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Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis und einen Messumformer mit einem solchen Schaltkreis

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung, insbesondere einen integrierten Schaltkreis, insbesondere einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis und einen

Messumformer mit einem solchen Schaltkreis.

Anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise sind an sich bekannt und werden beispielsweise in Messumformern der industriellen

Prozessmesstechnik eingesetzt, um beispielsweise einen Sensor mit einem analogen elektrischen Wandler zu betreiben und dessen analoge Primärsignale zu digitalisieren und aufzubereiten sowie Ausgangssignale zu übergeordneten Einheiten bereitzustellen.

Moderne Messumformer sollen in einer Vielzahl von Einsatzgebieten mit unterschiedlichsten Anforderungen an Messgenauigkeit oder Dynamik funktionieren. Zudem sollen die Komponenten der Messumformer in ihrer Leistungsfähigkeit im Idealfall skalierbar und hinsichtlich des

Energieverbrauchs flexibel sein.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Schaltung, insbesondere einen anwendungsspezifischen Schaltkreis und einen Messumformer bereitzustellen, die bzw. der diesen Anforderungen weitgehend genügt.

Die Aufgabe wird gelöst durch die elektronische Schaltung, insbesondere den anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis gemäß Anspruch 1 und den Messumformer gemäß Anspruch 5.

Die erfindungsgemäße elektronische Schaltung insbesondere der erfindungsgemäße, anwendungsspezifische integrierte Schaltkreis umfasst: n Analogeingänge mit Analog-Digital-Wandlern (ADC,), wobei n > = 1 ; mindestens einen digitalen Signalprozessor (DSP) welcher

Eingangsregister und Ausgangsregister aufweist; wobei der oder die Analog-Digital-Wandler (ADC) Eingangssignale S,, welche von aktuellen Werten von Messgrößen abhängen mit Abtastfrequenzen f _S i abtasten und digitalisieren und die digitalisierten Signale SD, mit Ausgabefrequenzen fsD-out-i den Eingangsregistern des digitalen Signalprozessors bereitstellen, wobei der digitale Signalprozessor (DSP) die digitalisierten Signale SD, zu m aufbereiteten Signalen SP _j verarbeitet und in den Ausgangsregistern des digitalen Signalprozessors (DSP) bereitstellt, wobei der digitale Signalprozessor eine Taktfrequenz f _D sp aufweist, wobei m >= 1 , und j= 1 , m, wobei ferner die Signale SP _j von den Ausgangsregistern mit einer Ausgangsfrequenz fsp-out- _j ausgegeben werden können, wobei erfindungsgemäß eine oder mehrere der Frequenzen fsD-out-i, füsp, fsp-out-j veränderlich ist bzw. sind, wobei insbesondere eine oder mehrere der Frequenzen fsD-out-i, füsp, fsp-out-j unabhängig von den anderen der genannten Frequenzen veränderlich ist bzw. sind.

In einer Weiterbildung des anwendungsspezifischen, integrierten

Schaltkreises hängt bzw. hängen die eine oder mehrere der Frequenzen fsD-out-i, füsp, fsp-out-j zumindest von mindestens einem der digitalisierten Messsignale SD, oder einer davon abhängigen Größe ab.

In einer Weiterbildung der Erfindung hängen die eine oder mehrere der Frequenzen fsD-out-i, füsp, fsp-out-j von der zeitlichen Ableitung und/oder einer anderen vom zeitlichen Verlauf des mindestens einen digitalisierten Messsignals SD, abhängigen Funktion ab.

In einer Weiterbildung der Erfindung hängt bzw. hängen die eine oder mehrere der Frequenzen fsD-out-i, füsp, fsp-out-j von der Standardabweichung des mindestens einen digitalisierten Messsignals SD, oder einer davon abhängigen Größe ab. Der erfindungsgemäße Messumformer, umfasst einen erfindungsgemäßen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis; und einen Controller, wobei der Controller mindestens ein Ausgangssignal SP _j des digitalen Signalprozessors (DSP) empfängt, und in Abhängigkeit des empfangenen Ausgangssignal SPj ein Antwortsignal S _r an den integrierten Schaltkreis ausgibt, wobei mindestens eine der genannten Frequenzen fsD-out-i, füsp, fsp-out-j des integrierten Schaltkreises in Abhängigkeit des Antwortsignals S _r veränderlich ist. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Antwortsignal S _r ein Steuersignal, oder der Controller generiert ein solches Steuersignal, mit welchem ein Sollwert für mindestens eine der veränderlichen Frequenzen fsD-out-i, füsp, fsp-out-j des integrierten Schaltkreises vorgegeben wird. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Antwortsignal S _r einen aufbereiteten Messwert, anhand dessen der integrierte Schaltkreis einen Sollwert der veränderlichen Frequenz fsD-out-i, füsp, fsp-out-j ermittelt.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Antwortsignal S _r die zeitliche Ableitung eines Messwerts oder dessen Standardabweichung.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Controller Zusatzfunktionen auf, welche beispielsweise die anwendungsspezifische Berechnung einer Füllmenge in einem Tank anhand eines einen hydrostatischen Druck repräsentierenden Signals SPj mittels eines Tankprofils oder die

Bestimmung einer Durchflussgeschwindigkeit durch Radizieren eines Differenzdrucksignals umfassen.

Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt: „

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Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines ersten

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen, anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreises (ASICs); den zeitlichen Verlauf von Signalen eines ASICs mit festen Frequenzen bzw. Frequenzverhältnissen nach dem Stand der Technik;

Fig. 2b: den zeitlichen Verlauf von Signalen eines

erfindungsgemäßen ASICs mit variablen Frequenzen bzw.

Frequenzverhältnissen; ein Beispiel für die Steuerung der Taktfrequenz f _D sp des digitalen Signalprozessors anhand der zeitlichen Ableitung eines Ausgangssignals SP,; eine erste schematische Darstellung eines

erfindungsgemäßen Messumformers; und Fig. 4b: eine zweite, detailliertere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messumformers.

Der in Fig. 1 dargestellte anwendungsspezifische integrierte Schaltkreis (ASIC) 1 umfasst n analoge Signaleingänge 1 1 an denen beispielsweise die Spannungen und/oder Ströme einer Brückenschaltung eines (piezo-) resistiven Drucksensors, einer Messschaltungen eines kapazitiven Drucksensors, eines Temperatursensors, und/oder eines anderen

Messwandlers anstehen.

Die analogen Signale S, (in Fig. 1 mit Signa bis Signal _x bezeichnet) werden von Analog-Digital-Wandlern 12 mit Abtastfrequenzen f _S i abgetastet und digitalisiert und die digitalisierten Signale SD, werden mit Ausgabefrequenzen fsD-out-i Eingangsregistern (Rin-ι...χ) 14 eines digitalen _^

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Signal Prozessors 13 bereitgestellt. Die Analog-Digital-Wandler können insbesondere Sigma-Delta-Wandler sein.

Die in den Eingangsregistern bereitgestellten n Signale SD, werden vom Signalprozessor 13 zu m aufbereiteten Signalen SP _j verarbeitet und in den Ausgangsregistern (Routi _..x ) des digitalen Signal Prozessors (DSP) bereitstellt.

Diese Verarbeitung kann beispielsweise die Ermittlung eines

Druckmesswerts umfassen, welcher anhand zweier je einen

Kapazitätsmesswert repräsentierenden Signale SD-i ,SD ₂ und eines einen Temperaturmesswert repräsentierenden Signals SD ₃ mittels eines

Kompensationsmodells, dessen Koeffizienten von einem hier nicht gezeigten Speicher bereitgestellt werden, berechnet und in mindestens einem Ausgangsregister 15 als Ausgangssignal SP _j bereitstellt.

Andere Formen der Verarbeitung können beispielsweise eine Filterung der eingehenden Signale umfassen. Der digitale Signalprozessor weist eine Ausgabefrequenz f _D sp auf, die beispielsweise 1 kHz oder einige 100 Hz beträgt. Der DSP rechnet beispielsweise in 1 ,25ms sein komplettes Programm durch, dies umfasst bis zu etwa 400 Befehle. Die Taktfrequenz beträgt dann etwa 300kHz pro Befehl. Bei der langsamsten Taktrate dauert ein Rechenzyklus etwa 160 ms. Die Taktfrequenz pro Befehl beträgt dann nur etwas mehr als 2 kHz.

Aus den Ausgangsregistern werden die Signale mit Ausgangsfrequenzen fsp-out-j ausgegeben bzw. ausgelesen. Ein Ausgangsregister 15 kann beispielweise von einem Digital-Analog- Wandler mit einer hohen Frequenz ausgelesen werden, um eine dichte Folge von Messwerten an einem Analogausgang bereitstellen zu können. Das Ausgangsregister kann auch mit einer niedrigeren Frequenz als der eines DSP-Zyklus erfolgen .

Ein anderes Ausgangsregister kann beispielsweise einen

Schleppzeigerwert betreffen, welcher mit erheblich geringerer Frequenz abgerufen wird.

Erfindungsgemäß ist bzw. sind nun eine oder mehrere der Frequenzen fsD-out-i, füsp, fsp-out-j veränderlich, und zwar vorzugsweise unabhängig voneinander.

Diese Situation ist in Abgrenzung zum Stand der Technik und Fig. 2a und 2 b dargestellt, wobei gemäß Fig. 2a alle genannten Frequenzen im Wesentlichen gleich laufen. Dies führt zu einem vergleichsweise starren System, bei dem Frequenzanpassungen, beispielsweise zur Reduktion der Leistungsaufnahme sich auf alle Leistungsmerkmale des ASICs auswirken . Dagegen sind bei einem erfindungsgemäßen ASIC die

Frequenzen an den Bedarf der spezifischen Messsituation angepasst. So können fsD-out-1 _, 2 beispielsweise die Ausgaberaten der oben erwähnten digitalisierten Kapazitätsmesswerte sein, während in einem thermisch trägen System die fsD-out-3 für die sich langsam ändernden

Temperaturmesswerte eher gering ist. Entsprechend kann die

Ausgabefrequenz aus den Ausgangsregistern des DSP 13

bedarfsabhängig variieren.

Fig. 3 zeigt nun ein Beispiel für die Steuerung der Taktfrequenz des digitalen Signalprozessors in Abhängigkeit der zeitlichen Ableitung dSP dt eines Ausgangssignals SP, des digitalen Signalprozessors. Wenn die zeitliche Ableitung dSP,/dt einen Schwellwert übersteigt, wird die

Taktfrequenz um einen konstanten Wert erhöht. Damit die Taktfrequenz jedoch nicht ständig zwischen zwei Frequenzen hin und her springt, wenn die zeitliche Ableitung sich gerade um den Schwellwert bewegt, ist eine Hysterese vorgesehen, wonach die Taktfrequenz erst dann abgesenkt wird, wenn die Ableitung den Schwellwert deutlich unterschreitet.

Diese Steuerung der Taktfrequenz des digitalen Signalprozessors kann, je nach Ausgestaltung der Erfindung, vom ASIC selbst oder ggf. von einer übergeordneten Einheit durchgeführt werden .

Zur Erläuterung der Beeinflussung der Frequenzen mittels einer übergeordneten Einheit wird nun auf die Figuren 4a und 4b verwiesen. Fig. 4a zeigt den einfachen Fall eines Messumformers der einen ASIC 2 aufweist, der an einen Controller 3 angeschlossen ist, wobei der Controller 3 zusätzliche Funktionen bei der Auswertung der Signale SP _j des DSP des ASIC 2 durchführt. Hier kann er beispielsweise die zeitliche Ableitung dSP dt eines Signals SP _j ermitteln und daraufhin einen Sollwert für eine oder mehrere der veränderlichen Frequenzen an den ASIC 2 als

Antwortsignal ausgeben. Das Antwortsignal kann einen Indexwert aufweisen, wonach der ASIC den Sollwert einem Speicher zu entnehmen hat, oder es kann ein konkreter Frequenzwert übertragen werden . Fig. 4b zeigt eine detailliertere Darstellung eines Messumformers mit einem ASIC 4 und einem Controller 5. Der ASIC ermittelt mittels seines digitalen Signalprozessors in einem ersten Programmteil einen statischen Druck, dessen Signal p_stat an den Controller 5 übertragen wird. Der Controller hat in einer Tabelle (LUT) beispielsweise ein Profil eines Tanks hinterlegt und kann nun anhand des Drucksignals p_stat das Füllvolumen in m ³ bzw. die Masse in t ausrechnen. Das entsprechende Füllstandsignal wird an den ASIC als Antwortsignal übertragen, um beispielsweise über einen zweiten Programmteil des ASIC verarbeitet,und am Analogausgang des ASIC bereitgestellt zu werden .

Der ASIC umfasst weiterhin einen nicht flüchtigen Speicher (NVM) in dem Sollwerte für die veränderlichen Frequenzen als Funktion des Füllstands hinterlegt sind. Der ASIC kann also nun anhand des Antwortsignals vom Controller, welches z.B. den Füllstand repräsentiert die erforderlichen Frequenzanpassungen durchführen, um beispielsweise bei drohenden Grenzwertüber- oder unterschreitungen mit höherer Rate Signale bereitstellen zu können. Beispielsweise zum Pumpenschutz oder zur Überfüllsicherung.