伝送器システム
【課題】２線式伝送器の消費電流として許容される消費電流で、信号絶縁回路を構成することを目的とする。
【解決手段】低消費電力タイプのフォトカプラを２個用い、１つはパルス幅変調信号で駆動、もう１つをその反転信号で駆動し、それぞれの出力のターンオン時の信号をパルス幅信号の前縁、後縁として取り出すことにより、精度良くパルス幅変調信号の絶縁を行う。
【解決手段】低消費電力タイプのフォトカプラを２個用い、１つはパルス幅変調信号で駆動、もう１つをその反転信号で駆動し、それぞれの出力のターンオン時の信号をパルス幅信号の前縁、後縁として取り出すことにより、精度良くパルス幅変調信号の絶縁を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、差圧、圧力、温度、流量などの複数のプロセス量を電気信号に変換して、ＤＣ４〜２０ｍＡの統一信号として伝送する伝送器システムに関し、特に複数のプロセス量を計測する複合形の伝送器システムに係る。
【背景技術】
【０００２】
複合伝送器の信号出力の形態として、図４に公知例を示す。図４の公知例は、複合伝送器のＤＣ４〜２０ｍＡの主出力信号に、他のプロセス量のデジタル信号を重畳させ専用の信号変換器で、デジタル信号をアナログ信号に変換し、アナログ出力信号を複数個取り出すシステムである。この内容は、特許文献１に紹介されている。この例の場合、ＤＣ４〜２０ｍＡの主出力信号線にデジタル信号を重畳させるため、信号ケーブルは一対で済むという利点があるが、一般の計装用電源では機能を実現できず専用の変換器を必要とした。また、デジタル通信信号を受信しＤ／Ａ変換して再発信するシステムであったため、ノイズに依る通信エラーや時間遅れなどが指摘されている。
【０００３】
これらの問題を解決するため、図５に示す例が特許文献２に提案されている。これは、１つの伝送器内に複数のサブ出力回路を備えたものである。信号ケーブルは、出力数に応じて敷設しなければならないが、一般の計装用電源でプロセス量と１対１に対応するＤＣ４〜２０ｍＡの出力信号が得られる。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２９６２８８号公報
【特許文献２】特開２００５−２７５４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この図５の例では、計装システム側の入力基板で入出力絶縁が取られているため、プロセスとの絶縁については問題が、サブ出力回路と主出力回路の間が絶縁されていないため、同一の計装用電源で駆動することができないと言う難点があった。一般に、複数の伝送器を使用するシステムにおいては、経済性を考慮し計装用電源１つで複数の伝送器を駆動し、計装システムにデータを取り込んでいる。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みて複数の電流出力回路を持つ複合伝送器における複数の電流出力間の信号絶縁することができるようにした伝送器システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、複数の電流出力回路を持つ複合伝送器における複数の電流出力回路間に信号絶縁手段（回路）を設けるようにして前記課題を解決するようにした。
【０００８】
ＤＣ４〜２０ｍＡの統一信号を出力する伝送器においては、内部回路の消費電流を少なくとも4ｍＡとしなければならないため、従来少なくとも数ｍＡの電流を消費する信号絶縁回路を搭載することは困難であった。これを解決するため本発明においては、近年入手できるようになった低消費電流タイプのフォトカプラを用いた。ただし、低消費電流タイプのフォトカプラは、応答時間が遅く、また経時変化も大きいため、通常の動作では誤差が大きくなり、パルス幅信号の絶縁手段としては使えない。本発明においては、フォトカプラを２個用いて、高速性の保証されたフォトトランジスタのターンオン特性のみを利用してパルス幅変調信号の絶縁を行うようにした。
【０００９】
本発明は具体的には、複数のセンサによってそれぞれ検出された複数の物理量を電気信号に変換し、該電気信号を、伝送線を介して負荷に伝送する電流出力回路を有する伝送器システムにおいて、
第一の電源回路に接続され、前記電気信号として電圧信号に変換され選択された該電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を備えた主電流出力回路と、第二の電源回路に接続され、電圧信号に変換され選択された該電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を有し、前記主電流出力回路と信号絶縁回路を介して接続された第２の電流出力回路と、並びに前記主電流出力回路および第２の電流出力回路を共通して駆動する同一の計装用電源と、を備えることを特徴とする伝送器システムを提供する。
【００１０】
前記伝送器システムは、前記信号絶縁回路は、２つのフォトカプラを並列して設け、それぞれフォトカプラ出力の立下り波形を使用して形成することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、複数のセンサによってそれぞれ検出された複数の物理量を電気信号に変換し、該電気信号を、伝送線を介して負荷に伝送する電流出力回路を有する伝送器において、
第一の電源回路に接続され、電圧信号に変換され選択された前記電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を備えた主電流出力回路と、第二の電源回路に接続され、電圧信号に変換され選択された前記電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を有し、２つのフォトカプラを並列して設け、それぞれフォトカプラ出力の立下り波形を使用して形成した信号絶縁回路を介して接続された第２の電流出力回路と、を備えることを特徴とする伝送器を提供する。
【００１２】
前記伝送器は、前記電気信号をパルス幅変調して出力する１チップマイコンと一方のフォトカプラの出力変化を捉えて起動するタイマー回路を備え、前記パルス幅変調された第２出力信号の反転信号を前記信号絶縁回路の第２のフォトカプラ駆動回路に入力し、第１のフォトカプラ出力の立下り波形で前記タイマー回路を駆動してパルス幅変調信号の前縁とし、第２のフォトカプラ出力立下り波形をパルス幅変調信号の後縁と成すようにして、絶縁されたパルス幅変調信号を得るようにしたことを特徴とする。
【００１３】
本発明は、また、前記伝送器を有し、前記主電流出力回路および第２の電流出力回路を共通して起動する同一の計装用電源を備えることを特徴とする伝送器システムを提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、複数の電流出力回路を持つ複合伝送器における複数の電流出力間の信号絶縁を行った伝送器システムを提供することができる。
【００１５】
以上のようにして、本発明によれば、従来の複合伝送器の回路に５００μＡ程度の消費電流増加で、かつ安価なフォトカプラと演算増幅器、出力トランジスタおよび数個の論理ＩＣとタイマーＩＣと用いて、信号絶縁回路および第２の電流出力回路を搭載できるため、計装用電源を共用化することができ計装システム全体の費用を削減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施例によれば、従来の複合伝送器の回路に５００μＡ程度の消費電流増加で信号絶縁回路を搭載できるため、計装用電源を共用化することができ計装システム全体の費用を削減できる。現在の複合伝送器の信号処理には、ワンチップマイコンが使用されるのが一般的である。そして、汎用のワンチップマイコンには、複数のタイマー機能が内蔵されているので、このタイマーを利用してパルス幅変調（PWM変換）することにより、他のプロセス量を容易にＤ／Ａ変換して電圧値とすることができる。また、PWM変換された信号をフォトカプラで絶縁することにより、主電流出力回路と補助電流出力回路が絶縁された複合伝送器とすることができる。
【００１７】
従来、フォトダイオード/フォトトランジスタタイプの一般的なフォトカプラの、フォトダイオードの駆動電流は５〜１０ｍＡであり、複合伝送器の信号絶縁に使用するには、フォトダイオードの駆動だけで４ｍＡを超えてしまうため使用できなかった。また、この種のフォトカプラのターンオン時間（ｔｏｎ）は、数μｓから10μｓであるが、オフするときの蓄積時間（ｔｓ）は数十μｓ、ターンオフ時間（ｔｏｆｆ）は数百μｓのオーダーであり、パルス幅変調信号を絶縁する時の誤差の要因となっていた。
【００１８】
近年、高効率形のフォトカプラが実用になり、フォトダイオードの駆動電流で５００μA程度のものが使用できるようになった。そのため、ＤＣ４〜２０ｍＡの統一信号を出力する複合伝送器においても使用可能となった。しかし、応答時間は改善されていない。
【００１９】
本発明を実施するための最良の形態の要点は、低消費電流タイプのフォトカプラを用いて、パルス幅変調信号を高精度に絶縁伝達するため、フォトカプラを２個用いて、応答速度の安定しているターンオン動作だけを利用して波形の伝達を行うところにある。他の信号絶縁回路を用いてもよい。
【００２０】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【実施例】
【００２１】
図1は、本発明の実施例である複合伝送器９０を備えた伝送器システム７０を示す図である。
図１において、まず主電流出力回路８０について説明する。１は第１のセンサで例えば、差圧センサを示す。２は、第2のセンサで例えば、圧力センサを示す。3は、第3のセンサで例えば、温度センサを示す。４は、マルチプレクサで、1〜3のセンサの信号を選択する。５は、プログラマブルゲインアンプで、選択されたセンサの出力信号に適した増幅率に設定し増幅する。６は、Ａ／Ｄコンバータで、センサの信号をデジタル変換する。７は、１チップマイコンで、演算機能の他、メモリ、通信機能、タイマー機能などを有し、温度影響補正、レンジ処理などの信号処理を行う。８は、電源回路（第一の電源回路）で、各回路に適した電源電圧を出力する。ここでは、１出力となっているが、アナログ系、デジタル系を最適化するため２出力としても良く、必要な場合、基準電圧源を設けてもよい。９は、平滑回路で１チップマイコンのPWM出力を平滑してアナログ信号出力を得る、１チップマイコンのPWM出力と合わせてＤ／Ａ変換回路を構成するものである。もちろん、単独のＤ／Ａ変換回路でもよい。１０は、電圧/電流変換回路の演算増幅器で、１１は、電流出力用のトランジスタを示し、アナログ電圧信号に変換されたセンサ信号を、ＤＣ４〜２０ｍＡの電流信号に変換して出力する。そして、１２は、計装用電源、１３は負荷抵抗を示す。
【００２２】
以上の構成が、１出力形の伝送器の回路構成である。インテリジェントタイプにおける通信機能は、演算増幅器１０の入力端子に送信信号を重畳させ、電源回路の入り口から受信信号を抽出する回路に導くことにより可能であるが、この図では除いてある。
【００２３】
次に、追加の絶縁機能付き電流出力回路構成である第２の電流出力回路８１について説明する。１００は、パルス絶縁回路で、第２出力用PWM信号の絶縁を行う。１０８は、第2出力用の電源回路で、絶縁回路、平滑回路、電圧/電流変換回路に適した電圧を出力する。１０９は、第２出力用の平滑回路で、絶縁された第２出力用PWM信号を平滑してアナログ信号とする。近年の１チップマイコンは、一般に複数個のタイマーを有しているため、部品の追加なしで、第２のPWM出力を得ることができる。１１０は、第２出力用の電圧/電流出力回路の演算増幅器である。１１１は、第２出力回路の出力トランジスタである。そして、１１３は負荷抵抗を示す。計装用電源１２は、主出力電流回路と第２の出力電流回路に共用のものとして構成しており、同一の計装用電源が使用できる。
【００２４】
第2出力用PWM信号の絶縁回路については、図２、図３を用いて後述する。平滑回路１０９も前述したとおり、２次のローパスフィルターとすれば、約０．２ｓの時定数で、十分な平滑効果が得られる。そして、平滑されてアナログ信号になった第２出力信号を、電圧/電流変換回路に入力し、第２出力の電流出力信号が得られる。
【００２５】
また、主電源回路からパルス絶縁回路に供給する電流は、フォトカプラを２個用いているが、交互に動作するため、１個分の５００μＡとなり、前述したように近年のマイコンおよび周辺ＩＣを用いれば、この５００μＡを含んでも、伝送器の全体回路を容易に構成することができる。
【００２６】
以上のように、伝送器システム７０は、第一の電源回路８に接続され、前記電気信号として電圧信号に変換され選択された該電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路の演算増幅器１０を備えた主電流出力回路８０と、第二の電源回路１０８に接続され、電圧信号に変換され選択された該電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路の演算増幅器１１０を有し、主電流出力回路８０と信号絶縁回路１００を介して接続された第２の電流出力回路８１と、並びに主電流出力回路８０および第２の電流出力回路８１を共通して駆動する同一の計装用電源１１２と、を備える。
【００２７】
本発明の実施例の２個のフォトカプラを用いたパルス幅変調信号の信号絶縁回路を図２に示す。ここで用いたフォトカプラは、フォトダイオードの駆動電流として５００μＡで動作可能なものである。そして、フォトダイオードの駆動電流５００μＡ、フォトトランジスタの負荷抵抗１０ｋΩのとき、ターンオン時間約１０μｓ、蓄積時間約５０μｓ、ターンオフ時間約１００μｓの特性のものである。そして、ターンオン時間の負荷抵抗の変化は、約±１μｓであるのに対し、蓄積時間、ターンオフ時間は数倍にも変化する。
【００２８】
パルス幅変調信号の基本周波数は、マイコンのクロックを２，４５７６MHz、１５ビット分解能として、２，４５７６×１０６／２１５＝７５Hzとすると、１周期は、１／７５＝１３．３ｍｓとなる。一方、複合伝送器の演算周期を０．２ｓとすると、パルス幅変調信号を復調してアナログ信号にする平滑回路の時定数は、演算周期と同じく０．２ｓくらいが望ましい。そして、平滑回路におけるパルス幅変調信号の減衰率は、平滑後のリップルを考慮すると、１／１０００から１／１００００にするのが望ましく、この場合、時定数０．２ｓの２次の時定数回路を構成すると、パルス幅変調周波数７５Hzにおける減衰率は約１／２２００になり適当である。
【００２９】
図２において、３０１〜３０６は抵抗器、３０７はCMOSインバータ、３０８、３０９はトランジスタ、３１０、３１１はフォトカプラである。そして、４０1〜４０３は抵抗器、４０４はコンデンサ、４０５〜４０７はCMOSインバータ、４０８はタイマーＩＣ、４０９はCOMS OR回路である。このうち、抵抗器４０３とコンデンサ４０４は、タイマーＩＣのタイマー出力時間を設定用である。
【００３０】
次に、図２、図３を用いてパルス幅信号絶縁回路すなわちパルス絶縁回路１００を用いた信号絶縁回路を説明する。図３は、図２の各部の波形を示す図である。図３において、波形（ａ）は、第２出力用ＰＷＭ信号、波形（ｂ）は、第１のフォトカプラの出力信号、波形（ｃ）は、第１のフォトカプラの出力信号を論理Ｉとで取込み波形成形した後の波形、波形（ｄ）は、第２のフォトカプラの出力信号、波形（ｅ）は、第２のフォトカプラの出力信号を論理Ｉとで取込み波形成形した後の波形、波形（ｆ）は、第１のフォトカプラの出力信号の立上りエッジで起動するタイマー出力波形、波形（ｇ）は、波形（ｅ）と波形（ｆ）の論理和をとることにより、２個のフォトカプラを用いて、応答速度の安定しているターンオン動作だけを利用して得られる第２出力用ＰＷＭ信号を絶縁伝送した波形を示す。
【００３１】
まず、トランジスタ３０８に第２出力用のPWM信号が入力され第１のフォトカプラ３１０が駆動される、そしてトランジスタ３０９には、第２出力用のPWM信号の反転信号が入力され第２のフォトカプラ３１１が駆動される。すると、第２出力用のPWM信号の立上り時点（イ）では、第１のフォトカプラ３１０の出力信号は、図３波形（ｂ）のように、ターンオン時間で追従するが、立下り時点（ロ）では、蓄積時間およびターンオフ時間を要し、大きく遅れた波形となる。
【００３２】
一方、第２のフォトカプラ３１１の出力信号は、第２出力用のPWM信号の立上り時点（イ）では、図３波形（ｄ）のように、蓄積時間、ターンオフ時間により大きく遅れるが、第２出力用のPWM信号の立下り時点（ロ）では、ターンオン時間で追従する。
【００３３】
ここで、２個のフォトカプラのフォトダイオード駆動電流が、主電源回路から供給される電流であるが、２個のフォトカプラは交互に駆動されるため、主電源回路の消費電流の増加分は、１個分の５００μＡである。近年、マイコンおよび周辺ＩＣの低消費電力化が進んだため、追加の５００μＡを含めて伝送器の全体回路を構成することは容易である。
【００３４】
タイマー４０８は、第１のフォトカプラの出力を反転した信号が入力されているが、第１のフォトカプラのターンオン時に起動され、抵抗器４０３とコンデンサ４０４で決まる時間だけ出力するものである。このタイマーの出力時間は、ＤＣ４〜２０ｍＡの統一電流信号を出力する伝送器としては、４mＡ以下の信号に影響を与えない範囲であれば許容されるものである。前述のパルス幅変調信号の１周期１３．３ｍｓと、電流出力信号との対応を０〜１３．３ｍｓ＝０〜２４mＡとする。電流信号範囲４〜２０mＡに対し、最大を２４ｍＡとするのは、バーンアウト時の出力範囲外の電流値設定などに利用するためと、フォトカプラの蓄積時間、ターンオフ時間による遅れで第１のフォトカプラがターンオフしなくなるのを防止するためである。そして、実際の設計値として、パルス幅変調信号の出力電流３mＡ相当値をタイマーの出力時間許容値とすると、１３．３×（３／２４）＝１．６７mｓとなる。そして、このタイマー４０８が出力している時間内に、第２のフォトカプラの出力が立ち上がれば、図３波形（ｅ）と（ｆ）の論理和を取ることにより、第２出力用のPWM信号の絶縁伝送された波形とすることができる。
【００３５】
伝送波形の誤差については、フォトカプラのターンオン時の波形でパルスの前縁、後縁としているため、それぞれの遅れは約１０μｓであり、誤差としては、経年変化で現れてくる。ターンオン時間の経年変化を負荷抵抗変化と同等と考えると、±１μｓ程度であるため、誤差としては、出力信号範囲に相当するパルス幅１３．３ｍｓ×１６mＡ／２４ｍＡ＝８．９mｓに対して、０．０１％のオーダーである。
【００３６】
ここで、フォトカプラを通常の使い方で、パルス幅変調信号の絶縁手段に使用した場合の誤差を検討してみる。この場合は、図２の片側、例えば上側のみを使用した回路になり、パルス幅変調信号の入力波形を図３の（ａ）とすると、絶縁後の出力波形は、図３の（ｂ）となる。この場合、蓄積時間、ターンオフ時間の経時変化は少なく見積もっても、５００μｓは考慮する必要がある。すると、経時変化は、出力信号範囲に相当するパルス幅８．９mｓに対して５．６％にもなり、使用できないことが分る。
【００３７】
以上のように、本実施例の伝送器９０は、第一の電源回路８に接続され、電圧信号に変換され選択された電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路の演算増幅器１０を備えた主電流出力回路８０と第二の電源回路１０８に接続され、電圧信号に変換され選択された電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路の演算増幅器１０８および２つのフォトカプラ３１０，３１１を並列して設け、それぞれフォトカプラ出力の立下り波形を使用して形成したパルス絶縁回路１００を介して接続された第２の電流出力回路８１と、を備える。
【００３８】
また、この伝送器９０は、電気信号をパルス幅変調して出力する１チップマイコンと一方のフォトカプラの出力変化を捉えて起動するタイマー回路を備え、パルス幅変調された第２出力信号の反転信号をパルス絶縁回路１００の第２のフォトカプラ駆動回路に入力し、第１のフォトカプラ出力の立下り波形で前記タイマー回路を駆動してパルス幅変調信号の前縁とし、第２のフォトカプラ出力立下り波形をパルス幅変調信号の後縁と成すようにして、絶縁されたパルス幅変調信号を得るようにしている。従って、伝送器システム７０は、主電流出力回路８０および第２の電流出力回路８１を共通して起動する同一の計装用電源１２を備えることを特徴とする。
【００３９】
以上のように、本実施例によれば、従来の複合伝送器の回路に５００μＡ程度の消費電流増加で、かつ安価なフォトカプラと演算増幅器、出力トランジスタおよび数個の論理ＩＣとタイマーＩＣと用いて、信号絶縁回路および第２の電流出力回路を搭載できるため、計装用電源を共用化することができ計装システム全体の費用を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の全体の回路構成を示す図。
【図２】本発明のパルス信号絶縁回路を説明する図。
【図３】本発明のパルス信号絶縁回路の波形を説明する図。
【図４】従来技術を示す図。
【図５】従来技術を示す図。
【符号の説明】
【００４１】
１…センサ１、２…センサ２、３…センサ３、４…マルチプレクサ、５…プログラマブルゲインアンプ、６…Ａ／Ｄコンバータ、７…１チップマイコン、８…電源回路、９…平滑回路1、１０…電圧／電流変換回路の演算増幅器、１１…出力トランジスタ、１２…計装用電源、１３…負荷抵抗、７０…伝送器システム、８０…主電流出力回路、８１…第２の電流出力回路、９０…伝送器、１００…パルス絶縁回路（信号絶縁回路）、１０９…平滑回路2、１１０…演算増幅器、１１１…出力トランジスタ、１１２…計装用電源、１１３…負荷抵抗。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、差圧、圧力、温度、流量などの複数のプロセス量を電気信号に変換して、ＤＣ４〜２０ｍＡの統一信号として伝送する伝送器システムに関し、特に複数のプロセス量を計測する複合形の伝送器システムに係る。
【背景技術】
【０００２】
複合伝送器の信号出力の形態として、図４に公知例を示す。図４の公知例は、複合伝送器のＤＣ４〜２０ｍＡの主出力信号に、他のプロセス量のデジタル信号を重畳させ専用の信号変換器で、デジタル信号をアナログ信号に変換し、アナログ出力信号を複数個取り出すシステムである。この内容は、特許文献１に紹介されている。この例の場合、ＤＣ４〜２０ｍＡの主出力信号線にデジタル信号を重畳させるため、信号ケーブルは一対で済むという利点があるが、一般の計装用電源では機能を実現できず専用の変換器を必要とした。また、デジタル通信信号を受信しＤ／Ａ変換して再発信するシステムであったため、ノイズに依る通信エラーや時間遅れなどが指摘されている。
【０００３】
これらの問題を解決するため、図５に示す例が特許文献２に提案されている。これは、１つの伝送器内に複数のサブ出力回路を備えたものである。信号ケーブルは、出力数に応じて敷設しなければならないが、一般の計装用電源でプロセス量と１対１に対応するＤＣ４〜２０ｍＡの出力信号が得られる。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２９６２８８号公報
【特許文献２】特開２００５−２７５４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この図５の例では、計装システム側の入力基板で入出力絶縁が取られているため、プロセスとの絶縁については問題が、サブ出力回路と主出力回路の間が絶縁されていないため、同一の計装用電源で駆動することができないと言う難点があった。一般に、複数の伝送器を使用するシステムにおいては、経済性を考慮し計装用電源１つで複数の伝送器を駆動し、計装システムにデータを取り込んでいる。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みて複数の電流出力回路を持つ複合伝送器における複数の電流出力間の信号絶縁することができるようにした伝送器システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、複数の電流出力回路を持つ複合伝送器における複数の電流出力回路間に信号絶縁手段（回路）を設けるようにして前記課題を解決するようにした。
【０００８】
ＤＣ４〜２０ｍＡの統一信号を出力する伝送器においては、内部回路の消費電流を少なくとも4ｍＡとしなければならないため、従来少なくとも数ｍＡの電流を消費する信号絶縁回路を搭載することは困難であった。これを解決するため本発明においては、近年入手できるようになった低消費電流タイプのフォトカプラを用いた。ただし、低消費電流タイプのフォトカプラは、応答時間が遅く、また経時変化も大きいため、通常の動作では誤差が大きくなり、パルス幅信号の絶縁手段としては使えない。本発明においては、フォトカプラを２個用いて、高速性の保証されたフォトトランジスタのターンオン特性のみを利用してパルス幅変調信号の絶縁を行うようにした。
【０００９】
本発明は具体的には、複数のセンサによってそれぞれ検出された複数の物理量を電気信号に変換し、該電気信号を、伝送線を介して負荷に伝送する電流出力回路を有する伝送器システムにおいて、
第一の電源回路に接続され、前記電気信号として電圧信号に変換され選択された該電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を備えた主電流出力回路と、第二の電源回路に接続され、電圧信号に変換され選択された該電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を有し、前記主電流出力回路と信号絶縁回路を介して接続された第２の電流出力回路と、並びに前記主電流出力回路および第２の電流出力回路を共通して駆動する同一の計装用電源と、を備えることを特徴とする伝送器システムを提供する。
【００１０】
前記伝送器システムは、前記信号絶縁回路は、２つのフォトカプラを並列して設け、それぞれフォトカプラ出力の立下り波形を使用して形成することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、複数のセンサによってそれぞれ検出された複数の物理量を電気信号に変換し、該電気信号を、伝送線を介して負荷に伝送する電流出力回路を有する伝送器において、
第一の電源回路に接続され、電圧信号に変換され選択された前記電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を備えた主電流出力回路と、第二の電源回路に接続され、電圧信号に変換され選択された前記電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を有し、２つのフォトカプラを並列して設け、それぞれフォトカプラ出力の立下り波形を使用して形成した信号絶縁回路を介して接続された第２の電流出力回路と、を備えることを特徴とする伝送器を提供する。
【００１２】
前記伝送器は、前記電気信号をパルス幅変調して出力する１チップマイコンと一方のフォトカプラの出力変化を捉えて起動するタイマー回路を備え、前記パルス幅変調された第２出力信号の反転信号を前記信号絶縁回路の第２のフォトカプラ駆動回路に入力し、第１のフォトカプラ出力の立下り波形で前記タイマー回路を駆動してパルス幅変調信号の前縁とし、第２のフォトカプラ出力立下り波形をパルス幅変調信号の後縁と成すようにして、絶縁されたパルス幅変調信号を得るようにしたことを特徴とする。
【００１３】
本発明は、また、前記伝送器を有し、前記主電流出力回路および第２の電流出力回路を共通して起動する同一の計装用電源を備えることを特徴とする伝送器システムを提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、複数の電流出力回路を持つ複合伝送器における複数の電流出力間の信号絶縁を行った伝送器システムを提供することができる。
【００１５】
以上のようにして、本発明によれば、従来の複合伝送器の回路に５００μＡ程度の消費電流増加で、かつ安価なフォトカプラと演算増幅器、出力トランジスタおよび数個の論理ＩＣとタイマーＩＣと用いて、信号絶縁回路および第２の電流出力回路を搭載できるため、計装用電源を共用化することができ計装システム全体の費用を削減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施例によれば、従来の複合伝送器の回路に５００μＡ程度の消費電流増加で信号絶縁回路を搭載できるため、計装用電源を共用化することができ計装システム全体の費用を削減できる。現在の複合伝送器の信号処理には、ワンチップマイコンが使用されるのが一般的である。そして、汎用のワンチップマイコンには、複数のタイマー機能が内蔵されているので、このタイマーを利用してパルス幅変調（PWM変換）することにより、他のプロセス量を容易にＤ／Ａ変換して電圧値とすることができる。また、PWM変換された信号をフォトカプラで絶縁することにより、主電流出力回路と補助電流出力回路が絶縁された複合伝送器とすることができる。
【００１７】
従来、フォトダイオード/フォトトランジスタタイプの一般的なフォトカプラの、フォトダイオードの駆動電流は５〜１０ｍＡであり、複合伝送器の信号絶縁に使用するには、フォトダイオードの駆動だけで４ｍＡを超えてしまうため使用できなかった。また、この種のフォトカプラのターンオン時間（ｔｏｎ）は、数μｓから10μｓであるが、オフするときの蓄積時間（ｔｓ）は数十μｓ、ターンオフ時間（ｔｏｆｆ）は数百μｓのオーダーであり、パルス幅変調信号を絶縁する時の誤差の要因となっていた。
【００１８】
近年、高効率形のフォトカプラが実用になり、フォトダイオードの駆動電流で５００μA程度のものが使用できるようになった。そのため、ＤＣ４〜２０ｍＡの統一信号を出力する複合伝送器においても使用可能となった。しかし、応答時間は改善されていない。
【００１９】
本発明を実施するための最良の形態の要点は、低消費電流タイプのフォトカプラを用いて、パルス幅変調信号を高精度に絶縁伝達するため、フォトカプラを２個用いて、応答速度の安定しているターンオン動作だけを利用して波形の伝達を行うところにある。他の信号絶縁回路を用いてもよい。
【００２０】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【実施例】
【００２１】
図1は、本発明の実施例である複合伝送器９０を備えた伝送器システム７０を示す図である。
図１において、まず主電流出力回路８０について説明する。１は第１のセンサで例えば、差圧センサを示す。２は、第2のセンサで例えば、圧力センサを示す。3は、第3のセンサで例えば、温度センサを示す。４は、マルチプレクサで、1〜3のセンサの信号を選択する。５は、プログラマブルゲインアンプで、選択されたセンサの出力信号に適した増幅率に設定し増幅する。６は、Ａ／Ｄコンバータで、センサの信号をデジタル変換する。７は、１チップマイコンで、演算機能の他、メモリ、通信機能、タイマー機能などを有し、温度影響補正、レンジ処理などの信号処理を行う。８は、電源回路（第一の電源回路）で、各回路に適した電源電圧を出力する。ここでは、１出力となっているが、アナログ系、デジタル系を最適化するため２出力としても良く、必要な場合、基準電圧源を設けてもよい。９は、平滑回路で１チップマイコンのPWM出力を平滑してアナログ信号出力を得る、１チップマイコンのPWM出力と合わせてＤ／Ａ変換回路を構成するものである。もちろん、単独のＤ／Ａ変換回路でもよい。１０は、電圧/電流変換回路の演算増幅器で、１１は、電流出力用のトランジスタを示し、アナログ電圧信号に変換されたセンサ信号を、ＤＣ４〜２０ｍＡの電流信号に変換して出力する。そして、１２は、計装用電源、１３は負荷抵抗を示す。
【００２２】
以上の構成が、１出力形の伝送器の回路構成である。インテリジェントタイプにおける通信機能は、演算増幅器１０の入力端子に送信信号を重畳させ、電源回路の入り口から受信信号を抽出する回路に導くことにより可能であるが、この図では除いてある。
【００２３】
次に、追加の絶縁機能付き電流出力回路構成である第２の電流出力回路８１について説明する。１００は、パルス絶縁回路で、第２出力用PWM信号の絶縁を行う。１０８は、第2出力用の電源回路で、絶縁回路、平滑回路、電圧/電流変換回路に適した電圧を出力する。１０９は、第２出力用の平滑回路で、絶縁された第２出力用PWM信号を平滑してアナログ信号とする。近年の１チップマイコンは、一般に複数個のタイマーを有しているため、部品の追加なしで、第２のPWM出力を得ることができる。１１０は、第２出力用の電圧/電流出力回路の演算増幅器である。１１１は、第２出力回路の出力トランジスタである。そして、１１３は負荷抵抗を示す。計装用電源１２は、主出力電流回路と第２の出力電流回路に共用のものとして構成しており、同一の計装用電源が使用できる。
【００２４】
第2出力用PWM信号の絶縁回路については、図２、図３を用いて後述する。平滑回路１０９も前述したとおり、２次のローパスフィルターとすれば、約０．２ｓの時定数で、十分な平滑効果が得られる。そして、平滑されてアナログ信号になった第２出力信号を、電圧/電流変換回路に入力し、第２出力の電流出力信号が得られる。
【００２５】
また、主電源回路からパルス絶縁回路に供給する電流は、フォトカプラを２個用いているが、交互に動作するため、１個分の５００μＡとなり、前述したように近年のマイコンおよび周辺ＩＣを用いれば、この５００μＡを含んでも、伝送器の全体回路を容易に構成することができる。
【００２６】
以上のように、伝送器システム７０は、第一の電源回路８に接続され、前記電気信号として電圧信号に変換され選択された該電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路の演算増幅器１０を備えた主電流出力回路８０と、第二の電源回路１０８に接続され、電圧信号に変換され選択された該電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路の演算増幅器１１０を有し、主電流出力回路８０と信号絶縁回路１００を介して接続された第２の電流出力回路８１と、並びに主電流出力回路８０および第２の電流出力回路８１を共通して駆動する同一の計装用電源１１２と、を備える。
【００２７】
本発明の実施例の２個のフォトカプラを用いたパルス幅変調信号の信号絶縁回路を図２に示す。ここで用いたフォトカプラは、フォトダイオードの駆動電流として５００μＡで動作可能なものである。そして、フォトダイオードの駆動電流５００μＡ、フォトトランジスタの負荷抵抗１０ｋΩのとき、ターンオン時間約１０μｓ、蓄積時間約５０μｓ、ターンオフ時間約１００μｓの特性のものである。そして、ターンオン時間の負荷抵抗の変化は、約±１μｓであるのに対し、蓄積時間、ターンオフ時間は数倍にも変化する。
【００２８】
パルス幅変調信号の基本周波数は、マイコンのクロックを２，４５７６MHz、１５ビット分解能として、２，４５７６×１０６／２１５＝７５Hzとすると、１周期は、１／７５＝１３．３ｍｓとなる。一方、複合伝送器の演算周期を０．２ｓとすると、パルス幅変調信号を復調してアナログ信号にする平滑回路の時定数は、演算周期と同じく０．２ｓくらいが望ましい。そして、平滑回路におけるパルス幅変調信号の減衰率は、平滑後のリップルを考慮すると、１／１０００から１／１００００にするのが望ましく、この場合、時定数０．２ｓの２次の時定数回路を構成すると、パルス幅変調周波数７５Hzにおける減衰率は約１／２２００になり適当である。
【００２９】
図２において、３０１〜３０６は抵抗器、３０７はCMOSインバータ、３０８、３０９はトランジスタ、３１０、３１１はフォトカプラである。そして、４０1〜４０３は抵抗器、４０４はコンデンサ、４０５〜４０７はCMOSインバータ、４０８はタイマーＩＣ、４０９はCOMS OR回路である。このうち、抵抗器４０３とコンデンサ４０４は、タイマーＩＣのタイマー出力時間を設定用である。
【００３０】
次に、図２、図３を用いてパルス幅信号絶縁回路すなわちパルス絶縁回路１００を用いた信号絶縁回路を説明する。図３は、図２の各部の波形を示す図である。図３において、波形（ａ）は、第２出力用ＰＷＭ信号、波形（ｂ）は、第１のフォトカプラの出力信号、波形（ｃ）は、第１のフォトカプラの出力信号を論理Ｉとで取込み波形成形した後の波形、波形（ｄ）は、第２のフォトカプラの出力信号、波形（ｅ）は、第２のフォトカプラの出力信号を論理Ｉとで取込み波形成形した後の波形、波形（ｆ）は、第１のフォトカプラの出力信号の立上りエッジで起動するタイマー出力波形、波形（ｇ）は、波形（ｅ）と波形（ｆ）の論理和をとることにより、２個のフォトカプラを用いて、応答速度の安定しているターンオン動作だけを利用して得られる第２出力用ＰＷＭ信号を絶縁伝送した波形を示す。
【００３１】
まず、トランジスタ３０８に第２出力用のPWM信号が入力され第１のフォトカプラ３１０が駆動される、そしてトランジスタ３０９には、第２出力用のPWM信号の反転信号が入力され第２のフォトカプラ３１１が駆動される。すると、第２出力用のPWM信号の立上り時点（イ）では、第１のフォトカプラ３１０の出力信号は、図３波形（ｂ）のように、ターンオン時間で追従するが、立下り時点（ロ）では、蓄積時間およびターンオフ時間を要し、大きく遅れた波形となる。
【００３２】
一方、第２のフォトカプラ３１１の出力信号は、第２出力用のPWM信号の立上り時点（イ）では、図３波形（ｄ）のように、蓄積時間、ターンオフ時間により大きく遅れるが、第２出力用のPWM信号の立下り時点（ロ）では、ターンオン時間で追従する。
【００３３】
ここで、２個のフォトカプラのフォトダイオード駆動電流が、主電源回路から供給される電流であるが、２個のフォトカプラは交互に駆動されるため、主電源回路の消費電流の増加分は、１個分の５００μＡである。近年、マイコンおよび周辺ＩＣの低消費電力化が進んだため、追加の５００μＡを含めて伝送器の全体回路を構成することは容易である。
【００３４】
タイマー４０８は、第１のフォトカプラの出力を反転した信号が入力されているが、第１のフォトカプラのターンオン時に起動され、抵抗器４０３とコンデンサ４０４で決まる時間だけ出力するものである。このタイマーの出力時間は、ＤＣ４〜２０ｍＡの統一電流信号を出力する伝送器としては、４mＡ以下の信号に影響を与えない範囲であれば許容されるものである。前述のパルス幅変調信号の１周期１３．３ｍｓと、電流出力信号との対応を０〜１３．３ｍｓ＝０〜２４mＡとする。電流信号範囲４〜２０mＡに対し、最大を２４ｍＡとするのは、バーンアウト時の出力範囲外の電流値設定などに利用するためと、フォトカプラの蓄積時間、ターンオフ時間による遅れで第１のフォトカプラがターンオフしなくなるのを防止するためである。そして、実際の設計値として、パルス幅変調信号の出力電流３mＡ相当値をタイマーの出力時間許容値とすると、１３．３×（３／２４）＝１．６７mｓとなる。そして、このタイマー４０８が出力している時間内に、第２のフォトカプラの出力が立ち上がれば、図３波形（ｅ）と（ｆ）の論理和を取ることにより、第２出力用のPWM信号の絶縁伝送された波形とすることができる。
【００３５】
伝送波形の誤差については、フォトカプラのターンオン時の波形でパルスの前縁、後縁としているため、それぞれの遅れは約１０μｓであり、誤差としては、経年変化で現れてくる。ターンオン時間の経年変化を負荷抵抗変化と同等と考えると、±１μｓ程度であるため、誤差としては、出力信号範囲に相当するパルス幅１３．３ｍｓ×１６mＡ／２４ｍＡ＝８．９mｓに対して、０．０１％のオーダーである。
【００３６】
ここで、フォトカプラを通常の使い方で、パルス幅変調信号の絶縁手段に使用した場合の誤差を検討してみる。この場合は、図２の片側、例えば上側のみを使用した回路になり、パルス幅変調信号の入力波形を図３の（ａ）とすると、絶縁後の出力波形は、図３の（ｂ）となる。この場合、蓄積時間、ターンオフ時間の経時変化は少なく見積もっても、５００μｓは考慮する必要がある。すると、経時変化は、出力信号範囲に相当するパルス幅８．９mｓに対して５．６％にもなり、使用できないことが分る。
【００３７】
以上のように、本実施例の伝送器９０は、第一の電源回路８に接続され、電圧信号に変換され選択された電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路の演算増幅器１０を備えた主電流出力回路８０と第二の電源回路１０８に接続され、電圧信号に変換され選択された電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路の演算増幅器１０８および２つのフォトカプラ３１０，３１１を並列して設け、それぞれフォトカプラ出力の立下り波形を使用して形成したパルス絶縁回路１００を介して接続された第２の電流出力回路８１と、を備える。
【００３８】
また、この伝送器９０は、電気信号をパルス幅変調して出力する１チップマイコンと一方のフォトカプラの出力変化を捉えて起動するタイマー回路を備え、パルス幅変調された第２出力信号の反転信号をパルス絶縁回路１００の第２のフォトカプラ駆動回路に入力し、第１のフォトカプラ出力の立下り波形で前記タイマー回路を駆動してパルス幅変調信号の前縁とし、第２のフォトカプラ出力立下り波形をパルス幅変調信号の後縁と成すようにして、絶縁されたパルス幅変調信号を得るようにしている。従って、伝送器システム７０は、主電流出力回路８０および第２の電流出力回路８１を共通して起動する同一の計装用電源１２を備えることを特徴とする。
【００３９】
以上のように、本実施例によれば、従来の複合伝送器の回路に５００μＡ程度の消費電流増加で、かつ安価なフォトカプラと演算増幅器、出力トランジスタおよび数個の論理ＩＣとタイマーＩＣと用いて、信号絶縁回路および第２の電流出力回路を搭載できるため、計装用電源を共用化することができ計装システム全体の費用を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の全体の回路構成を示す図。
【図２】本発明のパルス信号絶縁回路を説明する図。
【図３】本発明のパルス信号絶縁回路の波形を説明する図。
【図４】従来技術を示す図。
【図５】従来技術を示す図。
【符号の説明】
【００４１】
１…センサ１、２…センサ２、３…センサ３、４…マルチプレクサ、５…プログラマブルゲインアンプ、６…Ａ／Ｄコンバータ、７…１チップマイコン、８…電源回路、９…平滑回路1、１０…電圧／電流変換回路の演算増幅器、１１…出力トランジスタ、１２…計装用電源、１３…負荷抵抗、７０…伝送器システム、８０…主電流出力回路、８１…第２の電流出力回路、９０…伝送器、１００…パルス絶縁回路（信号絶縁回路）、１０９…平滑回路2、１１０…演算増幅器、１１１…出力トランジスタ、１１２…計装用電源、１１３…負荷抵抗。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセンサによってそれぞれ検出された複数の物理量を電気信号に変換し、該電気信号を、伝送線を介して負荷に伝送する電流出力回路を有する伝送器システムにおいて、
第一の電源回路に接続され、前記電気信号として電圧信号に変換され選択された該電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を備えた主電流出力回路と、第二の電源回路に接続され、電圧信号に変換され選択された該電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を有し、前記主電流出力回路と信号絶縁回路を介して接続された第２の電流出力回路と、並びに前記主電流出力回路および第２の電流出力回路を共通して駆動する同一の計装用電源と、を備えることを特徴とする伝送器システム。
【請求項２】
請求項１において、前記信号絶縁回路は、２つのフォトカプラを並列して設け、それぞれフォトカプラ出力の立下り波形を使用して形成することを特徴とする伝送器システム。
【請求項３】
複数のセンサによってそれぞれ検出された複数の物理量を電気信号に変換し、該電気信号を、伝送線を介して負荷に伝送する電流出力回路を有する伝送器において、
第一の電源回路に接続され、電圧信号に変換され選択された前記電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を備えた主電流出力回路と、第二の電源回路に接続され、電圧信号に変換され選択された前記電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を有し、２つのフォトカプラを並列して設け、それぞれフォトカプラ出力の立下り波形を使用して形成した信号絶縁回路を介して接続された第２の電流出力回路と、を備えることを特徴とする伝送器。
【請求項４】
請求項３において、前記電気信号をパルス幅変調して出力する１チップマイコンと一方のフォトカプラの出力変化を捉えて起動するタイマー回路を備え、前記パルス幅変調された第２出力信号の反転信号を前記信号絶縁回路の第２のフォトカプラ駆動回路に入力し、第１のフォトカプラ出力の立下り波形で前記タイマー回路を駆動してパルス幅変調信号の前縁とし、第２のフォトカプラ出力立下り波形をパルス幅変調信号の後縁と成すようにして、絶縁されたパルス幅変調信号を得るようにしたことを特徴とする伝送器。
【請求項５】
請求項４に記載した伝送器を有し、前記主電流出力回路および第２の電流出力回路を共通して起動する同一の計装用電源を備えることを特徴とする伝送器システム。
【請求項１】
複数のセンサによってそれぞれ検出された複数の物理量を電気信号に変換し、該電気信号を、伝送線を介して負荷に伝送する電流出力回路を有する伝送器システムにおいて、
第一の電源回路に接続され、前記電気信号として電圧信号に変換され選択された該電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を備えた主電流出力回路と、第二の電源回路に接続され、電圧信号に変換され選択された該電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を有し、前記主電流出力回路と信号絶縁回路を介して接続された第２の電流出力回路と、並びに前記主電流出力回路および第２の電流出力回路を共通して駆動する同一の計装用電源と、を備えることを特徴とする伝送器システム。
【請求項２】
請求項１において、前記信号絶縁回路は、２つのフォトカプラを並列して設け、それぞれフォトカプラ出力の立下り波形を使用して形成することを特徴とする伝送器システム。
【請求項３】
複数のセンサによってそれぞれ検出された複数の物理量を電気信号に変換し、該電気信号を、伝送線を介して負荷に伝送する電流出力回路を有する伝送器において、
第一の電源回路に接続され、電圧信号に変換され選択された前記電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を備えた主電流出力回路と、第二の電源回路に接続され、電圧信号に変換され選択された前記電圧信号を電流信号に変換して出力する電圧／電流出力回路を有し、２つのフォトカプラを並列して設け、それぞれフォトカプラ出力の立下り波形を使用して形成した信号絶縁回路を介して接続された第２の電流出力回路と、を備えることを特徴とする伝送器。
【請求項４】
請求項３において、前記電気信号をパルス幅変調して出力する１チップマイコンと一方のフォトカプラの出力変化を捉えて起動するタイマー回路を備え、前記パルス幅変調された第２出力信号の反転信号を前記信号絶縁回路の第２のフォトカプラ駆動回路に入力し、第１のフォトカプラ出力の立下り波形で前記タイマー回路を駆動してパルス幅変調信号の前縁とし、第２のフォトカプラ出力立下り波形をパルス幅変調信号の後縁と成すようにして、絶縁されたパルス幅変調信号を得るようにしたことを特徴とする伝送器。
【請求項５】
請求項４に記載した伝送器を有し、前記主電流出力回路および第２の電流出力回路を共通して起動する同一の計装用電源を備えることを特徴とする伝送器システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−８４２７２（Ｐ２００８−８４２７２Ａ）
【公開日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２６６６３６（Ｐ２００６−２６６６３６）
【出願日】平成１８年９月２９日（２００６．９．２９）
【出願人】（０００２３３５４９）株式会社日立ハイテクコントロールシステムズ (130)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２９日（２００６．９．２９）
【出願人】（０００２３３５４９）株式会社日立ハイテクコントロールシステムズ (130)
【Ｆターム（参考）】
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