專利名稱:具有模擬輸出端的現場設備的制作方法
技術領域:
本發明涉及一種根據權利要求1的前序部分所述的、具有模擬輸出端的現場設備,尤其是一種用于生產過程用檢測儀表的測量變換器,其具有作為模擬輸出端的4-20mA 接口。
背景技術:
一種這樣的現場設備例如由DE 19930661A1公開。在生產過程用檢測儀表中采 用了具有4-20mA接口的測量變換器,以用于多種多樣地測量物理的或化學的量值,例如壓 力、溫度或PH-值。這些測量變換器通常具有傳感器,其傳感器信號被放大、數字化,并接著 在微控制器中進行分析評估并且就線性特性和溫度特性進行校正。這樣提供的傳感器信號 在具有數字/模擬_轉換器的輸出電路中被轉換成模擬輸出信號,在此是在4-20mA范圍之 內的輸出電流,并且通過雙線電纜傳輸給分析評估裝置,例如在自動化網絡中的存儲器可 編程控制裝置。另一方面,存儲器可編程控制裝置作為現場設備具有模擬輸出端,例如用于將調 節參量轉送至作為具有相應模擬輸入端的控制元件的控制閥。已知有具有不同工作方式的數字/模擬_轉換器用來產生模擬輸出信號。例如可 以使用設計成集成的元件的、具有R2R-網絡的數字/模擬-轉換器。然而對于這些元件來 說,不利的是與此相關的成本,還有其電流消耗大。尤其是對于通過一種4-20mA接口來供 給為其運行所需電能的現場設備來說,這可能具有明顯的缺點,這是因為供使用的電能收 到很大限制。用于數字/模擬_轉換的另外一種可能性可以是應用微控制器的計時器輸出 端,用來控制脈寬調制器,在該調制器上面引導高精度的基準電壓,并且在該調制器的下游 連接有低通濾波器,用于平滑輸出信號。然而存在以下問題,即必須要在可達到的動態特性 和模擬信號的調整精度之間做出平衡。脈寬調制信號的頻率直接影響動態特性,因此該頻 率由數字/模擬_轉換的位分辨率和微控制器的脈沖頻率得出,并與這兩個量值的乘積成 比例。微控制器的同步直接影響其電力消耗并且不能被任意地提高。另一方面不能任意地 減小脈寬調制過的信號的頻率,以便達到較高的位分辨率,這是因為其是對于所產生的模 擬輸出信號的動態特性的決定性因素。
發明內容
本發明的目的在于,提出一種具有模擬輸出端的現場設備,尤其是一種用于生產 過程用檢測儀表的測量變換器,其具有作為模擬輸出端的4-20mA接口,其特征在于耗電 少,而且用它可以以高分辨率和良好的動態特性產生模擬輸出信號。為了實現該目的,開頭所述類型的新的現場設備具有在權利要求1的特征部分中 所述的特征。在從屬權利要求中說明了本發明的有利的改進方案。本發明基于以下認識,即在模擬輸出信號的動態特性和精度之間的矛盾可以通過 逐級的數字/模擬-轉換來解決。為此,在第一級中首先產生兩個具有較低分辨率的模擬信號,它們位于所希望的模擬輸出信號之上和之下。這些信號在連接在下游的第二級中被用作為電壓電平,以用于產生脈寬調制的信號,信號的脈沖間隔比只需被設定具有一種精度, 該精度相當于與粗略分辨率相比還要實現的進一步的分辨率。因為每級接管一部分的分辨率,因此在應用微控制器來產生用于脈寬調制的時間信號時,在相同的同步時可以實現一種高得多的動態特性。另一方面,為了實現規定的動態 特性,可以使微控制器以較小的頻率同步,從而使微控制器的能耗下降并因此為測量變換 器的真正的測量目的提供更多的電能。這可以用來改善測量變換器的測量精度。因為在大多數的現場設備中無論如何都存在微控制器,因此在轉換器根據適合的 編程將數字值分成數字的粗略部分和數字的精度部分,并產生用于控制脈寬調制器所必需 的時間信號時,就可以特別簡單地實現該數字/模擬_轉換器。如果數/模-轉換器的低通濾波器利用無源的元件實現并這樣確定尺寸,即該低 通濾波器的輸入電阻與脈寬調制器的輸出電阻相比高得多的話,那么數字/模擬-轉換的 特別高的精度可有利地實現。為了使一級的較差的動態特性不會對整個數字/模擬-轉換的動態特性產生消極 影響,這些級的動態特性應該盡可能相同。這可以簡單地通過如下途徑來實現,即粗略部分的分辨率和精細部分的分辨率對 應于同樣的位的數目。這就是說,數字粗略部分基本上對應于數字值的N個最高有效位,而 數字精細部分基本上對應于數字值的m個最低有效位,而且N大致等于m。如果粗略部分滯 后地產生,那么可以很大程度上避免模擬輸出信號的噪聲。
附圖中示出了本發明的一個實施例,以下根據附圖對本發明以及設計方案和優點 詳細加以說明。圖中示出圖1是測量變換器的原理結構;圖2是數字/模擬_轉換器的框圖;圖3是用于說明其功能原理的時序圖;圖4是數字/模擬_轉換器的電路。
具體實施例方式根據圖1,用于檢測一個過程的物理的或化學的量值X的測量變換器1具有接收器 2,其將該量值轉換成測量信號3。該測量信號3在預處理級4中放大并數字化。將這樣預 處理過的測量信號以數字形式輸送給微控制器5,該微控制器例如進行對非線性化和溫度 影響的補償并計算要輸出的測量值。在數字/模擬-轉換器6中將在微控制器5中求得的 數字測量值轉換成模擬輸出信號,該信號通過一個4-20mA接口 7輸出以便進一步應用在過 程技術的設備中,在該設備中采用了測量變換器1。為了進行數字/模擬-轉換,微控制器μ C根據圖2產生三個時間信號PWMnPWM2 和PWM3。時間信號PWM1和PWM2根據數字值的粗略部分求出,而時間信號PWM3根據數字的 精細部分求出。緩沖器BUF1具有脈寬調制器的功能,其產生對應于時間信號PWM1的脈寬調 制過的信號,其上電平是基準電壓Vref,其下電平是基準值GND。在低通濾波器TP1中平滑該信號,從而存在第一模擬信號V1,其位于所希望的模擬輸出信號Vtm之上。以模擬的方式,借助于時間信號PWM2,利用緩沖器BUF2和低通濾波器TP2產生第二模擬信號V2,其電平處于 所希望的輸出信號Vott之下。利用對應于數字值的數字精細部分的時間信號PWM3來控制轉 換器SW1,該轉換器因此同樣也具有脈寬調制器的功能。在轉換器SW1上引導了第一模擬信 號V1和第二模擬信號V2。通過連接在轉換器SW1的下游的低通濾波器TP3來再次平滑脈寬 調制過的信號,從而最終出現模擬輸出信號VOT。以下說明一種具有17位分辨率的數字/模擬_轉換的實例。粗略部分具有9位 分辨率,精細部分同樣如此。一個位的分辨率,在將粗略部分和精細部分的分辨率累加時, 相比于數字值的分辨率保持不變,該一個位的分辨率正如以后要敘述的那樣,必需要用來 實現粗略部分的滯后。第一模擬信號V1可以根據公式來計算 <formula>formula see original document page 5</formula>N1基本相當于數字值的最高有效位,其值的范圍在0和29-1之間。第二模擬值V2的電平可以根據下面的公式來計算 <formula>formula see original document page 5</formula>
N2同樣也在很大程度上相當于數字值的最高有效位,并具有與N1相同的數值范 圍。正如以后要詳細敘述的那樣,為了避免在模擬輸出信號Vtm中的噪聲而應用了一個滯 后。為此規定=N1 = Ν2+2。借助于轉換器SW1,對應于在第一模擬信號V1和第二模擬信號V2之間的時間信號 PWM3進行轉換。模擬輸出信號Vot的電平可以根據下面的公式來計算 <formula>formula see original document page 5</formula>
值m對應于借助于微控制器μ C所規定的精細部分,其用于設定定時器以便產生 時間信號PWM3。其同樣也具有在0至29-1之間的數值范圍。如果在上面公式中用N2+2代 替N1,以及用N代替N2,那么對于模擬輸出信號Vott的電平來說為<formula>formula see original document page 5</formula>
因此實現了一種具有17位分辨率的數字/模擬-轉換,其中數值m相當于最低有 效位,數值N相當于最高有效位。在微控制器μ C中求出的、用于粗略部分和精細部分的數字值不必每個時刻都精 確地對應于數字值的最高有效位或最低有效位,而是在某些條件下被設定為與它們有偏 差。借助于對應于數字精細部分的時間信號PWM3,根據第一模擬信號V1和第二模擬信號V2 對模擬輸出電壓進行調整。如果9個最低有效位的數值接近于其極限,也就是說接近數值 0或者接近數值29-1,那么當超出該極限時,在沒有滯后時則發生以下情況數字的粗略部 分和進而兩個模擬信號V1和V2總是來回轉換。因而會產生模擬輸出信號Vtm的一種不需 要的噪聲。為了阻止這種情況,不將數值0和29-1考慮用來作為數字精細部分的轉換點,而是在數字精細部分的總的數值范圍的12. 5%處的一個值,和87. 5%處的一個值,也就是說 例如在一個數值范圍512時為數值64或者448。以下根據附圖3對此詳細加以說明。圖3 是一時序圖,在此圖中示出了模擬輸出信號Vot的變化曲線31、第一模擬信號V1的變化曲 線32、第二模擬信號V2的變化曲線33和對應于各自的數字精細部分的變化曲線34,橫坐 標是時間。在t<、的左側區域里,數字粗略部分設定為數值N。用于調整時間信號PWM2 的數值N2等于N,用于調整時間信號PWM1的值&為貼2。只要數字精細部分位于其極限之 內,在數值范圍的12. 5%和87. 5%之間,數字粗略部分的這種設定就保持不變。在時刻、 時,數字值如此下降,以至于數字精細部分小于12. 5%的極限值,而且相應地模擬輸出信號 31接近于第二模擬信號33。因此,在時刻、的轉換點上,數值N1和N2減少1。同時使數字 精細部分提高其數值范圍的大約50%,從而在模擬輸出信號31的變化曲線中絕對看不到 轉換突變。數字精細部分的新值mNEU根據下式求得mNEU = mALT+28因此,mNEU大約為62. 5%并小于87. 5%的極限,在該極限時又使值N1和N2增加1。 因此實現了一種滯后,通過該滯后阻止了在轉換點處的噪聲。根據變化曲線34,數字精細部分在第二轉換時刻t2處超過其數值范圍的87. 5% 的極限。接著直接在數值N1和N2上增加1,而數字精細部分減小28。緊接于轉換之后,數 字精細部分的值達到其數值范圍的大約37. 5%。在微控制器μ C中,根據其編程將對應于模擬輸出信號Vott的數字值分成數字粗 略部分和帶有粗略部分的滯后的數字精細部分。有利地不會產生附帶的電路技術方面的費用。圖4示出了一種適用于實現數字/模擬_轉換器的電路41。作為微控制器應用 了一種MSP430型號的集成組件42,該組件具有三個定時器輸出端43,44和45,它們用于實 現脈寬調制的時間信號PWM1, PWM2或PWM3。時間信號PWM1和PWM2分別在型號為74LVC04 的兩個緩沖器46或47上引導,這兩個緩沖器通過二極管48供應有高精度的基準電壓。緩 沖器46和47的下游分別連接有一個低通濾波器,該低通濾波器由電阻R1和電容C1或者由 電阻R2和電容C2組成。電阻分別為51ΚΩ,電容分別為33nF。以此方式平滑的模擬信號 在Texas儀表的3157型號的轉換器49的兩個輸入端上引導。時間信號PWM3用于操縱轉 換器49。在這轉換器49的下游又連接有一個低通濾波器,該低通濾波器具有150KΩ的電 阻R3和IOOnF的電容C3。該低通濾波器最終提供一個對應于規定數字值的模擬輸出信號 50。為了實現低通濾波,有意地應用無源的RC濾波器,并且不應用具有有源元件的電路,這 是因為該濾波器提供很高的精度。重要的是緩沖器46和47的輸出電阻以及轉換器49的 輸出電阻與各自在下游連接的低通濾波器的輸入阻抗相比是小的。在根據圖4的電路中特別明顯的是,數字/模擬_轉換器可以利用所示的電路41 特別價廉地制成。盡管數字/模擬_轉換器有高的總分辨率,但由于串聯連接的級用于產 生模擬的輸出信號,還是可以應用具有相比來說高的頻率的時間信號PWM1,PWM2和?麗3。這 使數字/模擬_轉換具有良好的動態特性。
權利要求
一種具有模擬輸出端的現場設備,尤其是一種用于生產過程用檢測儀表的測量變換器(1),所述測量變換器具有作為模擬輸出端(7)的4-20mA接口,還具有數字/模擬-轉換器(6),用于在所述模擬輸出端上產生模擬輸出信號,其特征在于,所述數字/模擬-轉換器包括以下組件-裝置(μC),用于將數字值劃分成數字粗略部分和數字精細部分,-第一電路,具有可根據所述粗略部分調整的第一脈寬調制器(BUF1),在所述第一脈寬調制器上施加基準電壓(Vref),所述第一電路具有連接在下游的低通濾波器(TP1),用于產生位于所述模擬輸出信號(VOUT)之上的第一模擬信號(V1),-第二電路,具有可根據所述粗略部分調整的第二脈寬調制器(BUF2),在所述第二脈寬調制器上施加基準電壓(Vref),所述第二電路具有連接在下游的低通濾波器(TP2),用于產生位于所述模擬輸出信號(VOUT)之下的第二模擬信號(V2),-第三電路,具有可根據所述精細部分調整的第三脈寬調制器(SW1),在所述第三脈寬調制器上施加所述第一模擬信號(V1)和所述第二模擬信號(V2),而且其中所述第三脈寬調制器(SW1)的輸出信號的上電平相當于所述第一模擬信號(V1),所述第三脈寬調制器(SW1)的所述輸出信號的下電平相當于所述第二模擬信號(V2),而在所述第三脈寬調制器(SW1)的下游連接有低通濾波器(TP3),用于產生所述模擬輸出信號(VOUT)。
2.根據權利要求1所述的現場設備,其特征在于,用于劃分所述數字值的所述裝置是 微控制器(μ C),通過所述微控制器可以產生用于控制所述脈寬調制器(BUFnBUFySW1)的 時間信號(PWM1, PWM2, P麗3)。
3.根據權利要求1或2所述的現場設備,其特征在于,所述低通濾波器(TP1,TP2, TP3) 利用無源的元件來實現,從而使所述低通濾波器的輸入電阻與所述脈寬調制器(BUF1,BUF2, Sff1)的輸出電阻相比較是大的。
4.根據前述權利要求中任一項所述的現場設備,其特征在于,用于劃分所述數字值的 所述裝置這樣地設計,即所述數字粗略部分基本上對應于所述數字值的那些最高有效位, 而所述數字精細部分基本上對應于所述數字值的那些最低有效位,其中它們的位的數量大 致相等,而且所述粗略部分的產生具有一個滯后。
全文摘要
本發明涉及一種具有模擬輸出端的現場設備,尤其是一種測量變換器(1),用于生產過程用檢測儀表,該測量變換器具有作為模擬輸出端(7)的4-20mA接口。為了實現數字/模擬-轉換,數字值被分成數字粗略部分和數字精細部分。對應于數字粗略部分,借助于具有連接在下游的低通濾波器(TP1)的脈寬調制器(BUF1)產生第一模擬信號(V1),其位于模擬輸出信號(VOUT)之上,并通過具有連接在下游的低通濾波器(TP2)的脈寬調制器(BUF2)產生第二模擬信號(V2),其位于模擬輸出信號(VOUT)之下。兩個模擬信號(V1,V2)引導至第三脈寬調制器(SW1)上,該調制器對應于數字精細部分來控制并且低通濾波器(TP3)連接在其下游。因此提供了具有高的分辨率和良好的動態特性的模擬輸出信號(VOUT)。此外,現場設備的特征在于一種數字/模擬-轉換器,其能夠以非常低的生產費用來生產。
文檔編號H03M1/00GK101809413SQ200880109459
公開日2010年8月18日 申請日期2008年9月26日 優先權日2007年9月28日
發明者烏爾里希·哈恩, 埃里克·謝米斯凱, 西蒙·羅爾巴赫, 邁克爾·格佩特 申請人:西門子公司