SE469732B - ANALOG ADAPTER UNIT - Google Patents

Description

469 732 2 Redan förekommer på marknaden modulariserade AI/AO-enheter, vilka integrerar flera av nämnda funktioner i en och samma modul, dock inte alla ovan uppräknade på en och samma gång. Med stöd av bilagda beskriv- ning redovisas i det följande en AI/AO-modul som gör anspråk på att ha samtliga ovan nämnda funktioner tillgängliga och integrerade i en och samma modul. 469 732 2 Modularized AI / AO units already exist on the market, which integrate all of the above functions into one and the same module, but not all of the above listed at one and the same time. With the support of the attached description, an AI / AO module is reported in the following, which claims to have all the above-mentioned functions available and integrated in one and the same module.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen i föreliggande beskrivning utgör en anordning för anpass- ning av analoga insignaler eller utsignaler och som i sig uppvisar funktion- erna val mellan nyttjande som analog in- eller utmatningsenhet, val mel- lan funktion som ström- eller spänningsinmatningsenhet med i senare fallet valbart spänningsomrâde samt val mellan funktion som ström- eller spänningsutmatningsenhet. Dessutom är anordningen försedd med över- strömsskydd och överspänningsskydd samt kretsar för övervakning av ström- och spänningsvärden vid utgången. Sist nämnda övervakning realiseras genom att ström- och spänningsvärden återmatas och jämförs med förväntningsvärden Anordningens skyddsfunktion tillåter obegränsad felkoppling vid ström- och spänningsförhållanden inom applikationsområdet. Samtliga dessa uppräknade funktioner är inrymda inom en och samma elektroniska enhet, vilket uppnås genom en långtgående integrering av ingående komponenter i ett fåtal integrerade kretsar. Val av funktionsmod åstad- kommes genom en enkel programmering.DESCRIPTION OF THE INVENTION The invention in the present description constitutes a device for adapting analog input signals or output signals and which in itself has the functions choice between use as an analog input or output unit, choice between function as current or voltage input unit with in later case selectable voltage range and choice between function as current or voltage output unit. In addition, the device is equipped with overcurrent protection and overvoltage protection as well as circuits for monitoring current and voltage values at the output. The latter monitoring is realized by returning current and voltage values and comparing them with expected values. The protection function of the device allows unlimited fault connection at current and voltage conditions within the application area. All these listed functions are housed within one and the same electronic unit, which is achieved by a far-reaching integration of constituent components in a few integrated circuits. Selection of function mode is achieved through simple programming.

Den beskrivna anordningen utgör en del av ett komplett AI/AO-interface, dvs delen mellan anslutning till yttre givare/ ställdon och A/ D- resp D/ A- omvandlare. Ett sådant interface kan innefatta även A/ D- och D/ A- omvandlare beroende på användningsområde. Ett interface av nämnt slag kan användas som exempel i processdatorsystem. I detta fall utnyttjas en anordning enligt beskrivningen för analog signalanpassning i en analog anpassningsenhet mellan A/ D resp. D/ A-enheter i interfacet och transducers eller motsvarande i en övervakad process.The described device forms part of a complete AI / AO interface, ie the part between connection to external sensor / actuator and A / D or D / A converter. Such an interface may also include A / D and D / A converters depending on the area of use. An interface of the kind mentioned can be used as an example in process computer systems. In this case, a device as described is used for analog signal matching in an analog matching unit between A / D resp. D / A devices in the interface and transducers or equivalent in a monitored process.

Huvudkännetecknen för AI/AO-enheten enligt uppfinningen kan sammanfattas som att - samma anordning kan användas som antingen analog inenhet eller analog utenhet, - samma anordning kan användas för samtliga tänkbara spänningar inom applikationsområdet, - att anordningen har olika typer av skydds- och övervakningsfunktioner och 3 469 732 - att funktionsmod väljes genom en operativ inställning som programmerar anordningen med avseende på funktioner.The main characteristics of the AI / AO unit according to the invention can be summarized as: - the same device can be used as either analog unit or analog output unit, - the same device can be used for all possible voltages within the application area, - that the device has different types of protection and monitoring functions and 3 469 732 - that the function mode is selected by an operational setting that programs the device with respect to functions.

Vid användning av anordningen som en analog utenhet är följande funktioner möjliga att utnyttja var för sig. -analog spänningsutmatning, -analog strömutmatning.When using the device as an analog output unit, the following functions can be used separately. -analog voltage output, -analog current output.

Vid användning av anordningen som en AI-enhet är olika analoga insignalmoder definierade. - olika områden för analog spänningsinmatning, -analog ströminmatning.When using the device as an AI unit, various analog input signal modes are defined. - different areas for analog voltage input, - analog current input.

Anpassningsenheten innefattar styrkretsar och kretsar för skyddsfunktioner samt kretsar för nämnda övervakningar. Dessa kretsar är integrerade på en, två eller ett fåtal integrerade kretsar av typ Application Specified Integrated Circuits, så kallade ASIC-kretsar, eller motsvarande . På detta sätt kan samt- liga komponenter integreras i ASIC-kretsar utan att fria komponenter behö- ver utnyttjas i AI/AO-enheten i de allra flesta tillämpningar.The adaptation unit comprises control circuits and circuits for protection functions as well as circuits for said monitoring. These circuits are integrated in one, two or a few integrated circuits of the type Application Specified Integrated Circuits, so-called ASIC circuits, or equivalent. In this way, all components can be integrated in ASIC circuits without the need to use free components in the AI / AO unit in the most fl most applications.

Enheten kan programmeras för sina funktioner från en överordnad elekt- ronisk enhet genom att select-signaler och tröskelvärden för spänningar och strömmar inställer AI/AO-enheten att verka enligt avsedd funktion.The unit can be programmed for its functions from a higher-level electronic unit by selecting signals and threshold values for voltages and currents setting the AI / AO unit to operate according to the intended function.

En AI/AO-enhet enligt uppfinningen underlättar väsentligt exempelvis konstruktion, installation och service av elektroniska system där analoga anpassningsenheter utnyttjas. En enda typ av I/ O-enhet uppfyller ford- ringarna för de allra flesta förekommande fall av analog signalanpassning.An AI / AO unit according to the invention significantly facilitates, for example, the design, installation and service of electronic systems where analog adaptation units are used. A single type of I / O device meets the requirements for the vast majority of cases of analog signal matching.

Detta innebär exempelvis att vid installation i ett processkontrollsystem är det icke nödvändigt att i förväg känna till fördelningen mellan AI-kanaler och AO-kanaler eller dessas spänningsnivåer, vilket medför stora bespa- ringar och tidsvinster. Skyddsfunktionerna applicerade i enheten har dess- utom en ekonomisk betydelse såtillvida att programmerbarheten förlänger individuella AI- eller AO-enheters medellivslängd, eftersom olika former av ingrepp i dessa blir överflödiga.This means, for example, that when installing in a process control system, it is not necessary to know in advance the distribution between AI channels and AO channels or their voltage levels, which entails large savings and time savings. The protection functions applied in the unit are also of economic importance in that the programmability extends the average lifespan of individual AI or AO units, as various forms of intervention in these become superfluous.

En tillämpning av en analog anpassningsenhet enligt uppfinningen, minia- tyriserad och integrerad på beskrivet sätt utgör dess användning i ett pro- cesskontrollsystem.Den långtgående integreringen av anpassningsenheten möjliggör framställning av enkanaliga analoga anpassningsenheter inrymda i små moduler. Dessa analoga anpassningsmoduler gör det möjligt att distribuera anpassningsenheterna närmare yttre elektriska organ i en process, varvid kommunikation mellan anpassningsmodulen och en övervakningsenhet, exempelvis en dator, sker via en databuss. Moduler av nämnt slag kan vara monterade på standard monteringsprofiler, där kommunikationen med övervakningsenheten sker via ledande banor 469 732 4 förlagda i eller till monteringsprofilen. I en sådan användning blir det överflödigt med enligt tidigare känd teknik flerkanaliga processanpassningskort samlade i centralt placerade skåp.An application of an analog adapter according to the invention, miniaturized and integrated in the manner described, constitutes its use in a process control system. The far-reaching integration of the adapter enables the production of single-channel analog adapters housed in small modules. These analog adaptation modules make it possible to distribute the adaptation units closer to external electrical means in a process, whereby communication between the adaptation module and a monitoring unit, for example a computer, takes place via a data bus. Modules of the type mentioned can be mounted on standard mounting profiles, where the communication with the monitoring unit takes place via conductive paths 469 732 4 located in or to the mounting profile. In such a use, it becomes superfluous with prior art with multi-channel process adaptation cards collected in centrally located cabinets.

Miniatyriseringen av AI/AO-enheten skapar också möjlighet att placera denna närmare givare eller ställdon eller till och med inuti dessa.The miniaturization of the AI / AO unit also creates the possibility of placing it closer to sensors or actuators or even inside them.

FIGURBESKRIVN IN G Figur 1 återger ett systemschema över en AI/AO-enhet enligt bilagda beskrivning.DESCRIPTION OF THE FIGURES Figure 1 shows a system diagram of an AI / AO unit according to the appended description.

Figur 2 åskådliggör hur en anpassningsenhet enligt uppfinningen kan vara realiserad på två ASIC-kretsar och uppbygger ett AI/AO-interface.Figure 2 illustrates how an adaptation unit according to the invention can be realized on two ASIC circuits and builds an AI / AO interface.

Figur 3a och 3b åskådliggör anslutningen av yttre organ till ett AI/AO- interface som inrymmer en anpassningsenhet enligt uppfinningen.Figures 3a and 3b illustrate the connection of external means to an AI / AO interface which houses an adaptation unit according to the invention.

Figur 4 redovisar ett schema över funktionen hos AI/AO-enheten vid spänningsinmatning i ett lägre spänningsområde.Figure 4 shows a diagram of the function of the AI / AO unit during voltage input in a lower voltage range.

Figur 5 beskriver funktionen hos AI/AO-enheten vid spänningsinmatning i ett högre spänningsområde.Figure 5 describes the function of the AI / AO unit when voltage is input in a higher voltage range.

Figur 6 återger AI/AO-enhetens funktion vid analog strörninmatning.Figure 6 shows the function of the AI / AO unit for analogue power input.

Figur 7 visar AI/AO-enhetens funktion vid analog spänningsutrnatning.Figure 7 shows the function of the AI / AO unit in analog voltage exhaust.

Figur 8 visar AI/AO-enhetens funktion vid analog strömutrnatning.Figure 8 shows the function of the AI / AO unit in analog power output.

Figur 9 visar ett fullständigt blockshema över AI/AO-enheten, där denna realiserats i två IC-kretsar med A/ D- och/ eller D / A-omvandlare integrerad i en av dessa kretsar.Figure 9 shows a complete block diagram of the AI / AO unit, where this has been realized in two IC circuits with A / D and / or D / A converters integrated in one of these circuits.

Figur 10 beskriver uppbyggnaden hos en skyddskrets kallad VDDPmt.Figure 10 describes the structure of a protection circuit called VDDPmt.

Figur 11 beskriver uppbyggnaden hos en skyddskrets kallad I/Opmfecfion.Figure 11 describes the structure of a protection circuit called I / Opmfec fi on.

UTFÖRANDEFQRMER I det följande redovisas med stöd av bilagda figurer ett exempel på ett föredraget utförande av en AI/AO-enhet med kännetecken enligt patentkrav.EMBODIMENTS In the following, an example of a preferred embodiment of an AI / AO unit with features according to claims is presented with the aid of the appended figures.

Som framgår av av figur 1 realiseras AI/AO-enheten i ett långtgående integrerat utförande. AI/AO-enheten är utförd som minst en ASIC-krets, 5 469 732 varpå samtliga komponenter och i figuren visade funktionsblock integrerats.As can be seen from Figure 1, the AI / AO unit is realized in a far-reaching integrated embodiment. The AI / AO unit is designed as at least one ASIC circuit, 5,469,732 on which all components and function blocks shown in the figure are integrated.

AI/AO-enheten har tre anslutningar vid utgången. Dessa är jord GND, in- och utsignalanslutning I/ O för anslutning till yttre organ samt en anslutning för en yttre spänningskälla VDD. _ Såsom visas i figur 2 kan AI/AO-enheten AI/AO vara utförd som två integrerade kretsar IC1, IC2, varav dessa även kan innefatta AD- resp DA- omvandlare, vilket som exempel förutsätts och illustreras fortsättningsvis.The AI / AO unit has three connections at the output. These are earth GND, input and output signal connection I / O for connection to external means and a connection for an external voltage source VDD. As shown in Figure 2, the AI / AO unit AI / AO can be designed as two integrated circuits IC1, IC2, of which these can also comprise AD and DA converters, respectively, which is assumed and illustrated further by way of example.

De båda integrerade kretsarna IC1, IC2 utbildar därvid tillsammans ett fullständigt AI/AO-interface. Båda kretsarna IC1, IC2 är utförda som ASIC- kretsar, vilket ger AI/AO-interfacet mycket små dimensioner. För att åstad- komma ett interface av angivet slag är det naturligtvis ej nödvändigt att integrera de olika funktionsblocken på det sätt som framgår av denna be- skrivning. Funktionsblock som redovisas tillhörande den första integrerade kretsen IC1 i denna beskrivning kan alternativt integreras i den andra integrerade kretsen IC2. Vidare är det möjligt att integrera samtliga i AI/AO- interfacet ingående kretsar i en enda ASIC-krets om detta är önskvärt.The two integrated circuits IC1, IC2 together form a complete AI / AO interface. Both circuits IC1, IC2 are designed as ASIC circuits, which gives the AI / AO interface very small dimensions. Of course, in order to achieve an interface of the specified type, it is not necessary to integrate the various function blocks in the manner shown in this description. Function blocks reported belonging to the first integrated circuit IC1 in this description can alternatively be integrated in the second integrated circuit IC2. Furthermore, it is possible to integrate all circuits included in the AI / AO interface into a single ASIC circuit if this is desired.

AI/AO-enheten enligt uppfinningen har till uppgift att fungera som en signalanpassningsenhet mellan AD- resp DA-omvandlare och yttre anslut- na elektriska organ. AI/AO-enheten har dessutom som funktion att skydda de interna kretsarna mot överbelastningar om en felaktig spännings- eller strömkälla ansluts till AI/AO-enhetens uttag I/O, VDD. I analog inmatningsmod AI effektförsörjes AI/AO-enheten via inre kretsar. En yttre spänningskälla Vext effektförsörjer däremot AI/AO-enheten via VDD- uttaget i analog utmatningsmod.The AI / AO unit according to the invention has the task of functioning as a signal matching unit between AD and DA converters and externally connected electrical means. The AI / AO unit also has the function of protecting the internal circuits against overloads if an incorrect voltage or current source is connected to the AI / AO unit's I / O, VDD socket. In analog input mode AI, the AI / AO unit is supplied with power via internal circuits. An external voltage source, Vext, on the other hand, supplies power to the AI / AO unit via the VDD socket in analog output mode.

All form av kommunikation med AI/AO-enheten från/ till en dator eller annat elektriskt organ för övervakning, mätning, styrning osv. ombesörjs via AI/AO-enhetens ingång. Vid denna ingång är i figur 1 åskådliggjort en Digital/Analog-omvandlare DA vilken matar AI/AO-enheten med analoga signaler. På motsvarande sätt är även vid ingången visad en Analog/ Digital-omvandlare AD, vilken från AI/AO-enheten mottar analoga signaler. Båda dessa omvandlare AD, DA kan utgöra en integrerad del av AI/ AO-enheten.All forms of communication with the AI / AO unit from / to a computer or other electrical device for monitoring, measurement, control, etc. is provided via the input of the AI / AO unit. At this input, Figure 1 shows a Digital / Analog converter DA which supplies the AI / AO unit with analog signals. Correspondingly, an analog / digital converter AD is also shown at the input, which receives analog signals from the AI / AO unit. Both of these converters AD, DA can form an integral part of the AI / AO unit.

För val av AI/AO-enhetens arbetssätt och funktionsmod förekommer dessutom vid ingången till AI/AO-enheten en anslutning för modval MOD. Nämnda modvalanslutning MOD är i AI/AO-enheten förbunden med tre stycken elektroniska brytare S1, S2, S3. Beroende på val av funk- tionsmod ställs dessa brytare i olika lägen, så att de visade funktionsblocken nyttiggörs på olika sätt.For selection of the AI / AO unit's mode of operation and mode of operation, there is also a connection for mode selection mode at the entrance to the AI / AO unit. Said mode selection connection MOD is connected in the AI / AO unit to three electronic switches S1, S2, S3. Depending on the choice of function mode, these switches are set in different positions, so that the function blocks shown are utilized in different ways.

De olika funktionsmoderna redovisas i det följande med stöd av bilagda figurer. I figurerna har för redogörelsen av de olika funktionsmodernas verkningssätt redovisats endast de för respektive funktionsmod relevanta funktionsblocken. Det avgörande valet för bestämning av AI/AO-enhetens arbetssätt är om denna ska arbeta som AI- eller AO-enhet. Detta val liksom val av de olika funktionsmoderna verkställs genom en operativ inställning 469 732 6 av AI/AO-enheten, vilken innebär en programmering av AI/AO-enhetens arbetssätt. Anordningen, dvs AI/AO-enheten, beskrivs inledningsvis i sin tillämpning som AI-enhet. Enheten kan i denna tillämpning drivas i olika moder beroende på externt valbara inställningar. De olika moderna är i det beskrivna utföringsexemplet a) arbetsområde för ingångsspänningar för yttre anslutna organ -V1 < Vin < V1 b) arbetsområde för ingångsspänningar för yttre anslutna organ -V2 < Vin < V2 c) arbetsområde för ingångsströmmar för yttre anslutna organ -I1 < Iin < 11 I ett föredraget utförande uppgår V1 till 1,2 V , V2 till 12 V och I1 till 22 mA.The different modes of operation are presented in the following with the support of the accompanying figures. In the figures, only the functional blocks relevant to each mode of operation have been reported for the description of the modes of operation of the various modes of operation. The decisive choice for determining the AI / AO unit's working method is whether it should work as an AI or AO unit. This selection as well as the selection of the different operating modes is carried out through an operational setting 469 732 6 of the AI / AO unit, which involves a programming of the working mode of the AI / AO unit. The device, ie the AI / AO unit, is initially described in its application as an AI unit. In this application, the unit can be operated in different modes depending on externally selectable settings. The different modes are in the described embodiment a) working range for input voltages for external connected devices -V1 <Vin <V1 b) working range for input voltages for external connected devices -V2 <Vin <V2 c) working range for input currents for external connected devices -I1 < Iin <11 In a preferred embodiment, V1 amounts to 1.2 V, V2 to 12 V and I1 to 22 mA.

AI/AO-enheten i AI-mod enligt uppfinningen arbetar som fig. 3a visar. Ur figuren framgår att ett yttre anslutet elektriskt organ som exempelvis en transducer kopplas mellan I/ O-anslutningen och jord. Iorduttaget på AI- enheten kan jordas. VDD-uttaget utnyttjas ej i AI-mod.The AI / AO unit in AI mode according to the invention operates as Fig. 3a shows. The figure shows that an externally connected electrical device such as a transducer is connected between the I / O connection and earth. The word socket on the AI unit can be earthed. The VDD socket is not used in AI mode.

När AI-enheten arbetar i funktionsmod enligt a är de elektroniska brytarna S1 - S3 ställda så att enheten utnyttjar funktionerna enligt figur 4. En signal- spänning med ett absolutbelopp hos spänningen Ua, som i utföringsexemp- let är mindre än V1, matas in via uttaget I/ O och vidare in till en Analog/ Digitalomvandlare AD i den första integrerade kretsen IC1. En resistor Rs är nödvändig för att skydda funktionsblock i den första integrerade kretsen IC1 för överströmmar. Den andra integrerade kretsen IC2 med block för skydds- funktioner utnyttjas ej i denna mod om resistom Rs förutsättes befintlig utanför AI/AO-enheten. Nämnda resistor kan eventuellt vara integrerad i någon av AI/AO-enhetens integrerade kretsar IC1, IC2 som tidigare exemplifierats.When the AI unit operates in operating mode according to a, the electronic switches S1 - S3 are set so that the unit utilizes the functions according to figure 4. A signal voltage with an absolute amount of the voltage Ua, which in the exemplary embodiment is less than V1, is input via the I / O socket and further into an Analog / Digital converter AD in the first integrated circuit IC1. A resistor Rs is necessary to protect function blocks in the first integrated current IC1 circuit. The second integrated circuit IC2 with block for protection functions is not used in this mode if the resistor Rs is assumed to exist outside the AI / AO unit. Said resistor may optionally be integrated in one of the integrated circuits IC1, IC2 of the AI / AO unit as previously exemplified.

Med AI/AO-enheten arbetande i funktionsmod b, fortfarande som AI- enhet, är funktionssättet så som visas i figur 5. En analog signalspänning med ett absolutbelopp hos spänningen Ub, som i utföringsexemplet är mindre än V2, matas in via uttaget I/O. En precisionsspänningsdelare med resistorema Rdl och Rd2 används för att nedbringa spänningen som påläggs AD- omvandlaren i den första integrerade kretsen IC1 till ett absolut värde motsvarande spänningsbeloppet Ua, nämnt ovan. Resistorerna skyddas för att motstå påfrestningar i till exempel industriella miljöer med spänningstransienter genom att högvoltskondensatorer C1, C2 kopplas parallellt med respektive resistor Rdl, Rd2. Varistorer kan ersätta konden- satorerna om så önskas. Den andra integrerade kretsen IC2 utnyttjas ej heller i denna mod. Resistorema Rdl, Rd2 och kondensatorerna C1, C2 förutsättes befintliga utanför AI/AO-enheten, men kan även de integreras i denna. Kondensatorerna Cl, CZ kan uteslutas i de flesta tillämpningar där transientskydd anses överflödigt. 469 752 För den tredje alternativa funktionsmoden för AI/AO-enheten arbetande som AI-enhet åskådliggörs verkningssättet i figur 6. I denna mod verkar AI/AO-enheten som en AI-enhet för signaler med strömstyrkor med ett absolutvärde upp till, i utföringsexemplet, 11. Den inmatade analoga signa- len föres via uttaget I/O till ett funktionsblock I/Oprotection innefattad i den andra integrerade kretsen IC2. Detta funktionsblock I/ OPI-Qfecfion är anordnat att fungera som skydd mot överströmmar. Den imnatade ström- signalen förs vidare till en shuntesistor Rshunt, över vilken en spänning med ett absolutvärde mindre än värdet Ua alstras. Den alstrade spärmings- signalen över shuntresistorn Rshunt matas till en differentialförstärkare DIFFAMP, vilken kan vara belägen i den andra integrerade kretsen IC2 eller den första integrerade kretsen ICI. Signalen ut från differentialförstärkaren matas sedan vidare till en analog/ digitalomvandlare AD i den första integrerade kretsen IC1. Shuntresistorn Rshunt är lämligen integrerad i den andra integrerade kretsen IC2, alternativt i den första integrerade kretsen IC1. Som nämnts måste skydd mot överströmmar vara inrättat. Härvid är shuntresistorn Rshunt skyddad mot överspänning genom att funktions- blocket I/ Opmfecfion kopplar bort I/ O-anslutningen när överspänning detekteras vid I/O-uttaget, exempelvis vid spänningar med absolutvärden överstigande V1+ , där spänningen V1+ något överstiger ovan nämnda värde V1, Genom programmering av AI/AO-enheten externt, så att de tre brytarna S1- 53 i denna ställs om kan AI/AO-enheten fås att arbeta som en analog utenhet, dvs som en ren AO-enhet. Denna AO-enhet kan härvid arbeta i tvâ olika funktionsmoder. Dessa funktionsmoder är i utföringsexemplet d) analog spänningsutmatning med spänning V-OUT inom området OV < V-OUT < V3 och e) analog strömutmatning med ström I-OUT inom området 0 mA < I-OUT < I2 I ett föredraget utförande av anordningen uppgår värdet V3 till 10 V, medan strömmen 12 kan uppnå värdet 20 mA. i Ett AI/AO-interface med en AO-enhet enligt uppfinningen arbetar som fig. 3b visar. Ur figuren framgår att ett yttre anslutet elektriskt organ som exem- pelvis en transducer kopplas mellan I/O-anslutningen och jord. Iorduttaget på AI-enheten kan jordas. En yttre spänningskälla Vext anslutes mellan VDD-uttaget och jord för effektförsörjning av AI/AO-enheten.With the AI / AO unit operating in function mode b, still as AI unit, the mode of operation is as shown in Figure 5. An analog signal voltage with an absolute amount of the voltage Ub, which in the exemplary embodiment is less than V2, is input via the socket I / O. A precision voltage divider with resistors Rd1 and Rd2 is used to reduce the voltage applied to the AD converter in the first integrated circuit IC1 to an absolute value corresponding to the voltage amount Ua, mentioned above. The resistors are protected to withstand stresses in, for example, industrial environments with voltage transients by connecting high-voltage capacitors C1, C2 in parallel with the respective resistors Rd1, Rd2. Varistors can replace the capacitors if desired. The second integrated circuit IC2 is also not used in this mode. The resistors Rd1, Rd2 and the capacitors C1, C2 are assumed to exist outside the AI / AO unit, but they can also be integrated in this. Capacitors C1, CZ can be excluded in most applications where transient protection is considered redundant. 469 752 For the third alternative mode of operation of the AI / AO unit operating as an AI unit, the mode of operation is illustrated in Figure 6. In this mode, the AI / AO unit acts as an AI unit for signals with currents of absolute value up to, in the exemplary embodiment , 11. The input analog signal is fed via the I / O socket to a function block I / Oprotection included in the second integrated circuit IC2. This function block I / OPI-Qfecfion is designed to act as protection against overcurrents. The attenuated current signal is passed to a shunt resistor Rshunt, over which a voltage with an absolute value less than the value Ua is generated. The generated bias signal across the shunt resistor Rshunt is fed to a differential amplifier DIFFAMP, which may be located in the second integrated circuit IC2 or the first integrated circuit ICI. The signal output from the differential amplifier is then fed to an analog / digital converter AD in the first integrated circuit IC1. The shunt resistor Rshunt is suitably integrated in the second integrated circuit IC2, alternatively in the first integrated circuit IC1. As mentioned, flood protection must be in place. In this case, the shunt resistor Rshunt is protected against overvoltage by the I / O function block disconnecting the I / O connection when overvoltage is detected at the I / O socket, for example at voltages with absolute values exceeding V1 +, where the voltage V1 + slightly exceeds the above-mentioned value V1. By programming the AI / AO unit externally, so that the three switches S1-53 in this are switched, the AI / AO unit can be made to work as an analog output unit, ie as a pure AO unit. This AO unit can operate in two different operating modes. These operating modes are in the exemplary embodiment d) analog voltage output with voltage V-OUT in the range OV <V-OUT <V3 and e) analog current output with current I-OUT in the range 0 mA <I-OUT <I2 In a preferred embodiment of the device, the value V3 to 10 V, while the current 12 can reach the value 20 mA. An AI / AO interface with an AO unit according to the invention operates as Fig. 3b shows. The figure shows that an external connected electrical device, such as a transducer, is connected between the I / O connection and earth. The word socket on the AI unit can be grounded. An external voltage source Vext is connected between the VDD socket and earth for power supply of the AI / AO unit.

I moden analog spänningsutmatning enligt d och åskådliggjord i figur 7 förs en digital signal in till en digital/ analog-omvandlare DA, belägen i den första integrerade kretsen IC1, varifrån signalen förs vidare i analog form till en operationsförstärkare, vilken arbetar som spänningsförstärkare VA.In the mode analog voltage output according to d and illustrated in Figure 7, a digital signal is input to a digital / analog converter DA, located in the first integrated circuit IC1, from where the signal is passed on in analog form to an operational amplifier, which operates as a voltage amplifier VA.

Spänningsförstärkaren VA effektförsörjes av en extern spänningskälla Vext, som nämnts. Den analoga signalen förs vidare till en skyddskrets 469 732 8 I/Opmtecfion, från vars utgång signalen matar AO-enhetens utgång I/ O.The voltage amplifier VA is supplied with power by an external voltage source Vext, as mentioned. The analog signal is passed to a protection circuit 469 732 8 I / Opmtec fi on, from the output of which the signal supplies the IO output of the AO unit.

Den tidigare utnyttjade spänningsdelaren med resistorerna Rdl och Rd2 tillsammans med dessas parallellkapacitanser C1, C2 ligger inkopplad mellan närrmda utgång I/ O hos AO-enheten och jord. Från denna spän- ningsdelare sker en spänningsåtermatning till spänningsförstärkaren VA.The previously used voltage divider with the resistors Rd1 and Rd2 together with their parallel capacitances C1, C2 is connected between the approximate output I / O of the AO unit and ground. From this voltage divider a voltage is fed back to the voltage amplifier VA.

Digital/ analog-omvandlaren DA genererar spänning inom intervallet OV till V3 / n. Denna spänning förstärks n gånger i spänningsförstärkaren VA.The digital / analog converter DA generates voltage within the range OV to V3 / n. This voltage is amplified n times in the voltage amplifier VA.

Spänningsförstärkningen n uppgår exempelvis till 10. Skyddskretsen I/ Opmtecfion skyddar utgången på spänningsförstärkaren VA mot över- spänningar. AO-enheten stängs när spänningen V1 /0 vid utgången I/ O överskrider V1+ volt. Detta åstadkommes genom att inmatad spänning V- IN till spänningsförstärkaren VA jämförs med den återmatade spänningen till denna. Skyddskretsen I/Opmfecfign och spänningsförstärkaren VA är integrerade i den andra integrerade kretsen IC2. Skyddskretsen I/ OPI-Qfecfion spänningsförsörjes från den första integrerade kretsen IC1.The voltage gain n amounts to, for example, 10. The protection circuit I / Opmtec fi on protects the output of the voltage amplifier VA against overvoltages. The AO unit closes when the voltage V1 / 0 at the I / O output exceeds V1 + volts. This is achieved by comparing the input voltage V-IN to the voltage amplifier VA with the supplied voltage to it. The protection circuit I / Opmfec fi gn and the voltage amplifier VA are integrated in the second integrated circuit IC2. The protection circuit I / OPI-Qfec fi on is supplied with voltage from the first integrated circuit IC1.

I den andra alternativa utmatningsmoden e med strömutmatning visad i figur 8 förs en digital spänningssignal in till en digital/ analog-omvandlare DA, belägen i den första integrerade kretsen IC1, varifrån signalen förs vidare i analog form som ingångssignal V-lN till en spänning/ström- omvandlare VCC, varifrån en analog strömsignal I-OUT påföres skydds- kretsen I/Oprofectign. Från denna skyddskrets matas därefter strömsignalen I-OUT över utgången I/O hos AI/AO-enheten. Den digitala spänningssigna- len omvandlas till en strömsignal med en strömstyrka inom intervallet O mA - 12 mA. I utföringsexemplet bortkopplas utgången om spänningen vid denna överstiger V2+. Även i funktionsmod e matas spänningsförstärkaren VA med effekt från en yttre spänningskälla Vext.In the second alternative output mode e with current output shown in Fig. 8, a digital voltage signal is input to a digital / analog converter DA, located in the first integrated circuit IC1, from where the signal is passed on in analog form as input signal V-1N to a voltage / current converter VCC, from which an analog current signal I-OUT is applied to the protection circuit I / Oprofectign. From this protection circuit, the current signal I-OUT is then supplied across the I / O output of the AI / AO unit. The digital voltage signal is converted into a current signal with a current in the range 0 mA - 12 mA. In the exemplary embodiment, the output is disconnected if the voltage at this exceeds V2 +. Also in function mode e, the voltage amplifier VA is supplied with power from an external voltage source Vext.

Spänning/ström-omvandlaren VCC och skyddskretsen VA är integrerade i en av de ASIC-kretsar IC1, IC2 som bygger upp AI/AO-enheten.The voltage / current converter VCC and the protection circuit VA are integrated in one of the ASIC circuits IC1, IC2 which make up the AI / AO unit.

Figur 9 återger ett mer detaljerat kretsschema över uppbyggnaden och funk- tionen hos en AI/AO-enhet enligt beskrivningen av utföringsexemplet. Det är av vikt att så många funktioner som möjligt är integrerade i ett och sam- ma elektroniska chip, men inget hindrar att vissa detaljer, som till exempel en eller flera av de diskreta komponenterna för någon funktion placeras utanför nämnda chip.Figure 9 shows a more detailed circuit diagram of the structure and function of an AI / AO unit as described in the exemplary embodiment. It is important that as many functions as possible are integrated in one and the same electronic chip, but there is nothing to prevent certain details, such as one or more of the discrete components for any function, from being placed outside the said chip.

I det följande beskrivs funktionen hos några av ovan nämnda funktions- block mer i detalj. Naturligtvis kan dessa realiseras på olika sätt. Här ges endast en lösning till ett förverkligande av respektive funktion.In the following, the function of some of the above-mentioned function blocks is described in more detail. Of course, these can be realized in different ways. Here, only one solution is given to the realization of each function.

I AO-mod är spänningsförstärkaren VA och spänning/ström-omvandlaren VCC effektförsörjda medelst en extern spänningskälla Vext via en anslut- ning för yttre spänningskälla VDD. Denna anslutning VDD skall bortkopp- las när eller om spänningen vid denna anslutning VDD överstiger ett före- slaget värde 32 V. Detta kan åstadkommas påföljande sätt 1) Spänningsdelaren Rd3, Rd4 används för att avkänna VDD-spänningen och avger signalen VDD-V som är relaterad till VDD-spänningen. 469 732 2) När en överspänningsdetektor VDDI i den första integrerade kretsen IC1 detekterar en nämnd överspänning via signalen VDD-V aktiveras en signal VDD-OFF. 3) Spänningen hos signalen VDD-OFF konverteras till en erforderlig spänning i en nivåskiftare LS. 4) En andra skyddskrets VDDPmf kopplar bort anslutningen för yttre spänningskälla VDD om ingångsignalen VDD-OFF är aktiverad.In AO mode, the voltage amplifier VA and the voltage / current converter VCC are supplied with power by means of an external voltage source Vext via a connection for external voltage source VDD. This connection VDD must be disconnected when or if the voltage at this connection VDD exceeds a proposed value 32 V. This can be achieved in the following way 1) The voltage divider Rd3, Rd4 is used to sense the VDD voltage and emits the signal VDD-V which is related to the CEO voltage. 469 732 2) When an overvoltage detector VDDI in the first integrated circuit IC1 detects a said overvoltage via the signal VDD-V, a signal VDD-OFF is activated. 3) The voltage of the signal VDD-OFF is converted to a required voltage in a level shifter LS. 4) A second protection circuit VDDPmf disconnects the connection for external voltage source VDD if the input signal VDD-OFF is activated.

Den andra skyddskretsen VDDPmt motstår minst 250 V växelspänning vid anslutningen för yttre spänningskälla VDD. Denna andra skyddskrets VDDPmt kan realiseras på en mångfald sätt. I figur 10 redogörs för ett utförande av denna krets. En yttre spänning påföres anslutningen VDD, förs över dioden D1 till en MOSFET-transistor M1 till utgången VDD-INT, vilken matar ovan nämnda kretsar med behov av extern spänningsmat- ning. Signalen VDD-V som tas ut från spänningsdelaren Rd3, Rd4 används som nämnts för avkänning av inmatad spänning vid AI/AO-enhetens uttag VDD. En andra MOSFET-transistor M2 stänger den första MOSFET- transistorn M1, när den ovan nämnda signalen VDD-OFF är aktiverad, vilken signal påföres styret på den andra MOSFET-transistorn M2 och stänger eller öppnar denna.The second protection circuit VDDPmt withstands at least 250 V AC at the connection of the external voltage source VDD. This second protection circuit VDDPmt can be realized in a variety of ways. Figure 10 shows an embodiment of this circuit. An external voltage is applied to the connection VDD, is transferred across the diode D1 to a MOSFET transistor M1 to the output VDD-INT, which supplies the above-mentioned circuits with the need for external voltage supply. The signal VDD-V taken from the voltage divider Rd3, Rd4 is used as mentioned for sensing the input voltage at the outlet VDD of the AI / AO unit. A second MOSFET transistor M2 turns off the first MOSFET transistor M1, when the above-mentioned signal VDD-OFF is activated, which signal is applied to the control of the second MOSFET transistor M2 and closes or opens it.

En spänningsomvandlare VC omvandlar den från den andra skyddds- kretsen VDDPmf erhållna spänningen till erforderliga spänningar innan dessa matas vidare till de kretsar som effektförsörjes från den externa spänningskällan.A voltage converter VC converts the voltage obtained from the second protection circuit VDDPmf to the required voltages before these are fed on to the circuits which are supplied with power from the external voltage source.

Spänníngsförstärkarblocket VA utgörs av en operationsförstärkare.The voltage amplifier block VA consists of an operational amplifier.

Spänningen V1/ 0 vid AI/AO-enhetens utgång återmatas i övervaknings- syfte via spänningsdelaren Rd1/Rd2. Den elektroniska brytaren S1 och skyddskretsen I/ Opmfecfion är inkluderade i den återmatningsslinga som utgår från spänningsförstärkarens VA utgång tillbaka till dennas ingång.The voltage V1 / 0 at the output of the AI / AO unit is fed back for monitoring purposes via the voltage divider Rd1 / Rd2. The electronic switch S1 and the protection circuit I / Opmfecfion are included in the feedback loop which starts from the output of the voltage amplifier VA back to its input.

Ett spänningsövervakningsblock OVS kontrollerar analoga utvärden. I moden med spänningsutmatning jämförs den verkliga utspänningen V1 /0 med utspänningen V-lN från digital/analog-omvandlaren DA. Om skill- naden övergår 0,1 V aktiveras en felsignal AO-fel. Blocket OVS effektför- sörjes medelst den externa spänningskällan Vext via VDD-terminalen.A voltage monitoring block OVS controls analog outputs. In the voltage output mode, the actual output voltage V1 / 0 is compared with the output voltage V-1N from the digital / analog converter DA. If the difference exceeds 0.1 V, an error signal AO error is activated. The OVS block is supplied with power via the external voltage source Vext via the VDD terminal.

Skyddskretsen I/OPI-otecfign har en inre uppbyggnad visad i figur 11. Denna krets skall bortkoppla I/O-terminalen när utspänningen från en multi- plexer MUX belägen i den första integrerade kretsen IC1 överstiger V1 +.The I / OPI-otec protection circuit has an internal structure shown in Figure 11. This circuit must disconnect the I / O terminal when the output voltage of a multiplexer MUX located in the first integrated circuit IC1 exceeds V1 +.

Detta kan åstadkommas med följande föredragna konfiguration 469 752 10 1) När ett andra spänningsövervakningsblock I/O-A i den första integrerade kretsen IC1 känner av en överspänning via insignalen I/ O-V aktiveras signalen I/ O-OFF. 2) Spänningen hos signalen IO-OFF överföres till en erforderlig spänning i nivåskiftaren LS. 3) Skyddskretsen I/ Opmfecfign kopplar bort I/ O-anslutningen när ingången I/ O-OFF är aktiverad.This can be achieved with the following preferred configuration 469 752 10) When a second voltage monitoring block I / O-A in the first integrated circuit IC1 senses an overvoltage via the input signal I / O-V, the signal I / O-OFF is activated. 2) The voltage of the signal IO-OFF is transmitted to a required voltage in the level shifter LS. 3) The protection circuit I / Opmfec fi gn disconnects the I / O connection when the I / O-OFF input is activated.

Skyddskretsen I/ OPI-Ofecfion motstår minst 250 V växelström genom lämpligt val av komponenter. Kretsen effektförsörjes dessutom internt.The I / OPI-Ofecfion protection circuit resists at least 250 V AC by appropriate component selection. The circuit is also powered internally.

I skyddskretsen I/ Oprofecfion ingår, såsom visats i figur 11, två MOSFET- transistorer M3 och M4. MOSFET M4 leder ström i riktning från terminalen I/O till terminalen I/ O-INT, medan MOSFET M3 leder ström i den motsatta riktningen. Detta beror på att skyddet mot överbelastningar måste vara bidi- rektionellt, eftersom både positiva och negativa strömmar är förekom- mande i moden analog strömingång. Diodema D4 och D5 blockerar spän- ningar som MOSFET-transistorerna M3, M4 på grund av sin unipolära konstruktion inte förmår blockera. Då skyddskretsen I/OPI-Ofecfion är till- slagen, dvs att den är lågimpediv, är signalen I/ O-OFF inaktiv och därmed switcharna T1 och T2 högímpediva. Styrspänningen på transistorn M3 antar värdet -Vic1, vilket i sin tur medför att transistorn M3 leder.The protection circuit I / Oprofecfion includes, as shown in Figure 11, two MOSFET transistors M3 and M4. MOSFET M4 conducts current in the direction from terminal I / O to terminal I / O-INT, while MOSFET M3 conducts current in the opposite direction. This is because the protection against overloads must be bidirectional, as both positive and negative currents are present in the mode analog current input. Diodes D4 and D5 block voltages that the MOSFET transistors M3, M4 are unable to block due to their unipolar construction. When the I / OPI-Ofecfion protection circuit is switched on, ie it is low-impedance, the I / O-OFF signal is inactive and thus the switches T1 and T2 are high-impedance. The control voltage on the transistor M3 assumes the value -Vic1, which in turn causes the transistor M3 to conduct.

Styrspänningen på transistorn M4 antar värdet +Vic1, vilket medför att även transistom M4 leder. Skyddet aktiveras och göres högimpedivt genom att signalen I/O-OFF är aktiverad. Härigenom blir switcharna T1 och T2 ledande ochsätter därmed styrspänningama för MOSFET-transistorema M3 och M4 till 0 Volt, varvid dessa transistorer M3, M4 göres högímpediva och spärrar terminalen I/ O. Dioderna D6-D11 utgör skydd mot transienter i kretsen.The control voltage on the transistor M4 assumes the value + Vic1, which means that the transistor M4 also conducts. The protection is activated and made high impedance by the signal I / O-OFF is activated. As a result, the switches T1 and T2 become conductive and thus set the control voltages of the MOSFET transistors M3 and M4 to 0 volts, whereby these transistors M3, M4 are made high-impedance and block the terminal I / O. The diodes D6-D11 provide protection against transients in the circuit.

En spänningsomvandlare ICIV omvandlar en spänning +V erhållen från den första integrerade kretsen IC1 till spänningar +Vic1, -Vicl för intern försörjning av kretsar i AI/AO-enheten.A voltage converter ICIV converts a voltage + V obtained from the first integrated circuit IC1 into voltages + Vic1, -Vicl for internal supply of circuits in the AI / AO unit.

En mod-kontrollenhet MC avger olika utsignaler, AO-V resp AO-C vid funktion som AO-enhet för spänningssignaler resp som AO-enhet för strömsignaler, samt AI-V1, A1V10 och AI-C vid funktionsmoderna a, b resp. c. Vid AI/AO-enhetens verkande som AI-enhet förs nämnda utsig- naler till en Multiplexer MUX för val av analog ingång VIN-VI, VlN-VZ eller en spänningsinmatning från differentialförstärkaren DIFFAMP, en spänning som är proportionell mot till AI-enheten inmatat strömvärde. m,A mode control unit MC emits different output signals, AO-V and AO-C when functioning as AO unit for voltage signals or as AO unit for current signals, and AI-V1, A1V10 and AI-C at function modes a, b and c. When the AI / AO unit is operating as an AI unit, said output signals are fed to a Multiplexer MUX for selection of analog input VIN-VI, VlN-VZ or a voltage input from the differential amplifier DIFFAMP, a voltage which is proportional to the AI- the device input current value. m,

Claims (10)

11 469 752 PATENTKRAV11,469,752 PATENT CLAIMS 1.1. 2. Anordning för analog insignal- eller utsignalanpassning innefattande funktionerna analog ingång (AI), analog utgång (AO), analog strömmatning, analog spänningsmatning samt skyddsfunktioner mot felaktig inkoppling resp felaktig belastning kännetecknad av att anordningen inordnar samtliga nämnda funktioner i endast en integrerad enhet innefattande en eller ett fåtal integrerade kretsarDevice for analog input signal or output signal adaptation comprising the functions analog input (AI), analog output (AO), analog current supply, analog voltage supply and protection functions against incorrect connection and incorrect load, characterized in that the device arranges all said functions in only one integrated unit comprising one or a few integrated circuits 3. (IC1, IC2), att anordningen innefattar en ingång/ utgång (I/O, GND) till vilken ett yttre organ (T) kan anslutas, samt att anordningen är avsedd att från en överordnad elektronisk enhet programmeras för - funktion som analog inenhet (AI) eller analog utenhet (AO) -spännings- eller strömmatning i avsikt att åstadkomma signalanpassning till det yttre organet (T).3. (IC1, IC2), that the device comprises an input / output (I / O, GND) to which an external means (T) can be connected, and that the device is intended to be programmed from a higher electronic unit for - function as analog unit (AI) or analog output unit (AO) voltage or current supply for the purpose of providing signal matching to the external means (T). 4. Anordning för analog insignal- eller utsignalanpassning enligt patentkrav 1 kännetecknad av att anordningen är avsedd att vid spänningsmatning programmeras för sitt spänningsintervall.Device for analog input signal or output signal adaptation according to Claim 1, characterized in that the device is intended to be programmed for its voltage range during voltage supply. 5. Anordning för analog insignal- eller utsignalanpassning enligt patentkrav 1 kännetecknad av att anordningens skyddsfunktioner realiserade i två skyddskretsar (VDDpl-Of, I/Oprofecfiøn ) blockerar yttre ingångar resp utgångar (VDD, I/O) vid otillåtna nivåer på matad ström eller spänning.Device for analog input signal or output signal adaptation according to Claim 1, characterized in that the protection functions of the device realized in two protection circuits (VDDpl-Of, I / Oprofec island) block external inputs and outputs (VDD, I / O) at impermissible levels of supplied current or voltage. . 6. Anordning för analog insignal- eller utsignalanpassning enligt patentkrav 2 eller 3 kännetecknad av att anordningen innefattar minst en ASIC-krets (IC1, IC2) eller motsvarande krets, vilken i integrerad kretsteknik inrymmer minst ett eller alla anordningens funktionsblock (VA, VC, VCC, OVS, Mux, S1 - S3, VDDPI-ot,Device for analog input signal or output signal adaptation according to claim 2 or 3, characterized in that the device comprises at least one ASIC circuit (IC1, IC2) or corresponding circuit, which in integrated circuit technology houses at least one or all of the device's function blocks (VA, VC, VCC , OVS, Mux, S1 - S3, VDDPI-ot, 7. I/ ÛProtection ).7. I / OProtection). 8. Anordning för analog insignal- eller utsignalanpassning enligt något av patentkraven 1 - 4 kännetecknad av att samtliga till anordningen hörande kretsar integrerats på en gemensam ASIC-krets eller motsvarande eller en hybridkrets.Device for analog input signal or output signal adaptation according to one of Claims 1 to 4, characterized in that all the circuits belonging to the device are integrated on a common ASIC circuit or equivalent or a hybrid circuit. 9. Anordning för analog insignal- eller utsignalanpassning enligt patentkrav något av patentkraven 1 - 5 kännetecknad av att anordningen är avsedd att användas för signalanpassning i processkontrollsystem. 469 732Device for analog input signal or output signal adaptation according to Claim one of Claims 1 to 5, characterized in that the device is intended to be used for signal adaptation in process control systems. 469 732 10. 12 Anordning för analog insignal- eller utsignalanpassning enligt något av patentkraven 1 - 6 kännetecknad av att anordningen är avsedd att innefattas i enkanaliga analoga anpassningsinterface inrymda i små moduler, vilka moduler kommunicerar direkt via en databuss med en övervakningsenhet, exempelvis en dator. Anordning för analog insignal- eller utsignalanpassning enligt patentkrav 7 kännetecknad av att modulerna är anordnade att monteras på monteringsprofiler av standardtyp för kommunikation med övervakningsenheten via ledande banor förlagda i eller till monteringsprofilen. Anordning för analog insignal- eller utsignalanpassning enligt något av patentkrav 1 - 9 kännetecknad av att anordningen i vald funktion som AO-enhet kan programmeras för funktionsmoderna spänningsutmatning eller strömutmatning samt att anordningen i vald funktion som AI-enhet kan programmeras för funktionsmoderna strömutmatning eller spänningsutmatning med programmerbart val av spänningsområde.Device for analog input signal or output signal adaptation according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the device is intended to be included in single-channel analog adaptation interfaces housed in small modules, which modules communicate directly via a data bus with a monitoring unit, for example a computer. Device for analog input signal or output signal adaptation according to claim 7, characterized in that the modules are arranged to be mounted on mounting profiles of standard type for communication with the monitoring unit via conductive paths located in or to the mounting profile. Device for analog input signal or output signal adaptation according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the device in the selected function as an AO unit can be programmed for the function modes voltage output or current output and that the device in the selected function as an AI unit can be programmed for the function modes current output or voltage output with programmable voltage range selection.