用于通信接口的电流环路电压调制器的制造方法
【专利摘要】提供用于通过通信接口进行通信的系统。集成电路包括用于监测在集成电路的两个端子之间流动的电流的电路。集成电路还包括电压驱动器电路，以用于调制集成电路的两个端子之间的电压。电压驱动器按照高速通道可寻址远程换能器协议来调制跨集成电路的两个端子的电压，以对数据进行编码。
【专利说明】用于通信接口的电流环路电压调制器
【背景技术】
[0001] 本文所公开的主题涉及通过电压调制和电流感测的通信。
[0002] 可编程逻辑控制器（PLC)、分布式控制系统（DCS)和配套设施（Β0Ρ)常常使用高速 通道可寻址远程换能器（HART)协议进行通信。因此，HART协议常常用于资产管理中。例 如，HART在发电厂中用来不断扫描装置并且采集操作数据。基于HART协议进行通信的接收 器装置要求在监测端子之间流动的环路电流的同时来调制两个端子之间的端电压的能力。 一般来说，HART通信装置使用变压器来施加电压，而不改变电流。但是，使用变压器对例如 在集成电路（例如专用集成电路（ASIC))中所实现的固态设计是不切实际的。对这类较大 的分立组件的依靠妨碍将HART协议实现到ASIC芯片的开关块上。
【发明内容】
[0003] 下面概述范围与最初要求保护的本发明相称的某些实施例。这些实施例不是意在 限制要求保护的本发明的范围，这些实施例而是仅预计提供本发明的可能形式的概述。实 际上，本发明可包含可与下面提出的实施例相似或不同的多种形式。
[0004] 在第一实施例中，集成电路包括配置成监测在集成电路的两个端子之间流动的电 流的电路。另外，集成电路包括电压驱动器（voltage driver)，其配置成调制跨集成电路的 两个端子之间的电压，同时保持在集成电路的两个端子之间流动的电流。电压驱动器按照 高速通道可寻址远程换能器（HART)协议来调制跨两个端子的电压。
[0005] -附加实施例包括一种系统，其中包括通过形成电流环路的导线电稱合在一起的 发射器和接收器。接收器包括一种ASIC，其包括：设计成监测流经电流环路的电路；以及电 压驱动器，设计成调制跨电流环路的两个端子的电压，同时保持流经电流环路的电流。发射 器通过调制流经电流环路的电流向接收器传递信息，以及接收器通过调制跨电流环路的两 个端子的电压向发射器传递信息。
[0006] 在一附加实施例中，电子电路包括电阻器，其设计成关于流经电流环路的电流来 形成跨其端子的电压。电流环路在电子电路与发射电路之间形成。电子电路还包括差分放 大器，其设计成关于电阻器所形成的电压来生成信号。将该信号传递给调制器-解调器（调 制解调器）和模数转换器（ADC)供处理。另外，电子电路包括电压驱动电路，其从调制解调 器接收信号，并且基于从调制解调器所接收的信号来调制跨电流环路的端子的电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 通过参照附图阅读以下详细描述，将会更好地了解本发明的这些及其它特征、方 面和优点，附图中，相似标号在附图中通篇表示相似部件，附图包括： 图1示出按照一实施例、与电流环路电耦合的HART发射器和HART接收器； 图2是示出按照一实施例、流经电流环路的电流以及跨电流环路的端子的电压的图 表； 图3示出按照一实施例、作为与电流感测电阻器串联的电压驱动器的HART接收器电路 的示例； 图4示出图3所示HART接收器电路的电路级简图；以及 图5示出按照一实施例、使用与电流感测电阻器并联的电压驱动器的HART接收器电路 的示例。
【具体实施方式】
[0008] 下面将描述本发明的一个或多个具体实施例。在提供这些实施例的简要描述的过 程中，本说明书中可能没有描述实际实现的所有特征。应当理解，在任何这种实际实现的开 发中，如同任何工程或设计项目中那样，必须进行许多实现特定的判定以便实现开发人员 的特定目标，例如符合系统相关和业务相关限制，这些限制可对每个实现而改变。此外，应 当理解，这种开发工作可能是复杂且费时的，但仍然是获益于本公开的技术人员进行的设 计、制作和制造的日常事务。
[0009] 在介绍本发明的各个实施例的元件时，限定词"一"、"一个"、"该"和"所述"预计 表示存在元件的一个或多个。术语"包含"、"包括"和"具有"预计包括在内，并且表示可存 在除了列示元件之外的附加元件。
[0010] 如下面更详细论述，本实施例涉及设计成通过高速通道可寻址远程换能器（HART) 协议进行通信的接收器的电路。为了进行通信，电压驱动器电路调制HART接收器的端电 压，同时电流感测电路监测在端子之间流动的环路电流。这样，电压驱动器电路保持HART 发射器所提供的电流值，同时根据需要改变信号的电压值。具有这些特性的电路又可称作 电流跟随器。在某些实施例中，HART接收器的电路由分立组件组成，而在其它实施例中，该 电路是集成电路（例如专用集成电路（ASIC))的组成部分。
[0011] 鉴于以上所述，描述例如图1所示的HART接收器电路的一实施例会是有用的。在 所示实施例中，HART发射器10电耦合到形成与HART接收器14的电流环路的电流环路导线 12。为了向HART接收器14发送信息，HART发射器10可利用HART通信协议。HART协议可 使用Bell 202频移键控（FSK)标准，从而改变电流信号的频率，以便将数字位调节入信号 中。电流信号可以是在4 mA至20 mA范围中的周期和正弦低带宽直流（DC)至25Hz信号。 由于HART协议是半双工的，所以仅HART发射器10可调制经过电流环路导线12的电流，或 者HART接收器14可在给定时间调制跨电流环路端子13的电压。
[0012] 由HART发射器10所调制的电流可流经电流环路导线12并且流经HART接收器14 的电流感测电阻器R1。在某些实施例中，电流感测电阻器R1可具有250 Ω的值，而在其它 实施例中，电流感测电阻器可具有其它适当的电阻值。当电流流经电流感测电阻器R1时， 电压偏置可在电流感测电阻器R1的任一侧形成。差分放大器16可具有电耦合于电流感测 电阻器R1的任一侧的两个输入，并且可设计成关于跨两个输入的电压偏置来生成电流信 号。当更大电流流经电流感测电阻器R1时，较大电压偏置跨任一侧形成，并且差分放大器 生成较大电流信号。由差分放大器16所生成的电流信号可传递给模数转换器（ADC) 18以 及HART调制器-解调器（调制解调器）20。ADC 18可将差分放大器16所产生的模拟电流 信号转换为数字信号，其可由通信逻辑电路22来解释。类似地，HART调制解调器20可对 电流信号所携带的信息进行解调，并且将信息传递给通信逻辑电路22。在所示实施例中， 电容器C1可在电流信号被传递给HART调制解调器20之前从电流信号中过滤DC分量。如 HART接收器14中的隔离块24所示，HART接收器14的电路提供HART接收器电路与通信逻 辑电路22之间的电隔离。
[0013] 除了对流经电流环路的电流进行解调之外，HART接收器14还可调制电流环路的 端电压，以便向HART发射器10传送信息。通信逻辑电路22可向HART调制解调器20发送 信息，以便转换为电压信号。求和电路26可接收电压信号，并且将其加入流经电流环路的 电流，以调制电流环路的端电压。应当注意，求和电路可加上电压信号，以调制电流环路的 端电压，但是流经电流环路的电流可以没有被HART接收器14电路改变。求和电路26又可 称作电压驱动器27。
[0014] 如上所述，为了使用HART协议进行通信，HART发射器10可调制流经电流环路的 电流，以及HART接收器14可调制跨电流环路的端子13的电压。图2是示出HART发射器 10与HART接收器14之间的通信中可存在的电流信号和电压信号的图表。第一波形40可 表示电流调制信号，以及第二波形42可表示电压调制信号。如所述和所示，第一波形40可 以是在4 mA至20 mA范围中的低带宽DC至25 Hz信号。可通过改变信号的频率，将信息 位编码为电流调制信号40。例如，为了对数字"1"进行编码，HART发射器10可将电流调制 信号40的频率设置为23 Hz，以及为了对数字"0"进行编码，HART发射器10可将信号的频 率设置为10 Hz。如所述，对信息位进行编码的这种方法称作频移键控（FSK)。
[0015] 按照同样的方式，HART接收器14可使用FSK在电压调制信号上对信息进行编码。 在所示实施例中，电压调制信号是采用要高许多的频率音调（500-1000 Hz)所调制的10 Hz 周期正弦。如能够看到，信号的调制频率进行改变，以将数字位编码为信号。在时间段44 期间，电压调制信号的频率可以较高（1000 Hz)，从而对数字"1"进行编码。在后一时间段 46中，频率可以较低（500 Hz)，从而对数字"0"进行编码。应当注意，其它频率可用来对数 字位进行编码，只要它们充分不同而足以由HART发射器10或HART接收器14的电路来区 分。HART发射器10可通过经过滤波器和解调器AC耦合端电压，来感测对数字信息进行编 码的音调。
[0016] 图3示出图1所示HART发射器14的电路的一备选实施例。如前面所述，由HART 发射器10所调制的电流可流经电流环路导线12并且流经电流感测电阻器R1。差分放大器 16可具有电耦合到电流感测电阻器R1的任一侧的两个输入，以关于跨电流感测电阻器R1 的电压偏置来生成输出信号。在图3的实施例中，由差分放大器16所生成的信号可在被传 递给ADC 18之前经过低通滤波器60。低通滤波器60可去除信号的交流（AC)分量，使得 ADC 18接收直流（DC)信号。
[0017] 如图1所示，HART接收器14可包括HART调制解调器20,以便对于从HART发射器 10所接收的信号进行解调，并且调制电流环路端子13的端电压。但是，图3的实施例的电 压驱动器27可包括晶体管62,以形成共集电极缓冲器。所示晶体管62是PNP双极结晶体 管（BJT)，但是其它实施例可包括NPN BJT、p型金属氧化物半导体（PM0S)晶体管或者η型 金属氧化物半导体（NM0S)晶体管。在回流线路64上可允许来自晶体管62的偏压，其中求 和电路26可提供用于端电压的调制的输出电压。这样，图3的实施例的电压驱动器27可 调制电流环路的端电压，以对预计用于HART发射器10的信息进行编码。
[0018] 图4的电路图以附加细节示出图3所述的HART接收器14的实施例的电路。如前 面所述，该电路包括差分放大器16,其设计成关于流经电流感测电阻器R1的电流来生成信 号。该信号在输出线路67传播到如图3所示的ADC 18和HART调制解调器20。电阻器R2、 R3、R4和R5可电耦合到差分放大器16的输入和输出，以设置放大器的操作参数。在某些 实施例中，电阻器R2和R4可具有100 Ι?Ω的值，而电阻器R3和R5可具有400 Ι?Ω的值。 在其它实施例中，其它电阻可适合于电阻器R2、R3、R4和R5。另外，在所示实施例中，流出 HART发射器10的电流由电流源66来建模，因为流经电流环路的电流在HART接收器14正 调制电流环路的端电压时是恒定的。
[0019] 在图4的实施例中，应当注意，电压驱动器27的晶体管62是PM0S晶体管，但是也 可以是PNP BJT晶体管或者任何其它适当的晶体管，例如BJT(NPN或PNP)、互补金属氧化物 半导体（CMOS)晶体管或NM0S晶体管。电压驱动器的求和电路26可包括差分放大器68,其 在回流线路64上接收来自晶体管62的偏压，以便向晶体管62的栅极提供差分输出电压。 在晶体管62是PNP JBT晶体管的某些实施例中，差分放大器可向晶体管62的基极提供差 分输出电压。当施加到晶体管62的基极或栅极的电压改变时，晶体管的阻抗也可改变，从 而有效地调制电流环路的端子13之间的电压偏置。
[0020] 另外，求和电路26的差分放大器68可从HART调制解调器输出70(其在确定施加 到晶体管62的基极或栅极的差分输出电压并且因此还有端电压的调制方面起作用）接收 调制信号。在某些实施例中，电压源可偏移来自HART调制解调器输出70的调制信号，以便 始终保持晶体管上的正确偏置。正确偏置可确保跨晶体管62的栅极和源极的电压足以保 持经过晶体管62的电流。电阻器R6、R7、R8、R9和R10可电耦合到差分放大器68,以设置 放大器的操作参数。在某些实施例中，电阻器R6、R8、R9和R10可具有100 Ι?Ω的值，而电 阻器R7可具有1000 kQ的值。在其它实施例中，可为电阻器1?6、1?7、1?8、1?9和1?10选择其 它电阻，以准许使用HART接收器14的通信。电阻器R11可表示到HART发射器10的返回 通路的电流环路导线的电阻。在所示实施例中，电阻器R11可具有50 Ω的值，而在其它实 施例中，电阻器R11可具有表示电流环路导线12的电阻的任何其它适当电阻。另外，某些 实施例可包括在晶体管62的栅极或基极的接地电容器C2,以便稳定提供给晶体管62的栅 极或基极的信号中的较小振荡或者跨差分放大器68的电压。电容器C2可具有80 pF的电 容或者任何其它适当电容。
[0021] HART接收器14的电路的另一实施例在图5中示出。本实施例包括与图1、图3和 图4所述实施例相同的用于监测环路电流的电路。但是，虽然图1、图3和图4示范具有与 电流感测电阻器R1串联的电压驱动器27的实施例，但是图5的实施例示出按照并联配置、 包括稱合电容器C3的电压驱动器27。一般来说，稱合电容器用来阻塞信号的DC分量，同时 允许AC分量通过。这样，当求和电路26从回流线路64和HART调制解调器20接收信号并 且向耦合电容器C3输出调制信号时，耦合电容器C3调制电流环路的端电压，而没有改变流 经环路的电流。
[0022] 应当注意，耦合电容器C3的大小可比对集成电路是切实可行的要大许多。大电容 可用来驱动电流环路的较低阻抗。在耦合电容器C3的电容比对集成电路切实可行的要大 的情况下，耦合电容器C3可以是集成电路的其余部分的外部的，并且可耗用两个附加封装 引脚，以用于将集成电路连接到较大电路。
[0023] 实施例的技术效果包括HART接收器电路，其设计成监测在电流环路中流动的电 流，同时调制电流环路的端电压。在某些实施例中，电压驱动器电路与电流感测电阻器串 联。差分放大器可放大跨电流感测电阻器的电压差，并且将信号传递给HART调制解调器和 模数转换器，以对HART发射器所发送的信息进行解码。HART调制解调器以及来自晶体管的 反馈信号由求和电路来求和，并且施加到晶体管的栅极或基极，以调制电流环路的端子之 间的电压，从而有效地向HART发射器传送信息。HART接收器电路的其它实施例将电压驱动 器电路设置成与电流感测电阻器并联。耦合电容器与反馈驱动求和电路和HART调制解调 器配合使用，以调制电流环路的端电压，以便向HART发射器传送信息。在各实施例中，该电 路可在没有使用变压器的情况下实现，从而使HART电路能够放置在集成电路上。
[0024] 本书面描述使用示例来公开本发明，其中包括最佳模式，以及还使本领域的技术 人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何结合的方法。本发明 的专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这 类其它示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包括具有与权 利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们落入权利要求的范围之内。
【权利要求】
1. 一种集成电路，包括： 电路，配置成监测在所述集成电路的两个端子之间流动的电流；以及 电压驱动器，配置成调制跨所述集成电路的所述两个端子之间的电压，同时保持在所 述集成电路的所述两个端子之间流动的所述电流； 其中所述电压驱动器按照高速通道可寻址远程换能器（HART)协议来调制跨所述集成 电路的所述两个端子的所述电压，以对数据进行编码。
2. 如权利要求1所述的集成电路，其中，配置成监测在所述集成电路的所述两个端子 之间流动的电流的所述电路包括配置成关于在所述集成电路的所述两个端子之间流动的 电流来生成跨其端子的电压的电阻器。
3. 如权利要求2所述的集成电路，其中，所述电压驱动器设置成与所述电阻器串联。
4. 如权利要求2所述的集成电路，其中，所述电压驱动器设置成与所述电阻器并联。
5. 一种系统，包括： 发射器；以及 接收器，包括集成电路，并且通过形成电流回路的导线电耦合到所述发射器，所述集成 电路包括： 电路，配置成监测流经所述电流环路的电流；以及 电压驱动器，配置成调制跨所述电流环路的两个端子的电压，同时保持流经所述电流 环路的所述电流； 其中所述发射器配置成通过调制流经所述电流环路的所述电流向所述接收器传递信 息，并且所述接收器通过调制跨所述电流环路的所述两个端子的所述电压向所述发射器传 递信息。
6. 如权利要求5所述的系统，其中，所述集成电路包括配置成对于来自所述发射器 的所述调制的电流进行解调并且调制跨所述电流环路的所述两个端子的所述电压的调制 器-解调器（调制解调器）。
7. 如权利要求6所述的系统，包括通信逻辑电路，其配置成向所述调制解调器发送信 息以被调制，并且从所述调制解调器接收解调信息。
8. 如权利要求5所述的系统，其中，所述集成电路的电路提供所述集成电路的电路与 外部电路之间的电隔离。
9. 一种电子电路，包括： 电阻器，配置成对于流经在所述电子电路与发射电路之间形成的电流环路的电流来形 成跨其端子的电压； 差分放大器，配置成对于所述电阻器所形成的所述电压来生成信号，其中将所述信号 传递给调制器-解调器（调制解调器）和模数转换器供处理；以及 电压驱动电路，配置成从所述调制解调器接收信号，并且基于从所述调制解调器所接 收的所述信号来调制跨所述电流环路的端子的电压。
10. 如权利要求9所述的电子电路，其中，所述电子电路完全作为集成电路的部分来 形成。
11. 如权利要求9所述的电子电路，其中，所述电子电路包括至少一个分立组件。
12. 如权利要求9所述的电子电路，其中，所述电压驱动电路设置成与所述电阻器串 联。
13. 如权利要求12所述的电子电路，其中，所述电压驱动电路包括： 晶体管，配置成基于施加到所述晶体管的栅极的信号来调制跨所述电流环路的所述端 子的所述电压；以及 求和电路，配置成把来自所述调制解调器的信号加入流经所述晶体管的信号，并且将 所产生信号施加到所述晶体管的所述栅极。
14. 如权利要求13所述的电子电路，其中，所述晶体管包括双极结晶体管（BJT)。
15. 如权利要求13所述的电子电路，其中，所述晶体管包括金属氧化物半导体晶体管 (MOSFET)。
16. 如权利要求12所述的电子电路，其中，所述电压驱动电路包括求和电路，其配置 成把来自所述调制解调器的信号加入流经所述电流环路的信号，以调制跨所述电流环路的 所述端子的所述电压。
17. 如权利要求9所述的电子电路，其中，所述电压驱动电路设置成与所述电阻器并 联。
18. 如权利要求17所述的电子电路，其中，所述电压驱动电路包括： 求和电路，配置成把来自所述调制解调器的信号加入流经所述电流环路的电流，以生 成所产生信号；以及 耦合电容器，配置成使来自所述求和电路的所述所产生信号的交流（AC)分量通过，以 调制跨所述电流环路的所述端子的所述电压。
19. 如权利要求9所述的电子电路，包括低通滤波器，其配置成在将所述信号传递给 所述ADC之前滤出所述差分放大器所生成的所述信号的高频分量。
20. 如权利要求9所述的电子电路，其中，所述电子电路不包括变压器。
【文档编号】H04L29/06GK104221348SQ201380019336
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年3月19日 优先权日:2013年3月19日
【发明者】D.M.阿利, B.亨德森, V.A.特卡楚克, 沈龙辉, Y.徐, A.C.洛弗尔 申请人:通用电气公司