使用可变阻抗桥将调制的电压信号耦合到电流回路的方法、系统和装置

摘要

一种用于将调制的电压信号耦合到主装置和现场装置之间的电流回路上的系统，在各种实施例中能够包括电路和阻抗桥。所述电路配置成使来自所述现场装置的电流在所述主装置中的输入电路的两个端子之间流动，其中所述两个端子被包括在所述电流回路中。所述阻抗桥定位在所述两个端子之间，且配置成调制阻抗，以将由所述现场装置产生的现场回路中的电流转变成端子电压调制，而不将DC电压负荷引入到所述电流。

说明书

技术领域

本公开一般涉及通信。更特定地，本公开涉及耦合调制的电压信号到电流回路以用于与现场装置（field device）进行通信。

背景技术

高速通道可寻址远程换能器（HART）协议是设计用于工业过程测量和控制应用的通信协议。HART调制器是一种产生在两个频率（1200 Hz和2200 Hz）之一的正弦波的装置，通过这样的方式使得当频率突然改变时在这两个频率之间的改变不产生相位中断。这是该类型调制（频率位移键控（FSK），其被用于HART装置中）的基本特征。

现场装置，诸如压力表、流量表、以及其它换能器常常使用4到20 mA电流信号来表示测量的量，也被称作为过程信号。该过程信号通常具有从DC到若干Hz（29 Hz，依据HART通信基础标准）的低的带宽。电流信号流经电流回路，且主装置（host device）通过感测跨电流回路中的电阻器的电压来测量电流信号。该电阻器常常被称作为R_感测。

智能现场装置还可采用带有频率位移键控（FSK）的侧通道来传达另外的信息到主装置。FSK调制信号被添加到过程信号且可在主装置中被解调。类似地，主装置可传达FSK调制信号到现场装置，但主装置调制应用到电流回路的端子电压。重要的是，主装置不干扰从现场装置流经电流回路的实质地DC过程信号。现场装置和主以这种方式交替地进行传送，一个使用电流调制且另一个使用电压调制。

依据HART标准，低阻抗装置（电流输入）需要具有230到600欧姆的阻抗，且该阻抗在扩展的频带中应当保持至3 dB以内的平坦。安全系统和其它的实践已经确定对于低阻抗装置的最大可允许DC负荷（burden）。典型地，基于常规250欧姆负荷（或负载）和20毫安培电流信号，常规最大值可以为5伏特。在由主装置将端子电压耦合到电流回路中时必须要考虑该负载电阻。

当前，存在使用AC耦合或DC耦合的若干技术，用于将端子电压信号从主装置耦合到低阻抗网络（诸如电流回路）中。AC耦合技术采用并联变压器、串联变压器、或电容器耦合。DC耦合技术采用晶体管或电压控制的电压源。

参考图1，例如，一个用于AC耦合的技术使用变压器115，变压器115并联耦合到主装置100B中的负载电阻器121。变压器115耦合输出信号V1。依据该技术，主装置100B必须包括开关125，用来在不传送FSK调制信号到现场装置100A时将分路（shunt）阻抗断开连接。在没有开关125的情况下，通过变压器115反映的电压源120的阻抗将对250欧姆负载阻抗进行分路。正如以上所指出的，HART标准要求负载阻抗要不少于230欧姆。由开关125引入的模态行为（modal behavior）是不合乎期望的中断以及电压瞬变的源头。另外，变压器相对于其余的主装置I/O电路是物理上大的。变压器的尺寸和成本使得变压器耦合的使用是不合乎期望的。

图2示出另一用于AC耦合的技术，其使用与主装置200B中的负载电阻器221串联的变压器215。在图2中，电流从现场装置200A流到主装置200B。主装置200B采用电压源220。类似于图1中所示的手段，该技术由于变压器215的尺寸和成本而不合乎期望。

图3示出另一用于AC耦合的技术，其使用电容器315a和315b来从主装置300B注入信号V1 320。该技术中所使用的电容性耦合引起在连接到电流回路时的不合乎期望的电压瞬变。瞬变在每次主装置300B传送到现场装置300A时发生。而且，电流回路不被允许在现场装置300A进行传送时具有低的阻抗。因此，该手段要求开关325来隔离电容器315a和315b以及电压源320。

图4示出一种用于DC耦合的技术，其中晶体管缓冲器被用在主装置400B中。在图4中，电流从现场装置400A流到主装置400B。在主装置400B中，大值电容器425还与电压源420进行串联连接。该布置中的电容性耦合创建了从现场布线到主装置400B中的AC接地路径，因而引起了从现场布线传入主装置的不合乎期望的电流回路。

图5示出另一用于DC耦合的技术，其中电压控制的电压源缓冲器525被用在主装置500B中。在图5中，电流从现场装置500A流到主装置500B。主装置500B采用电压源520。电压控制的电压源缓冲器525添加到电阻器R_感测的电压负荷，导致了不合乎期望的高电压负荷。

发明内容

在至少一个实施例中，本公开提供了一种用于将调制的电压信号耦合到主装置和现场装置之间的电流回路上的系统。所述系统能够包括电路和阻抗桥。所述电路配置成使来自所述现场装置的电流在输入电路的两个端子之间流动，其中所述两个端子被包括在所述主装置的电流回路中。所述阻抗桥定位在所述两个端子之间，且配置成调制阻抗以将由所述现场装置产生的现场回路中的电流转变成端子电压调制，而不将DC电压负荷引入到所述电流。

在至少另一实施例中，本公开提供了一种用于将调制的电压信号耦合到主装置和现场装置之间的电流回路上的方法，所述方法包括：使来自所述现场装置的电流在输入电路的两个端子之间流动，其中所述两个端子被包括在所述主装置中的电流回路中；以及调制阻抗，以将回路电流转变成端子电压调制，而不将DC电压负荷引入到所述电流。

各种实施例的进一步的特征和优势以及结构和操作在下面参考附图来详细被描述。注意，本公开不限制于本文中所描述的具体实施例。本文中所呈现的此类实施例只是为了说明性的目的。基于本文中所含有的教导，另外的实施例将对相关领域中的技术人员是显而易见的。

附图说明

说明性实施例可采取各种组件以及组件的布置形式。说明性实施例被示出在附图中，附图中各处类似的引用标号可指示各图中对应或类似的部分。图只是用于示出优选实施例的目的，且不是要被直译为对本公开进行限制。鉴于图中的以下使能性（enabling）描述，本公开的新颖方面应当变得对本领域中的普通技术人员是明显的。

图1示出用于使用与主装置的负载电阻器并联耦合的变压器来耦合主装置和现场装置的常规布置。

图2示出用于使用与主装置的负载电阻器串联耦合的变压器来耦合主装置和现场装置的另一常规布置。

图3示出用于使用与主装置的负载电阻器并联耦合的AC耦合电容来耦合主装置和现场装置的另一常规布置。

图4示出用于使用串联晶体管缓冲器连同电容器来耦合主装置和现场装置的另一常规布置。

图5示出用于使用与主装置的负载电阻器串联耦合的电压控制的电压源缓冲器来耦合主装置和现场装置的另一常规布置。

图6示出依据一说明性实施例的、用于使用可变阻抗桥来耦合主装置和现场装置的布置。

图7详细示出依据一说明性实施例的、可被用在图6的布置中的可变阻抗桥的示例。

图8示出依据一说明性实施例的、用于将调制的电压信号耦合到主装置和现场装置之间的电流回路上的方法。

具体实施方式

尽管说明性实施例在本文中被描述用于特定应用，但应当被理解的是，本公开不被限制于此。可得到本文中所提供的教导的本领域中那些技术人员将认识到在所提供的教导的范畴之内的另外修改、应用、和实施例，以及本文中所描述的设计和技术在其中将具有显著效用的另外领域。

图6示出依据一说明性实施例的、用于使用可变阻抗桥来耦合调制的电压信号到电流回路的布置。依据该实施例，使用带有可变阻抗的阻抗桥（在图6中被表示为电压控制的电阻器（VCR）625），以便于将调制的端子电压从主装置600B的电压源620耦合到带有可变阻抗的电流回路中。桥的输出阻抗是可变的，使得其可通过针对由现场装置600A产生的回路电流起作用（work）来调制回路电压。向V1端子中看的桥输入阻抗可适度地高，以防止从现场装置布线传到主装置中的电流路径或接地回路。

尽管为了说明的简化而没有示出在图6中，但本领域中的那些技术人员将理解和领会到来自电压源620的端子电压可如何使用例如HART调制器采用正弦信号来被调制。依据说明性实施例，调制的电压信号然后经由可变阻抗桥被耦合到电流回路，以用于传送到现场装置。

图7示出依据一说明性实施例的、可被用于图6中所示的布置中的阻抗桥的详细实现。依据该实施例，阻抗桥由两个垂直支路（leg）组成，在图7中表示为左支路710和右支路720。阻抗桥还包括连接所述支路的中部的误差放大器730以及由主装置700的V1参考电压源750所控制的电流源740。

左支路710具有低的阻抗，其由R1和Q1 FET组成。依据一说明性实施例，Q1 FET以三极管（或线性）模式进行操作。电阻器R1被用来设置DC电阻且可双重作为R_感测元件。R_感测可可选择地实现在阻抗桥的外部，在电流回路中与阻抗桥串联连接。

相比较于左支路710，右支路720具有高几个数量级的阻抗。右支路720由电阻器R2、R3、以及R6所提供的电阻和由电容器C2所提供的电容组成。

依据一说明性实施例，阻抗桥具有从现场装置（未示出）向端子705a和705b中看的可变阻抗。R3。DC处的阻抗是电阻性的，且由R1、R2、R3的值来设置。HART带中的阻抗能够是不同的值，其是由R1、R2、R3以及还有与R3并联出现的C2和R6的值来设置的。另外，电流源被提供用于将电压源信号从电流回路解耦。电流源对HART带中的阻抗进行变化。阻抗中的变化（信号）针对DC现场回路电流起作用，以将阻抗调制转变成端子电压调制。而且，提供了无开关的、非模态操作。这在下面进一步详细地被描述。

再参考图7，经由输入端子705a接收的来自现场装置的电流（其从4 mA到20 mA）流经所述两个支路710和720，并经由输出端子705b返回到现场装置。HART频率参考电流Iref从电流信号源740流出并经由运算放大器A2返回到源公共点（common）。电流源740确保主装置700的电压信号源750从电流回路的电压域被解耦。

误差放大器A1控制Q1 FET电阻，以维持比例Q1：R1等于R2：R3。因而，向端子705a和705b中看的DC处电阻是：

依据一说明性实施例，从DC到HART的可变阻抗受电容器C1和C2以及电阻器值控制。在感兴趣的频率中，其中C2变为AC 短路（short），R3和R6并联组合且输入电阻变为：

其中Rth=R3 II R6。

桥的阻抗具有两个重要的性质：在现场回路中较低的DC负荷，但在FSK带中较高的阻抗。较低的DC负荷要求来自现场装置更少的顺从电压（compliance voltage）。主装置是电流输入装置。主装置消耗5伏特或更少，以便于不超过负荷的5伏特常规最大值。正如以上所解释的，在FSK带中，阻抗被要求是最小值230欧姆，以符合HART要求。

较高和较低频率（FSK带宽）能够由C1和C2独立控制。这些值可被选择来提供在感兴趣的带中相对平坦的特性。扩展频带中阻抗平坦性是HART规范的要求。

为了从电流回路缓冲由电压源750产生的DC参考电压，信号参考电压V1被FET Q2转变成电流源。电流提供了将电流回路的电压域从主装置电压参考750解耦的重要特征。电流被运算放大器A2和电阻器R9转变回为电压。该电压被误差放大器A1加总到端子电压中，从而控制Q1 FET的电阻。没有信号电流进入现场回路。代替的是，它通过A2返回到信号生成器V1的电源。

为了达到非模态操作，FSK参考（其是V1的AC部分）“被停放”，而V1的DC部分或偏电流总是被开启。当主装置700需要开始FSK传送时，其简单地将AC部分添加到一直存在的DC部分（通过去除DC切换，没有瞬变被引入）。

应当被领会到的是，图7中所示阻抗桥中的组件的布置和选择不是被约束的，且阻抗桥可包括不同的组件来达到相同的效果。例如，代替FET，其它类型的晶体管可被使用。而且，光耦合器可被用来替代电流源晶体管Q2。光耦合器电路可要求较少的运算放大器。然而，使用光耦合器，电流传递比例可不是同样好控制的，或可比图7中所示安排具有更大的变化。

应当领会到的是，阻抗桥也可被用于其它目的。该桥有效地拷贝跨R2到Q1的电压。R2和R3能够被电容器或任何其它电路元件（带有阻抗Z2和Z3）所替代，且该桥可尝试将Z2：Z3的电压比例复制到Q1：R1支路中。例如，大值电容器能够从右支路中的小值电容器来在左支路中被仿真。作为备选的是，带有有限电流容量的电压参考能够被拷贝成带有更高电流容量的电压源。

依据说明性实施例，使用可变阻抗桥来耦合调制的电压信号到电流回路避免了传统变压器手段的成本与尺寸。它还避免了当使用电容性耦合或变压器耦合时由开关关闭或打开所引起的电压瞬变。另外，依据说明性实施例，线性的和无开关的（非模态）操作被达到。

以上所描述的阻抗桥耦合布置的进一步优势包括减小了尺寸、成本、以及调制的电压信号到现场电流回路耦合的复杂性。尺寸上的这种减小使得在I/O电路板上获得更小的脚印（footprint）是可能的。而且，在调制器调制解调器开启期间，在低阻抗和小瞬变之间不存在要求的折衷。

依据说明性实施例，与常规手段的变压器和大值电容器不同的是，阻抗桥可采用分立的组件来实现或可被实现在专用IC中。

图8示出依据一说明性实施例的方法。应当被理解的是，所示出方法的步骤或其它交互作用不是必须以任何特定顺序来被呈现的，且以备选顺序来进行的一些或所有的步骤的执行是可能的且是被预期的。为了便于描述和说明，步骤已经以所展现的顺序来被呈现。在不偏离附带权利要求的范畴的情况下，步骤能够同时被执行、省略、和/或添加。还应当被理解的是，该方法能够在任何时间被结束。

参考图8，方法800在步骤810开始于将从现场装置流出的电流跨主装置的端子，例如在主装置700的端子705a和705b之间进行流动。在步骤820，由主装置700供应的调制的电压信号经由阻抗桥（诸如图7中示出的那个）被耦合到电流回路，使得由主装置700呈现到电流回路的阻抗通过针对由现场装置产生的现场回路中的电流起作用来随调制的电压信号的耦合而变化，以将阻抗调制转变成端子电压调制，而不引入电压负荷到所述电流。

特别地，根据前面的教导，将仍然被本公开所包围的备选实施例、示例、以及修改可被本领域中的那些技术人员所做出。进一步地，应当被理解的是，用来描述本公开的术语旨在具有描述的文字的性质（而不是限制的）。

本领域中的那些技术人员还将领会到以上所描述的优选和备选实施例的各种改编和修改能够在不偏离本公开的范畴和精神的情况下被配置。因此，要被理解的是，在附带权利要求的范畴之内，本公开可不同于如本文中所具体描述的来被实践。