检测和数字化模拟输入信号的电路装置,以及过程仪表化的现场设备

摘要

本发明涉及一种用于检测和数字化模拟的输入信号（1）的电路装置以及一种具有这种电路装置的用于过程仪表化的现场设备。该电路装置具有第一电子单元（2）、第二电子单元（3）以及接口（4），通过该接口这两个电子单元彼此电分离。在第二电子单元（3）内产生第一频率的第一信号（7），通过用于第一电子单元（2）的变压器（8）传输该第一信号，一方面用于产生运行所需的辅助能，并且另一方面用于提供参考频率。上面引导有模拟的输入信号（1）的电压频率转换器（13）使用参考频率用于产生第二频率的第二信号（14），第二频率与模拟的输入信号（1）的电平相对应。在借助光电耦合器（15）将第二信号（14）传输至第二电子单元（3）后，在那里借助捕捉计时器（16）根据第一频率实行第二频率的比例测量。本发明的优点是，通过变压器（8）同时传输能量和参考频率，这样可节省昂贵的模拟/数字转换器，而且由于比例频率测量，微控制器（5）的也许不准确的时钟脉冲不会对测量的精度产生影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测和数字化模拟输入信号的电路装置，具有： 第一电子单元，模拟输入信号接通到该第一电子单元上；以及具有第二电 子单元，用于输出代表模拟输入信号的电平的数字值；以及具有接口，用 于电分离这两个电子单元。此外，本发明涉及一种具有这种电路装置的用 于过程仪表化的现场设备。

背景技术

在自动化技术中经常使用用于过程仪表化的现场设备，其例如用于检 测和/或影响过程变量，并通过用于数据交换的自动化网络彼此连接。检测 物理的或化学的参数作为过程变量的现场设备通常被称为测量转换器，因 为其将相应的参数转换成测量值，并将该测量值输出给如上一级的控制站 或作为实际值输出给调节器用于进一步的处理。这样的测量转换器例如是 指如用于液位、质量流量、压力、温度、PH值、电导率等的测量转换器。

用于过程仪表化的现场设备可能会分为：传感器，该传感器将待检测 的物理的或是化学的参数转换为模拟的电子输入信号；第一电子单元，模 拟输入信号接通到该第一电子单元上；以及第二电子单元，在该第二电子 单元中完成例如特性曲线校准，并且第二电子单元通过接口与第一电子单 元电分离。当确定代表模拟输入信号的电平的数字值后，例如通过4至 20mA接口，根据HART协议的数据通信或不经该数据通信，或是通过另 一个现场总线，例如PROFIBUS或是PROFINET，输出与该数字值相对 应的测量值，用于在自动化技术设备内部进行进一步处理。当为现场设备 运行所需的辅助能通过通信接口供第二电子单元使用时，该辅助能的一部 分必须通过该接口电分离，例如借助隔离变压器或通过电容器，转送至第 一电子单元上，用于为该第一电子单元供应能量。

通过电分离的接口传输模拟输入信号时的问题是，电分离的模拟信号 传输总是与相对较高的精度损失联系在一起。为了规避这个问题，例如可 在第一电子单元内设有相对于参考电压的模拟/数字转换器，其将模拟信号 转换成数字形式。然后，经过转换的信号可以以数字形式通过微控制器的 串行接口借助光电耦合器或可选地通过电容的或是电感的耦合转送至第 二电子单元。然而使用这样的组件会导致第一电子单元的高能耗，同样会 导致高昂的部件成本。因此，可能会出现相对较高的费用，用于适当的固 件的开发，这种固件用于第一电子单元的微控制器，对于第一电子单元在 可靠性方面具有较高要求，因为必须始终保持第一电子单元的微控制器与 在第二电子单元上的微控制器之间的通信，即使当出现EMV干扰之时。 此外，通过固件必须确保当前的数据作为测量值始终可用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于检测和数字化模拟输入信号的电路 装置以及一种具有这种电路装置的用于过程仪表化的现场设备，通过这种 电路装置和这种现场设备在使用两个电子单元之间的电分离的接口的情 况下避免前述缺点。

为了实现该目的，开始时提到的新型电路装置具有权利要求1所述的 特征。在从属权利要求中描述了本发明的有利的改进，在权利要求6中描 述了一种用于过程仪表化的现场设备。

本发明的优点在于，在模拟输入信号中所包含的信息通过用于电分离 的接口以频率形式并且从而在实际中无精度损失地传输。此外优点在于， 在第一电子单元中可省略微控制器，由此可实现相对较低成本的电路装 置。此外还对制造成本产生有利影响，第二电子单元中的第一个信号的频 率设置的精度不会影响模拟输入信号内所包含的信息的传输的精度，因为 频率设置在测量值确定的时间间隔内必须仅仅在短时间内是稳定的。

为了实现用于产生第一频率的第一信号的装置，以有利的方式在很多 情况下不需要附加的元器件，因为可为此使用具有计时器的多数本来已存 在的微控制器，该微控制器仅必须以相应的方式被编程。

在本发明的一个特别有利的改进方案中，用于电分离地传输第一信号 的装置包括变压器，该变压器能传输为第一电子单元运行所需的辅助能， 并且同时能传输第一信号的频率信息。在此，为了改进变压器的传输特性， 从第一信号中得出两个相同频率的推挽信号，该推挽信号接通到变压器的 输入侧。因此以有利的方式通过电分离的接口不需要用于传输运行能量的 第二个通道，这样实施成本进一步降低到最低限度。

此外，第一电子单元的特别简单的实施是可能的，即使用用于产生第 二信号的、具有电压频率转换器的装置时，在该电压频率转换器上使用第 一频率的信号作为参考信号用于将模拟输入信号转换成第二频率，该第二 频率对应模拟输入信号的电压电平。第一频率的信号可在第一电子单元中 例如从变压器的输出信号中得出。

在将第二频率的第二信号传输至第二电子单元后，优选地在那里借助 所谓的捕捉计时器实施第二频率的比例测量，在该第二频率中包含关于模 拟输入信号的电平的信息。这种比例测量的优点是，其近似自动地通过微 控制器的捕捉计时器在第二电子单元内进行，并且不需要该微控制器的任 何计算能力。因为第二频率的测量对于比例测量是相对第一频率进行的， 所述省略微控制器中的其它的计算能力，并且可实现较高的测量精度。

特别有利的是，在用于过程仪表化的现场设备中使用这种用于检测和 数字化模拟输入信号的新型的电路装置，在该现场设备中在过程接口和位 于自动化网络内部的用于通信的接口之间必须设置电分离。如果需要参考 电压用于借助第一电子单元内的传感器产生模拟输入信号，该参考电压可 通过更为简单的方式由变压器的输出信号产生，该变压器用于电分离地传 输第一信号。如果利用传感器执行一个比例测量，用于物理的或化学的参 数作为过程变量，例如对于温度传感器使用PT100，其中传感器元件的可 变电阻与参考电阻相比较，或是例如在另一个例子中使用电阻压力传感 器，这样在第一电子单元中不要求准确的参考电压。在这种情况下，现场 设备执行两次比例测量：一次是在传感器的模拟的区域中，第二次是在通 过电分离的接口传输的第二信号的频率评估中。这对于利用现场设备实现 的精度以及与此相关的成本方面是特别有利的。

因为只有数字信号通过电分离的接口来引导，以有利的方式可节省用 于两个电子单元之间的模拟的电分离的成本。此外，关系到生产成本有利 的是，可以省去昂贵的数字/模拟转换器，因为借助电压频率转换器和比例 频率测量来执行转换。此外，实现的特点还在于对微控制器计算能力的要 求特别低。

附图说明

接下来将根据附图详细阐释本发明以及设计方案和优点，在该附图中 示出本发明的实施例。

附图是用来示出用于检测模拟输入信号1的和用于确定与之对应的 数字值17的电路装置的本发明的主要部分，该电路装置用在用于过程仪 表化的现场设备中。仅仅示出了第一电子单元2以及第二电子单元3，其 通过接口4电分离。现场设备的可在传统的方式中实现的其它部分，为清 楚起见在图中未示出。

具体实施方式

第二电子单元3的组成部分微控制器5借助计时器6产生第一频率 f1的第一个信号7，该计时器作为所示出的实施例的替代可集成到微控制 器5中。为了通过电分离的接口4传输第一信号7，从第一信号7中得出 两个推挽信号，该推挽信号接通到变压器8的输入端。第一电子单元2中 的变压器8在输出端与装置9连接，该装置提供第一电子单元2运行所需 的辅助能和信号10，该信号的频率与第一频率f1一致，至少与该第一频 率保持固定的比例。通过相同的装置8，所需的辅助能以及频率信息通过 第一频率f1输送给第一电子单元2。可选地，在第一电子单元2内设置参 考电压源11，其可以从变压器8的输出信号中产生高度准确的参考电压 12。如上面已经详细描述的，当在提供模拟输入信号1的传感器内不执行 比例测量时，这种参考电压可能是有意义的。

模拟输入信号1输送给电压频率转换器13，该电压频率转换器使用 具有第一频率作为参考频率的信号10。电压频率转换器13提供第二信号 14，该信号具有第二频率f2。第二频率f2与信号10的第一频率f1的比例 与模拟输入信号1的电平相对应。借助光电耦合器15或另一个电分离的 传输装置，信号14传递给第二电子单元3。具有第二频率f2的光电耦合 器15的输出信号以及具有第一频率f1的第一信号7一起引导到捕捉定时 器16上，该捕捉定时器执行第二频率f2的比例测量。因此根据第一频率 f1检测第二频率f2，使得微控制器5的时钟脉冲对测量精度没有影响，由 该微控制器能得出第一信号7。捕捉定时器6的功能可集成到微控制器5 内。

如在所描述的实施例中所示，本发明的特征在于显著的优点，再次简 述如下：

-通过变压器8同时传输用于第一电子单元2的运行能量和具有 第一频率作为参考频率的第一信号7，

-求得数字值17，该数字值与模拟输入信号1的电平相对应， 通过使用电压频率转换器13不必消耗微控制器5的计算能力，也不 必使用用于频率测量的计时器，

-测量结果不取决于第二电子单元3中的微控制器5的也许不准 确的时钟脉冲，

-在比例产生模拟输入信号1的情况下，省去第一电子单元2 中的高度准确的参考电压源11，

-越过电分离的接口4，比较省电地测量模拟输入信号1，

-该电路装置对于低功耗应用同样非常适合，因为整个电子单元 2可以非常容易和快速地关闭以及再次开启，

-因为在第二电子单元2上没有使用微控制器，也就不存在较长 的初始化、石英起振等的起动阶段，以及

-只要变压器8提供给其次级侧足够的电压，电子设备单元2 中的电路就会自动启动，由此电压频率转换器立即开启，使得电子 设备单元3的微控制器5可立即开始时钟脉冲计数，在其起动后， 以用于通过其捕捉定时器16测量频率。