反相放大信號的驅動而產生相對應之電流信號Io。

在本揭示內容之一實施例中，檢測單元140可包含配置為隨耦器型式之第三運算放大器141。第三運算放大器141用以對電流信號Io進行檢測，亦即，第三運算放大器141可檢測電流信號Io連接負載(未繪示)時所產生之負載電壓，並依據負載電壓產生相對應之回授信號FB。因此，輸出單元130可依據第二電壓信號V2以及回授信號FB之雙端輸入信號對電流信號Io進行回授控制。需說明的是，電晶體135所輸出之部份電流信號亦透過電阻137回授至第二運算放大器134之反向輸入端，以提供輸出單元130對電流信號Io進行精準的控制。

第3圖係繪示依照本揭示內容之第二實施方式的一種多功能信號輸出裝置300的電路方塊示意圖。多功能信號輸出裝置300係與第1圖所示之多功能信號輸出裝置100相同，並具有第一調節單元310、信號放大單元320、輸出單元330以及檢測單元340，其電路配置方式與操作原理係與第一實施方式相同或相似，於此不再贅述。

在本揭示內容之一實施例中，多功能信號輸出裝置300 更包含電源供應單元350、第二調節單元360以及數位控制單元370，用以提供多種類比電壓與數位信號輸出。

第4圖係繪示如第3圖所示之多功能信號輸出裝置300中電源供應單元350的電路結構示意圖。電源供應單元350可包含電源轉換電路351以及電阻352~電阻354。電源供應單元351電性耦接信號放大單元320、輸出單元330以及檢測單元340，並透過電源轉換電路351以及電阻352~電阻354之配置而對第一電源信號Vs1(例如：+24V)進行位準轉換與分壓，以產生複數個操作電壓信號。操作電壓信號可包含第一操作電壓信號Vdd1(例如：+12V)、第二操作電壓信號Vdd2(例如：-12V)、第三操作電壓信號Vdd3(例如：+10V)、第四操作電壓信號Vdd4(例如：-10V)以及參考電壓信號VR(例如：0V)，其中，第一操作電壓信號Vdd1與第二操作電壓信號Vdd2可提供操作上所需之電壓給信號放大單元320、輸出單元330以及檢測單元340之運算放大器。

第5圖係繪示如第3圖所示之多功能信號輸出裝置300中第二調節單元360的電路結構示意圖。第二調節單元360可包含第二可變電阻361、第三可變電阻362、串聯電阻363以及穩壓二極體364。第二調節單元360電性耦接電源供應單元350以及第一調節單元310，用以接收第二電源信號Vs2(例如：+10V)、第三操作電壓信號Vdd3、第四操作電壓信號Vdd4以及參考電壓信號VR，並透過穩壓二極體364以及第二可變電阻361與第三可變電阻362之調整對所接收之上述電壓信號進行調節與分壓，以產生調節 電壓VD(例如：+5V)、第一類比電壓Va1(例如：0V~+10V)以及第二類比電壓Va2(例如：-10V~+10V)。

第6圖係繪示如第3圖所示之多功能信號輸出裝置300中數位控制單元370的電路結構示意圖。數位控制單元370可包含第一切換開關3701~第十二切換開關3712以及繼電器3721~繼電器3730。數位控制單元370電性耦接電源供應單元350以及第二調節單元360，並透過上述切換開關以及繼電器之配置選擇數位控制之方式。

在本揭示內容之一實施例中，上述第一切換開關3701係用以控制繼電器3721~繼電器3730之動作，以選擇由數位控制單元370或外部控制裝置(例如：可程式控制器)控制數位輸出信號。

舉例來說，當第一切換開關3701關閉時，繼電器3721~繼電器3730由於沒有通電而不動作。此時，單刀雙擲之第二切換開關3702~第十二切換開關3712的一端連接DCM(數位信號共用端)，第二切換開關3702~第十二切換開關3712之另一端則分別連接FWD、REV、JOG、...、TRG等數位信號輸出端。隨後，透過第二切換開關3702~第十二切換開關3712之切換動作，即可控制DCM是否和FWD、REV、JOG、...、TRG等數位信號輸出端接通。亦即，當第一切換開關3701關閉時，數位輸出信號係由數位控制單元370之第二切換開關3702~第十二切換開關3712所控制。

當第一切換開關3701開啟時，繼電器3721~繼電器3730因通電而動作。因此，繼電器3721~繼電器3730連 接通常閉觸點，使得繼電器3721的DCM與FWD、REV、JOG、...、TRG等數位信號輸出端之間的連接被斷開。此時，繼電器3727的DCM和CO接通(C0為外部控制裝置的數位信號共用端)。透過上述繼電器之一一接通，使得FWD連接Y0、REV連接Y1、JOG連接Y2、...、TRG連接Y10。由於Y0~Y10是外部控制裝置的數位信號輸出端，因此FWD、REV、JOG、...、TRG等數位信號是由外部控制裝置所控制。由於，第二切換開關3702~第十二切換開關3712的DCM被斷開，所以第二切換開關3702~第十二切換開關3712無效，亦即被旁路(bypass)。

需說明的是，上述第一實施方式以及第二實施方式中之可變電阻係可透過旋扭或數位控制進行調整，以調節所需之類比電壓或類比電流輸出，且不以此為限。

因此，多功能信號輸出裝置300可應用於如第7圖所示的工業控制系統700中。工業控制系統700可包含可程式控制器710、多功能信號輸出裝置300以及變頻器720。可程式控制器710可提供工業控制的各種控制命令給多功能信號輸出裝置300，多功能信號輸出裝置300可依據上述控制命令提供相對應之數位與類比信號驅動變頻器720，使得變頻器720可執行相對應之動作。

綜上所述，本揭示內容之多功能信號輸出裝置可具有多種類比電壓信號(例如：0V~10V以及-10V~+10V)、可調整的類比電流信號(例如：4mA~12mA)以及可控制的數位輸出信號，使其能夠有效解決習知技術上的問題。

由此可知，本揭示內容之多功能信號輸出裝置可提供各種類比與數位信號，以符合工業控制產品之需求，使得本發明無論在工業控制的現場前期調試或在實驗室中進行測試時，都可帶來極大的便利性。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、300‧‧‧多功能信號輸出裝置

110、310‧‧‧第一調節單元

111、113‧‧‧電阻

112‧‧‧第一可變電阻

120、320‧‧‧信號放大單元

121‧‧‧第一運算放大器

122~124‧‧‧電阻

130、330‧‧‧輸出單元

131、331‧‧‧輸出單元之第一輸入端

132、332‧‧‧輸出單元之第二輸入端

133、333‧‧‧輸出單元之輸出端

134‧‧‧第二運算放大器

135‧‧‧電晶體

136~139‧‧‧電阻

Rout‧‧‧輸出電阻

140、340‧‧‧檢測單元

141‧‧‧第三運算放大器

350‧‧‧電源供應單元

351‧‧‧電源轉換電路

352~354‧‧‧電阻

360‧‧‧第二調節單元

361‧‧‧第二可變電阻

362‧‧‧第三可變電阻

363‧‧‧串聯電阻

364‧‧‧穩壓二極體

370‧‧‧數位控制單元

3701~3712‧‧‧第一切換開關~第十二切換開關

3721~3730‧‧‧繼電器

700‧‧‧工業控制系統

710‧‧‧可程式控制器

720‧‧‧變頻器

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示依照本揭示內容之第一實施方式的一種多功能信號輸出裝置的電路方塊示意圖。

第2圖係繪示如第1圖所示之多功能信號輸出裝置的電路結構示意圖。

第3圖係繪示依照本揭示內容之第二實施方式的一種多功能信號輸出裝置的電路方塊示意圖。

第4圖係繪示如第3圖所示之多功能信號輸出裝置中電源供應單元的電路結構示意圖。

第5圖係繪示如第3圖所示之多功能信號輸出裝置中第二調節單元的電路結構示意圖。

第6圖係繪示如第3圖所示之多功能信號輸出裝置中數位控制單元的電路結構示意圖。

第7圖係繪示利用第3圖所示之多功能信號輸出裝置 所組成之工業控制系統的電路方塊示意圖。

300‧‧‧多功能信號輸出裝置

310‧‧‧第一調節單元

320‧‧‧信號放大單元

330‧‧‧輸出單元

331‧‧‧輸出單元之第一輸入端

332‧‧‧輸出單元之第二輸入端

333‧‧‧輸出單元之輸出端

340‧‧‧檢測單元

350‧‧‧電源供應單元

360‧‧‧第二調節單元

370‧‧‧數位控制單元

Claims (7)

1. 一種多功能信號輸出裝置，包含：一第一調節單元，用以產生一第一電壓信號；一信號放大單元，電性耦接該第一調節單元，用以接收該第一電壓信號，並將該第一電壓信號放大為一第二電壓信號；一輸出單元，包含一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，其中該輸出單元之該第一輸入端電性耦接該信號放大單元，用以接收該信號放大單元所輸出之該第二電壓信號，該輸出單元對該第二電壓信號進行信號放大與信號轉換，以產生相對應該第二電壓信號位準之一電流信號，並透過該輸出端輸出該電流信號；以及一檢測單元，並聯耦接於該輸出單元之該第二輸入端以及該輸出單元之該輸出端之間，用以檢測該輸出單元所輸出之該電流信號，並產生一回授信號給該輸出單元之該第二輸入端；一電源供應單元，包含一電源轉換電路以及複數個電阻，該電源供應單元電性耦接該信號放大單元、該輸出單元以及該檢測單元，並透過該電源轉換電路以及該些電阻之配置對一第一電源信號進行位準轉換與分壓，以產生複數個操作電壓信號，其中該些操作電壓信號包含一第一操作電壓信號、一第二操作電壓信號、一第三操作電壓信號、一第四操作電壓信號以及一參考電壓信號，該第一操作電壓信號與該第二操作電壓信號係用以提供操作上所需之電 壓給該信號放大單元、該輸出單元以及該檢測單元之該些運算放大器；以及一第二調節單元，包含一第二可變電阻、一第三可變電阻、一串聯電阻以及一穩壓二極體，該第二調節單元電性耦接該電源供應單元以及該第一調節單元，用以接收一第二電源信號、該第三操作電壓信號、該第四操作電壓信號以及該參考電壓信號，該第二調節單元透過該穩壓二極體以及該第二可變電阻與該第三可變電阻之調整對所接收之該些電壓信號進行調節與分壓，以產生一調節電壓、一第一類比電壓以及一第二類比電壓。
2. 如請求項1所述之信號輸出裝置，其中該第一調節單元包含一第一可變電阻，該第一調節單元係透過該第一可變電阻之調整而對所接收之一調節電壓進行分壓，以產生該第一電壓信號。
3. 如請求項1所述之信號輸出裝置，其中該信號放大單元包含一第一運算放大器以及複數個電阻，該第一運算放大器以及該些電阻係配置為負回授放大電路，以對該第一電壓信號進行反相放大。
4. 如請求項1所述之信號輸出裝置，該輸出單元更包含一第二運算放大器、複數個電阻以及一電晶體，該第二運算放大器以及該些電阻係配置為負回授放大電路，以對該第二電壓信號進行反相放大，該電晶體電性耦接該第 二運算放大器之輸出端，並受該第二電壓信號之反相放大信號的驅動而產生相對應之該電流信號。
5. 如請求項1所述之信號輸出裝置，其中該檢測單元包含配置為隨耦器型式之一第三運算放大器，該第三運算放大器用以對該電流信號進行檢測，並產生相對應之該回授信號，使該輸出單元依據該第二電壓信號以及該回授信號對該電流信號進行回授控制。
6. 如請求項1所述之信號輸出裝置，更包含：一數位控制單元，包含複數個切換開關以及複數個繼電器，該數位控制單元電性耦接該電源供應單元以及該第二調節單元，並透過該些切換開關以及該些繼電器之配置選擇數位控制之方式。
7. 如請求項6所述之信號輸出裝置，其中該些切換開關中之一第一切換開關係用以控制該些繼電器之動作，以選擇由該數位控制單元或一外部控制裝置控制數位輸出信號。