JP4765824B2 - Ａ／ｄ変換装置及びプログラマブルコントローラシステム - Google Patents

Description

本発明は、Ａ／Ｄコンバータを備えて入力電圧のＡ／Ｄ変換処理を行うＡ／Ｄ変換装置，及びそのＡ／Ｄ変換装置を備えた入力モジュールを含んで構成されるプログラマブルコントローラシステムに関する。

例えば、プログラマブルコントローラシステムにおいては、流量計や圧力センサ，温度センサなどの各種センサによって出力されるセンサ信号をＡ／Ｄ変換してシステム制御に利用するため、Ａ／Ｄコンバータを備えたアナログ入力モジュールを使用する。このような場合、アナログ入力モジュールが変換対象とする電圧信号のレンジは、センサの種類に応じて様々であるため、その様々な入力レンジに対応するに当たり、Ａ／Ｄ変換の分解能をどのように設定すべきかが問題となる。

一般に、Ａ／Ｄコンバータでは分解能と変換速度とがトレードオフの関係にあり、分解能が高くなるほど変換速度は遅く、分解能が低くなれば変換速度は速くなる。従って、コストを限定した上で変換速度を優先させると分解能が低いＡ／Ｄコンバータを選択せざるを得ず、分解能を優先させると高速で高価なＡ／Ｄコンバータを選択することになり、コストアップしてしまう。
また、例えば、特許文献１には、積分型Ａ／Ｄコンバータに類似した原理を適用することで、１つのボリュームによって１つのアナログタイマの設定を広範囲で可変するようにしたプログラマブルコントローラが開示されている。
特開平７−１９９７９７号公報

特許文献１の構成はアナログタイマの構成に特化したものであり、タイマ動作を開始させた時点から、積分回路の出力電圧が所定レベルまで低下したことを比較判定するコンパレータの閾値電圧を、ボリュームによって調整するようになっている。従って、特許文献１の構成を、Ａ／Ｄコンバータにおける分解能と変換速度とのトレードオフの問題を解消することを目的としては、直ちに適用することはできない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、Ａ／Ｄコンバータの分解能と変換速度とのトレードオフ問題を解消することができるＡ／Ｄ変換装置，及びそのＡ／Ｄ変換装置を備えた入力モジュールを含んで構成されるプログラマブルコントローラシステムを提供することにある。

請求項１記載のＡ／Ｄ変換装置によれば、基準電圧回路によって生成した基準電圧を、Ａ／Ｄコンバータの基準電圧入力端子及び変換基準信号入力端子に対して共通に与える。また、アナログ入力電圧を増幅してＡ／Ｄコンバータの変換信号入力端子に出力する増幅回路に与える比較電圧を調整可能にすると共に、増幅回路の増幅率も調整可能とする。そして、Ａ／Ｄコンバータは、変換信号入力端子に与えられる電圧と、変換基準信号入力端子に与えられる基準電圧との差分をＡ／Ｄ変換する。
斯様に構成すれば、Ａ／Ｄコンバータに入力されるアナログ電圧のレンジが様々に異なる場合でも、増幅回路に与える比較電圧並びに増幅率を調整することで、最終的にＡ／Ｄコンバータの変換信号入力端子に出力される電圧のレンジが、基準電圧と０Ｖとの間に収まるように調整することができる。
そして、Ａ／Ｄコンバータは、変換信号入力端子に与えられる電圧と基準電圧との差分をＡ／Ｄ変換するので、常に０Ｖ〜基準電圧の間が最大レンジとなる。従って、変換速度が高速で分解能が比較的低いＡ／Ｄコンバータを使用しても、アナログ入力電圧が、０Ｖ〜基準電圧のレンジ内に納まるように調整してＡ／Ｄ変換することが可能となるので、分解能を相対的に向上させることができる。

請求項２記載のＡ／Ｄ変換装置によれば、反転増幅回路の増幅率をＧ，比較電圧をＶＣ，アナログ入力電圧の最大値をＶＨ，同最小値をＶＬ，基準電圧をＶＲとすると、
Ｇ＝ＶＲ／（ＶＨ−ＶＬ）
ＶＣ＝ＶＨ／（１＋１／Ｇ）
上記の条件を満たすように増幅率Ｇ，比較電圧ＶＣを設定する。斯様に設定すると、アナログ入力電圧のレンジＶＨ−ＶＬが様々に変化しても、反転増幅回路の出力電圧は、常に０Ｖ〜基準電圧のレンジに納まるように調整されるので、Ａ／Ｄ変換レンジが常に一定となるように調整することができる。

請求項３記載のプログラマブルコントローラシステムによれば、アナログ入力モジュールに、請求項１又は２記載のＡ／Ｄ変換装置と、比較電圧設定手段による比較電圧の設定及び増幅率調整手段による増幅率の調整を制御する制御回路とを備える。そして、プログラマブルコントローラは、ユーザにより与えられる設定情報に基づいて、上記制御回路に比較電圧の設定情報及び増幅率の調整情報を送信し、制御回路は、プログラマブルコントローラによって送信された情報に基づき、比較電圧の設定及び増幅率の調整を行なう。
即ち、ユーザは、アナログ入力モジュールが変換対象とする電圧のレンジが判っていれば、プログラマブルコントローラに設定情報を与えて増幅回路の増幅率と比較電圧とを自動的に設定することができる。従って、アナログ入力モジュールが複数ある場合でも、それらが備える増幅回路の設定を容易に行うことが可能となる。

以下、本発明のＡ／Ｄ変換装置を、プログラマブルコントローラシステムに使用されるアナログ入力モジュールに適用した場合の一実施例について図面を参照して説明する。図３は、プログラマブルコントローラシステムの概略構成を示す機能ブロック図である。プログラマブルコントローラシステムは、マスターＰＣ（プログラマブルコントローラ）１と、アナログ入力モジュール（Ａ／Ｄ変換装置）２を含む図示しないその他のモジュールとを、バス３を介して相互に通信可能となるように接続して構成されている。
そして、マスターＰＣ１は、予めユーザにより作成され、ロードされた制御プログラムに基づいて各モジュールに対して制御指令を出力し、それらの制御を行うようになっている。

アナログ入力モジュール２は、アナログ入力部４，入力切替部５，入力増幅部６，Ａ／Ｄコンバータ７，基準電圧生成部８，マイクロコントローラ（マイコン，制御回路）９，バス通信部１０などで構成されている。アナログ入力部４は、例えば、流量計や圧力センサ，温度センサなどの各種センサの信号が入力されるポートである。入力切替部５は、アナログ入力部４に入力される複数のアナログ電圧を切り替えて、入力増幅部６に出力するためのマルチプレクサである。その入力切替は、マイコン９によって制御される。

入力増幅部６は、入力切替部５を介して与えられたアナログ電圧を増幅して、Ａ／Ｄコンバータ７に出力する。入力増幅部６に対しては、基準電圧生成部８より増幅用の比較電圧が与えられると共に、マイコン９によって増幅率が調整されるようになっている。Ａ／Ｄコンバータ７によりＡ／Ｄ変換された電圧データは、マイコン９に出力される。マイコン９は、バス通信部１０を介してマスターＰＣ１と通信を行うようになっており、マスターＰＣ１より与えられる制御指令に応じて基準電圧生成部８を制御したり、入力増幅部６の増幅率を調整する。また、マイコン９は、Ａ／Ｄコンバータ７より出力された電圧データを、マスターＰＣ１に送信するようになっている。

図１は、アナログ入力モジュール２の構成をより詳細に示すものである。入力増幅部６は、オペアンプ１１によって反転増幅回路を構成しており、オペアンプ１１の反転入力端子と出力端子との間には、抵抗値Ｒの抵抗素子１２が接続されている。また、反転入力端子は、切換えスイッチ１３の可動接点ｃに接続されており、切換えスイッチ１３の固定接点ａ，ｂには、抵抗値が夫々２Ｒ，Ｒの抵抗素子１４，１５が接続されている。そして、抵抗素子１４，１５の一端側には、入力切替部５（図１では図示せず）を介してアナログ入力電圧が与えられる。尚、切換えスイッチ１３並びに抵抗素子１４，１５は、増幅率調整回路（増幅率調整手段）１６を構成している。

また、オペアンプ１１の非反転入力端子には、基準電圧生成部８によって比較電圧が可変設定されるようになっている。基準電圧生成部８は、基準電圧出力回路（基準電圧回路）１７，比較電圧生成回路１８及び１９，切換えスイッチ２０で構成されている。尚、比較電圧生成回路１８及び１９，切換えスイッチ２０は、比較電圧設定回路（比較電圧設定手段）２１を構成している。

基準電圧出力回路１７は、例えば５．０Ｖの基準電圧を生成して、Ａ／Ｄコンバータ７の基準電圧入力端子並びにアナログ入力端子（１）に出力するようになっている。比較電圧生成回路１８及び１９は、基準電圧出力回路１７からの基準電圧を受けて夫々３．３３Ｖ，２．５Ｖの比較電圧を生成し、切換えスイッチ２０の固定接点ａ，ｂに出力する。また、固定接点ｃには、５．０Ｖの基準電圧がそのまま比較電圧として与えられている。

そして、切換えスイッチ２０の可動接点ｄは、オペアンプ１１の非反転入力端子に接続されている。マイコン９は、マスターＰＣ１の制御指令に応じて切換えスイッチ１３，１８の切換え制御を行うようになっている。即ち、切換えスイッチ１３の可動接点ｃを固定接点ａ，ｂ側に夫々切り替えると、反転増幅回路の増幅率は、０．５倍，１．０倍に切替わる。また、切換えスイッチ１８の可動接点ｄを、固定接点ａ，ｂ，ｃ側に夫々切り替えると、オペアンプ１１の非反転入力端子には、比較電圧３．３３Ｖ，２．５Ｖ，５．０Ｖが設定される。
オペアンプ１１の出力端子は、Ａ／Ｄコンバータ７のアナログ入力端子（２）に接続されている。そして、Ａ／Ｄコンバータ７は、アナログ入力端子（２）に与えられる電圧と、アナログ入力端子（１）に与えられる基準電圧との差電圧を、例えば１６ビットでＡ／Ｄ変換してマイコン９に出力する。

次に、本実施例の作用について図２も参照して説明する。本実施例では、アナログ入力部４に入力されるアナログ電圧のレンジとして、（１）０Ｖ〜１０Ｖ，（２）０Ｖ〜５Ｖ，（３）５Ｖ〜１０Ｖの３種類を想定している。その３種類のレンジに対応して、入力増幅部６の増幅率と比較電圧とを切換え設定する。即ち、ユーザは、検出対象となるセンサ等の種類に応じて、入力電圧のレンジがどれ位になるのかは事前に把握できるので、システムを起動した際に、マスターＰＣ１がアナログ入力モジュール２に対して設定情報を送信するようにプログラミングしておく。
すると、アナログ入力モジュール２のマイコン９は、上記設定情報を受信して、入力切替部５によりＡ／Ｄ変換対象とするアナログ入力電圧を選択するのに応じて、入力増幅部６に設定する比較電圧並びに増幅率を切り替えるように制御する。

（１）アナログ入力電圧レンジ：０Ｖ〜１０Ｖ
この場合、マイコン９は、比較電圧：３．３３Ｖ，増幅率：０．５に設定する。すると、アナログ入力電圧が１０Ｖの場合、入力増幅部６の出力電圧は約５．０Ｖとなり、アナログ入力電圧が０Ｖの場合、入力増幅部６の出力電圧は約０Ｖとなる。従って、図２（ａ）に示すように、０Ｖ〜１０Ｖのレンジに対して、１６ビット：０〜６５５３５段階のデータでＡ／Ｄ変換することになる。

（２）アナログ入力電圧レンジ：０Ｖ〜５Ｖ
この場合、マイコン９は、比較電圧：２．５Ｖ，増幅率：１．０に設定する。すると、アナログ入力電圧が５Ｖの場合、入力増幅部６の出力電圧は５．０Ｖとなり、アナログ入力電圧が０Ｖの場合、入力増幅部６の出力電圧は０Ｖとなる。従って、図２（ａ）に示すように、０Ｖ〜５Ｖのレンジに対して、１６ビットデータでＡ／Ｄ変換することになる。

（３）アナログ入力電圧レンジ：５Ｖ〜１０Ｖ
この場合、マイコン９は、比較電圧：５．０Ｖ，増幅率：１．０に設定する。すると、アナログ入力電圧が１０Ｖの場合、入力増幅部６の出力電圧は５．０Ｖとなり、アナログ入力電圧が５Ｖの場合、入力増幅部６の出力電圧は０Ｖとなる。従って、図２（ｂ）に示すように、５Ｖ〜１０Ｖのレンジに対して、１６ビットデータでＡ／Ｄ変換することになる。

即ち、上記の増幅率をＧ，比較電圧をＶＣ，アナログ入力電圧の最大値をＶＨ，同最小値をＶＬ，基準電圧をＶＲとすると、入力増幅部６の入出力電圧の関係は、
ＶＣ−（ＶＨ−ＶＣ）×Ｇ＝０ ・・・（１）
ＶＣ−（ＶＬ−ＶＣ）×Ｇ＝ＶＲ ・・・（２）
となっている。そして、上記（１），（２）式より
Ｇ＝ＶＲ／（ＶＨ−ＶＬ） ・・・（３）
ＶＣ＝ＶＨ／（１＋１／Ｇ） ・・・（４）
（３），（４）式が得られる。即ち、上記３パターンのアナログ入力電圧レンジに対する増幅率Ｇ，比較電圧ＶＣの設定は（３），（４）式の関係を満たしている。このように設定することで、アナログ入力電圧のレンジが様々に変化するとしても、入力増幅部６の出力電圧は０Ｖ〜ＶＲの範囲内に収まるように調整される。

以上のように本実施例によれば、基準電圧出力回路１７によって生成した基準電圧を、Ａ／Ｄコンバータ７の基準電圧入力端子及アナログ入力端子（１）に共通に与え、入力増幅部６に与える比較電圧を調整可能にすると共にその増幅率も調整可能として、Ａ／Ｄコンバータ７は、アナログ入力端子（２）に与えられる入力増幅部６の出力電圧と、アナログ入力端子（１）に与えられる基準電圧との差分をＡ／Ｄ変換する。
従って、アナログ入力部４を介し入力されるアナログ電圧のレンジが様々に異なる場合に、変換速度が高速で分解能が比較的低いＡ／Ｄコンバータ７を使用しても、アナログ入力電圧が、０Ｖ〜基準電圧のレンジ内に納まるように調整してＡ／Ｄ変換することが可能となるので、分解能を相対的に向上させることができる。

そして、具体的には、増幅率Ｇ，比較電圧ＶＣが（３），（４）式の関係を満たすように調整するので、アナログ入力電圧のレンジＶＨ−ＶＬが様々に変化しても、入力増幅部６の出力電圧が常に０Ｖ〜基準電圧のレンジに納まるように調整して、Ａ／Ｄ変換レンジが常に一定となるように調整できる。
また、アナログ入力モジュール２にマイコン９を備え、マスターＰＣ１は、ユーザにより与えられる設定情報に基づいて、マイコン９に比較電圧の設定情報及び増幅率の調整情報を送信し、マイコン９は、送信された情報に基づき、比較電圧の設定及び増幅率の調整を行なうようにした。従って、アナログ入力モジュール２が複数ある場合でも、それらが備える増幅回路の設定を容易に行うことが可能となる。

本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
アナログ入力電圧のレンジや基準電圧ＶＲの値は、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
Ａ／Ｄコンバータの変換ビット数は、１６ビットに限ることなく、８ビットや１２ビット，或いは２０ビット以上であっても良い。
増幅率の切換えを３段階以上、比較電圧の切換えを２段階，若しくは４段階以上行っても良い。
アナログ入力モジュールは、１つのシステムに複数存在しても良い。
プログラマブルコントローラシステムに使用されるアナログ入力モジュールに適用するものに限らず、アナログ入力電圧のレンジが様々に変化することが想定される場合にＡ／Ｄ変換を行う装置であれば適用が可能である。

本発明を、プログラマブルコントローラシステムに適用した場合の一実施例であり、アナログ入力モジュールの詳細構成を示す図 アナログ入力電圧のレンジに応じた、入力増幅部の増幅率及び比較電圧の切り替え状態を説明する図 プログラマブルコントローラシステムの概略構成を示す機能ブロック図

符号の説明

図面中、１はマスターＰＣ（プログラマブルコントローラ）、２はアナログ入力モジュール（Ａ／Ｄ変換装置）、６は入力増幅部（反転増幅回路）、７はＡ／Ｄコンバータ、８は基準電圧生成部、９はマイクロコントローラ（制御回路）、１６は増幅率調整回路（増幅率調整手段）、１７は基準電圧出力回路（基準電圧回路）、２１は比較電圧設定回路（比較電圧設定手段）を示す。

Claims (3)

1. Ａ／Ｄコンバータと、
   このＡ／Ｄコンバータの基準電圧入力端子及び変換基準信号入力端子に、共通の基準電圧を与える基準電圧回路と、
   アナログ入力電圧を増幅して、前記Ａ／Ｄコンバータの変換信号入力端子に出力する増幅回路と、
   この増幅回路に与える比較電圧を、前記基準電圧以下の範囲で調整して出力可能に構成される比較電圧設定手段と、
   前記増幅回路の増幅率を調整する増幅率調整手段とを備え、
   前記Ａ／Ｄコンバータは、前記変換信号入力端子に与えられる電圧と、前記変換基準信号入力端子に与えられる基準電圧との差分をＡ／Ｄ変換することを特徴とするＡ／Ｄ変換装置。
2. 前記増幅回路を反転増幅回路として構成する場合、前記増幅率をＧ，前記比較電圧をＶＣ，前記アナログ入力電圧の最大値をＶＨ，同最小値をＶＬ，前記基準電圧をＶＲとすると、
   前記増幅率Ｇ，前記比較電圧ＶＣを、
   Ｇ＝ＶＲ／（ＶＨ−ＶＬ）
   ＶＣ＝ＶＨ／（１＋１／Ｇ）
   となるように設定することを特徴とする請求項１記載のＡ／Ｄ変換装置。
3. 請求項１又は２記載のＡ／Ｄ変換装置と、前記比較電圧設定手段による前記比較電圧の設定及び前記増幅率調整手段による前記増幅率の調整を制御する制御回路とを備えて構成される１つ以上のアナログ入力モジュールと、
   このアナログ入力モジュールを含む複数のモジュールと通信用バスを介して接続され、各モジュールに制御指令を送信するプログラマブルコントローラとで構成されるプログラマブルコントローラシステムにおいて、
   前記プログラマブルコントローラは、ユーザにより与えられる設定情報に基づいて、前記アナログ入力モジュールの制御回路に前記比較電圧の設定情報及び前記増幅率の調整情報を送信し、
   前記制御回路は、前記プログラマブルコントローラによって送信された情報に基づき、前記比較電圧の設定及び前記増幅率の調整を行なうことを特徴とするプログラマブルコントローラシステム。
   
   

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