GEPPERT, Michael (Haft 41, Ottersweier, 77833, DE)
HAHN, Ulrich (Blumenstr. 23, Lebach, 66822, DE)
ROHRBACH, Simon (Bahnnofstr. 12, Karlsruhe, 76137, DE)
CHEMISKY, Eric (4 rue Charles Edelmann, Soultz sous Forets, Soultz sous Forets, F-67250, FR)
GEPPERT, Michael (Haft 41, Ottersweier, 77833, DE)
HAHN, Ulrich (Blumenstr. 23, Lebach, 66822, DE)
ROHRBACH, Simon (Bahnnofstr. 12, Karlsruhe, 76137, DE)
| Patentansprüche
1. Feldgerät mit einem Analogausgang, insbesondere Messumformer (1) zur Prozessinstrumentierung mit einer 4-20 mA- Schnittstelle als Analogausgang (7), und mit einem Digi- tal/Analog-Umsetzer (6) zur Erzeugung eines analogen Ausgangssignals am Analogausgang, dadurch gekennzeichnet, dass der Digital/Analog-Umsetzer folgende Komponenten umfasst:
- eine Einrichtung (μC) zur Aufteilung eines Digitalwerts in einem digitalen Grobanteil und einem digitalen Feinanteil,
- eine erste Schaltung mit einem in Abhängigkeit des Grobanteils einstellbaren ersten Pulsweitenmodulator (BUFi) , auf den eine Referenzspannung (V re f) geführt ist, mit nachgeschaltetem Tiefpass (TPi) zur Erzeugung eines ersten Ana- logsignals (Vi) , das oberhalb des analogen Ausgangssignals (VOUT) liegt,
- eine zweite Schaltung mit einem in Abhängigkeit des Grobanteils einstellbaren zweiten Pulsweitenmodulator (BUF2) , auf den die Referenzspannung (V re f) geführt ist, mit nachge- schaltetem Tiefpass (TP2) zur Erzeugung eines zweiten Analogsignals (V 2 ) , das unterhalb des analogen Ausgangssignals (VOUT) liegt,
- eine dritte Schaltung mit einem in Abhängigkeit des Feinanteils einstellbaren dritten Pulsweitenmodulator (SWi) auf den das erste Analogsignal (Vi) und das zweite Analogsignal (V 2 ) geführt sind und wobei der obere Pegel des Ausgangssignals des dritten Pulsweitenmodulators (SWi) dem ersten Analogsignal (Vi) und der untere Pegel des Ausgangssignals des dritten Pulsweitenmodulators (SWi) dem zweiten Analog- signal (V 2 ) entspricht und dem dritten Pulsweitenmodulator (SWi) ein Tiefpass (TP 3 ) zur Erzeugung des analogen Ausgangssignals (V OU T) nachgeschaltet ist.
2. Feldgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Aufteilung des Digitalwerts ein Mikro- controller (μC) ist, durch welchen Zeitsignale (PWMi, PWM 2 , PWM 3 ) zur Steuerung der Pulsweitenmodulatoren (BUFi, BUF 2 , SWi) erzeugbar sind.
3. Feldgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefpässe (TPi, TP 2 , TP 3 ) mit passiven Bauelementen realisiert sind derart, dass der Eingangswiderstand der Tief- passe groß ist im Vergleich zum Ausgangswiderstand der Pulsweitenmodulatoren (BUFi, BUF 2 , SWi) .
4. Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Aufteilung des Digi- talwerts derart ausgebildet ist, dass der digitale Grobanteil im Wesentlichen den höchstwertigen Bits und der digitale Feinanteil im Wesentlichen den niedrigstwertigen Bits des Digitalwerts entspricht, wobei ihre Anzahl etwa gleich ist, und dass die Erzeugung des Grobanteils eine Hysterese aufweist. |
Beschreibung
Feldgerät mit einem Analogausgang
Die Erfindung betrifft ein Feldgerät mit einem Analogausgang, insbesondere einen Messumformer zur Prozessinstrumentierung mit einer 4-20 mA-Schnittstelle als Analogausgang, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Feldgerät ist beispielsweise aus der
DE 199 30 661 Al bekannt. In der Prozessinstrumentierung werden Messumformer mit 4-20 mA-Schnittstelle vielfältig zur Messung physikalischer oder chemischer Größen, zum Beispiel eines Drucks, einer Temperatur oder eines pH-Werts, einge- setzt. Diese weisen üblicherweise einen Sensor auf, dessen Sensorsignal verstärkt, digitalisiert, und anschließend in einem MikroController ausgewertet und bezüglich Linearität und Temperaturverhalten korrigiert wird. Das so aufbereitete Sensorsignal wird in einer Ausgangsschaltung mit einem Digi- tal/Analog-Umsetzer in ein analoges Ausgangssignal, hier einen Ausgangsstrom im Bereich von 4-20 mA, umgeformt und über eine Zweidrahtleitung an eine Auswerteeinrichtung, beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung in einem Automatisierungsnetzwerk, übertragen.
Andererseits kann eine speicherprogrammierbare Steuerung als Feldgerät einen Analogausgang aufweisen, beispielsweise zur übergabe einer Stellgröße an ein Regelventil als Stellglied mit entsprechendem Analogeingang.
Zur Erzeugung des analogen Ausgangssignals sind Digital/Ana- log-Umsetzer mit verschiedenen Arbeitsweisen bekannt. Beispielsweise sind als integrierte Bauelemente ausgeführte Di- gital/Analog-Umsetzer mit R2R-Netzwerk verfügbar. Nachteilig bei diesen Bauelementen sind jedoch die damit verbundenen Kosten und zudem ihre hohe Stromaufnahme. Insbesondere bei Feldgeräten, die über eine 4-20 mA-Schnittstelle mit ihrer zum Betrieb erforderlichen Energie versorgt werden, kann dies
einen bedeutenden Nachteil darstellen, da die zur Verfügung stehende Energie sehr begrenzt ist. Eine weitere Möglichkeit zur Digital/Analog-Umsetzung kann darin gesehen werden, einen Timer-Ausgang des MikroControllers zur Ansteuerung eines Pulsweitenmodulators zu verwenden, auf welchen eine hochgenaue Referenzspannung geführt und dem zur Glättung des Ausgangssignals ein Tiefpassfilter nachgeschaltet ist. Dabei tritt jedoch das Problem auf, dass ein Kompromiss zwischen der erreichbaren Dynamik und der Einstellgenauigkeit des Ana- logsignals geschlossen werden muss. Die Frequenz des pulswei- tenmodulierten Signals, die sich direkt auf die Dynamik auswirkt, ergibt sich nämlich aus der Bitauflösung der Digital/Analog-Umsetzung und der Taktfrequenz des Mikrocontrol- lers und ist proportional dem Produkt dieser beiden Größen. Die Taktung des MikroControllers wirkt sich unmittelbar auf dessen Stromverbrauch aus und kann nicht beliebig erhöht werden. Andererseits kann die Frequenz des pulsweitenmodulierten Signals nicht beliebig verringert werden, um eine höhere Bitauflösung zu erreichen, da diese bestimmend für die Dynamik des erzeugten analogen Ausgangssignals ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feldgerät mit einem Analogausgang, insbesondere einen Messumformer zur Prozessinstrumentierung mit einer 4-20 mA-Schnittstelle als Ana- logausgang, zu schaffen, das sich durch geringen Stromverbrauch auszeichnet und mit welchem ein analoges Ausgangssignal in hoher Auflösung und mit großer Dynamik erzeugbar ist .
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Feldgerät der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der Konflikt zwischen Dynamik und Genauigkeit des analogen Ausgangssignals durch eine stufenweise Digital/Analog-Umsetzung aufgelöst werden kann. Dazu werden in einer ersten Stufe zunächst zwei
Analogsignale mit geringerer Auflösung erzeugt, die ober- und unterhalb des gewünschten analogen Ausgangssignals liegen. Diese werden in einer nachgeschalteten, zweiten Stufe als Spannungspegel zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Sig- nals genutzt, dessen Pulspausenverhältnis lediglich mit einer Genauigkeit eingestellt werden muss, die der gegenüber der Grobauflösung noch zu erzielenden weiteren Auflösung entspricht .
Da jede Stufe einen Teil der Auflösung übernimmt, ist bei
Verwendung eines MikroControllers zur Erzeugung der Zeitsignale für die Pulsweitenmodulation bei gleicher Taktung eine wesentlich höhere Dynamik erreichbar. Andererseits kann zur Erzielung einer vorgegebenen Dynamik der MikroController nun mit einer geringeren Frequenz getaktet werden, so dass der
Energieverbrauch des MikroControllers sinkt und infolgedessen mehr Energie für die eigentliche Messaufgabe eines Messumformers zur Verfügung steht. Diese kann zur Verbesserung der Messgenauigkeit des Messumformers genutzt werden.
Da ein MikroController in den meisten Feldgeräten ohnehin vorhanden ist, kann eine besonders einfache Realisierung des Digital/Analog-Umsetzers erreicht werden, wenn dieser aufgrund einer geeigneten Programmierung die Aufteilung des Di- gitalwerts in einen digitalen Grobanteil und einen digitalen Feinanteil vornimmt und die zur Steuerung der Pulsweitenmodulatoren erforderlichen Zeitsignale erzeugt.
Eine besonders hohe Genauigkeit der Digital/Analog-Umsetzung ist in vorteilhafter Weise möglich, wenn die Tiefpässe des
Digital/Analog-Umsetzers mit passiven Bauelementen realisiert und derart bemessen sind, dass ihr Eingangswiderstand im Vergleich zum Ausgangswidertand der Pulsweitenmodulatoren wesentlich höher ist.
Damit sich eine schlechte Dynamik einer Stufe nicht ungünstig auf die Dynamik der gesamten Digital/Analog-Umsetzung auswirkt, sollte die Dynamik der Stufen möglichst gleich sein.
Dies kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass die Auflösung des Grobanteils und die Auflösung des Feinanteils derselben Bitanzahl entspricht. Das heißt, der digitale Grobanteil entspricht im Wesentlichen den N-höchstwertigen Bits und der digitale Feinanteil im Wesentlichen dem m-nied- rigstwertigen Bits des Digitalwerts und N ist etwa gleich m. Ein Rauschen des analogen Ausgangssignals kann weitgehend vermieden werden, wenn die Erzeugung des Grobanteils mit Hysterese erfolgt.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Messumformers,
Figur 2 ein Blockschaltbild eines Digital/Analog-Umsetzers,
Figur 3 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung seines Funktions- prinzips und
Figur 4 eine Schaltung eines Digital/Analog-Umsetzers.
Gemäß Figur 1 weist ein Messumformer 1 zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe X eines Prozesses einen Aufnehmer 2 auf, der diese Größe in ein Messsignal 3 wandelt. In einer Vorverarbeitung 4 wird das Messsignal 3 verstärkt und digitalisiert. In digitaler Form wird das so vorverarbeitete Messsignal einem MikroController 5 zugeführt, der beispielsweise eine Kompensation von Nichtlinearitäten und Temperatureinflüssen vornimmt und den auszugebenden Messwert berechnet. In einem Digital/Analog-Umsetzer 6 wird der im Mik- rocontroller 5 ermittelte digitale Messwert in ein analoges
Ausgangssignal gewandelt, das über eine 4-20 mA-Schnittstelle 7 zur weiteren Verwendung in einer prozesstechnischen Anlage,
in welcher der Messumformer 1 eingesetzt ist, ausgegeben wird.
Zur Digital/Analog-Umsetzung generiert ein MikroController μC gemäß Figur 2 drei Zeitsignale PWM 1 , PWM 2 und PWM 3 . Die Zeitsignale PWMi und PWM 2 werden entsprechend einem Grobanteil des Digitalwerts ermittelt, das Zeitsignal PWM 3 entsprechend einem digitalen Feinanteil. Ein Buffer BUFi, der die Funktion eines Pulsweitenmodulators hat, erzeugt ein entsprechend dem Zeitsignal PWMi pulsweitenmoduliertes Signal, dessen oberer
Pegel einer Referenzspannung V re f und dessen unterer Pegel die Bezugsmasse GND ist. Das Signal wird in einem Tiefpassfilter TPi geglättet, so dass ein erstes Analogsignal Vi vorliegt, das oberhalb des gewünschten analogen Ausgangssignals V O uτ liegt. In analoger Weise wird mit Hilfe des Zeitsignals PWM 2 , mit einem Buffer BUF 2 und mit einem Tiefpass TP 2 ein zweites Analogsignal V 2 generiert, dessen Pegel niedriger als das gewünschte Ausgangssignal V O uτ ist. Mit dem Zeitsignal PWM 3 , welches dem digitalen Feinanteil des Digitalwerts entspricht, wird ein Umschalter SWi gesteuert, der somit ebenfalls die
Funktion eines Pulsweitenmodulators besitzt. Auf den Umschalter SWi sind das erste Analogsignal Vi und das zweite Analogsignal V 2 geführt. Durch einen Tiefpass TP 3 , der dem Umschalter SWi nachgeschaltet ist, wird das pulsweitenmodulierte Signal wiederum geglättet, so dass schließlich das analoge Ausgangssignal V O uτ vorliegt.
Im Folgenden wird ein Beispiel einer Digital/Analog-Umsetzung mit 17 Bit-Auflösung beschrieben. Der Grobanteil besitzt eine Auflösung von 9 Bit, der Feinanteil ebenfalls. Eine Auflösung von einem Bit, die bei einer Summierung der Auflösungen von Grob- und Feinanteil gegenüber der Auflösung des Digitalwerts verbleibt, wird, wie später erläutert, zur Realisierung einer Hysterese des Grobanteils benötigt.
Das erste Analogsignal Vi kann berechnet werden nach der Formel
N.
V i = V ref
Ni entspricht im Wesentlichen den höchstwertigen Bits des Digitalwerts und hat einen Wertebereich zwischen 0 und 2 9 -l.
Der Pegel des zweiten Analogsignals V 2
kann berechnet werden nach der Formel:
N 2 entspricht ebenfalls weitgehend den höchstwertigen Bits des Digitalwerts und hat denselben Wertebereich wie Ni. Wie später näher erläutert, wird zur Vermeidung eines Rauschens im analogen Ausgangssignal V O uτ eine Hysterese verwendet. Dazu wird festgelegt,
Ni = N 2 + 2.
Mit Hilfe des Umschalters SWl wird entsprechend dem Zeitsig- nal PWM 3
zwischen dem ersten Analogsignal Vi und dem zweiten Analogsignal V 2
umgeschaltet. Der Pegel des analogen Ausgangssignals V 0U
T kann berechnet werden nach der Formel:
Der Wert m entspricht dem mit Hilfe des MikroControllers μC festgelegten Feinanteil, der zur Einstellung des Timers zur Erzeugung des Zeitsignals PWM 3 verwendet wird. Er hat ebenfalls einen Wertebereich zwischen 0 und 2 9 -l. Substituiert man in der letzten Formel Ni durch N 2 + 2 und N 2 durch N, so erhält man für den Pegel des analogen Ausgangssignals V O uτ :
V V ref
OUT 2 17 • (m + 2 8 • N) .
Es ergibt sich somit eine Digital/Analog-Umsetzung mit 17- Bit-Auflösung, wobei der Wert m den niedrigstwertigen Bits und der Wert N den höchstwertigen Bits entspricht.
Die im MikroController μC ermittelten digitalen Werte für den Grobanteil und dem Feinanteil müssen nicht zu jedem Zeitpunkt den höchstwertigen Bits bzw. den niedrigstwertigen Bits des Digitalwerts exakt entsprechen, sondern werden unter bestimmten Bedingungen abweichend von diesen eingestellt. Mit Hilfe des Zeitsignals PWM3, das dem digitalen Feinanteil entspricht, wird die analoge Ausgangsspannung in Abhängigkeit des ersten Analogsignals Vi und des zweiten Analogsignals V2 eingestellt. Befindet sich der Wert der neun niedrigstwertigen Bits nahe an seinen Grenzen, das heißt nahe an dem Wert 0 oder nahe an dem Wert 2 9 -l, könnte es bei überschreiten dieser Grenzen bei fehlender Hysterese vorkommen, dass der digitale Grobanteil und damit die beiden Analogsignale Vi und V 2 ständig hin und herschalten. Dadurch würde ein unnötiges Rauschen des analogen Ausgangssignals V O uτ entstehen.
Um dies zu verhindern werden nicht die Werte 0 und 2 9 -l als Umschaltpunkte des digitalen Feinanteils herangezogen, sondern ein Wert bei 12,5% und ein Wert bei 87,5% des gesamten Wertebereichs des digitalen Feinanteils, also beispielsweise bei einem Wertebereich 512 die Werte 64 bzw. 448. Anhand Figur 3 wird dies im Folgenden näher erläutert. Bei Figur 3 handelt es sich um ein Zeitdiagramm, in welchem ein Verlauf 31 eines analogen Ausgangssignals V O uτ, ein Verlauf 32 eines ersten Analogsignals Vi, ein Verlauf 33 eines zweiten Analog- signals V 2 und ein Verlauf 34, der dem jeweiligen digitalen Feinanteil entspricht, über der Zeit aufgetragen sind. Im linken Bereich für Zeiten t < ti ist der digitale Grobanteil auf den Wert N gesetzt. Der Wert N 2 zur Einstellung des Zeitsignals PWM 2 ist gleich N, der Wert Ni zur Einstellung des Zeitsignals PWMi beträgt N + 2. Diese Einstellung des digitalen Grobanteils bleibt konstant, solange sich der digitale Feinanteil innerhalb seiner Grenzen zwischen 12,5% und 87,5% des Wertebereichs befindet. Zum Zeitpunkt ti sinkt der Digi-
talwert derart ab, dass der digitaler Feinanteil die 12,5%- Grenze unterschreitet und sich entsprechend das analoge Ausgangssignal 31 dem zweiten Analogsignal 33 nähert. Infolgedessen werden im Umschaltpunkt zum Zeitpunkt ti die Werte Ni und N 2 um 1 dekrementiert . Gleichzeitig wird der digitale Feinanteil um etwa 50% seines Wertebereichs erhöht, so dass im Verlauf des analogen Ausgangssignals 31 keinerlei Umschaltsprung erkennbar ist. Der neue Wert m NEU des digitalen Feinanteils ergibt sich nach der Formel:
m NEü = m ALT + 2 8 •
Damit beträgt m NEU etwa 62,5% und liegt unter der 87,5%-Gren- ze, bei welcher die Werte Ni und N 2 wieder um 1 erhöht werden würden. Es ist somit eine Hysterese realisiert, durch welche ein Rauschen an Umschaltpunkten verhindert wird.
Beim zweiten Umschaltzeitpunkt t 2 überschreitet der digitale Feinanteil entsprechend dem Verlauf 34 die 87,5%-Grenze sei- nes Wertebereichs. Darauf folgt unmittelbar eine Inkrementie- rung der Werte Ni und N 2 um 1 und eine Reduktion des digitalen Feinanteils um 2 8 . Im direkten Anschluss der Umschaltung beträgt der Wert des digitalen Feinanteils etwa 37,5% seines Wertebereichs .
Die Aufteilung des Digitalwerts, der dem analogen Ausgangsignal V 0U T entspricht, in den digitalen Grobanteil und den digitalen Feinanteil mit Hysterese des Grobanteils wird im Mikro- controller μC aufgrund seiner Programmierung vorgenommen. Ein zusätzlicher schaltungstechnischer Aufwand ist in vorteilhafter Weise damit nicht verbunden.
Figur 4 zeigt eine zur Realisierung des Digital/Analog-Umset- zers geeignete Schaltung 41. Als MikroController wird ein in- tegrierter Baustein 42 des Typs MSP430 verwendet, der drei Timerausgänge 43, 44 und 45 aufweist, die zur Realisierung pulsweitenmodulierter Zeitsignale PWMi, PWM 2 bzw. PWM 3 eingesetzt werden. Die Zeitsignale PWMi und PWM2 sind auf zwei
Buffer 46 bzw. 47 des Typs 74LVC04 geführt, die durch eine Diode 48 mit einer hochgenauen Referenzspannung versorgt werden. Den Buffern 46 und 47 ist jeweils ein Tiefpass nachgeschaltet, der aus einem Widerstand Ri und einem Kondensator Ci bzw. aus einem Widerstand R2 und einem Kondensator C 2 besteht. Die Widerstände haben jeweils 51 kω, die Kondensatoren jeweils 33 nF. Die auf diese Weise geglätteten Analogsignale sind auf zwei Eingänge eines Umschalters 49 des Typs 3157 von Texas Instruments geführt. Das Zeitsignal PWM 3 dient zur Be- tätigung des Umschalters 49. Dem Umschalter 49 ist wiederum ist ein Tiefpass nachgeschaltet mit einem Widerstand R3 von 150 kω und einem Kondensator C 3 von 100 nF. Dieser Tiefpass stellt schließlich ein dem vorgegebenen Digitalwert entsprechendes analoges Ausgangssignal 50 bereit. Zur Realisierung der Tiefpässe werden absichtlich passive RC-Filter verwendet und keine Schaltungen mit aktiven Bauelementen, da diese eine sehr gute Genauigkeit bieten. Dabei ist wichtig, dass der Ausgangswiderstand der Buffer 46 und 47 sowie der Ausgangswiderstand des Umschalters 49 im Vergleich zur Eingangsimpedanz des jeweils nachgeschalteten Tiefpasses klein ist.
An der Schaltung gemäß Figur 4 wird besonders deutlich, dass der Digital/Analog-Umsetzer mit der gezeigten Schaltung 41 besonders preisgünstig hergestellt werden kann. Trotz der ho- hen Gesamtauflösung des Digital/Analog-Umsetzers können aufgrund der hintereinander geschalteten Stufen zur Erzeugung des analogen Ausgangssignals Zeitsignale PWMi, PWM 2 und PWM 3 mit vergleichsweise hoher Frequenz verwendet werden. Dies führt zu einer hohen Dynamik der Digital/Analog-Umsetzung.
Next Patent: SYSTEM FOR FASTENING A RAIL AND TENSIONING CLAMP FOR SUCH A SYSTEM