专利名称：具有模拟输出端的现场设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、具有模拟输出端的现场设备，尤其是一种用于生产过程用检测仪表的测量变换器，其具有作为模拟输出端的4-20mA 接口。
背景技术：
一种这样的现场设备例如由DE 19930661A1公开。在生产过程用检测仪表中采 用了具有4-20mA接口的测量变换器，以用于多种多样地测量物理的或化学的量值，例如压 力、温度或PH-值。这些测量变换器通常具有传感器，其传感器信号被放大、数字化，并接着 在微控制器中进行分析评估并且就线性特性和温度特性进行校正。这样提供的传感器信号 在具有数字/模拟_转换器的输出电路中被转换成模拟输出信号，在此是在4-20mA范围之 内的输出电流，并且通过双线电缆传输给分析评估装置，例如在自动化网络中的存储器可 编程控制装置。另一方面，存储器可编程控制装置作为现场设备具有模拟输出端，例如用于将调 节参量转送至作为具有相应模拟输入端的控制元件的控制阀。已知有具有不同工作方式的数字/模拟_转换器用来产生模拟输出信号。例如可 以使用设计成集成的元件的、具有R2R-网络的数字/模拟-转换器。然而对于这些元件来 说，不利的是与此相关的成本，还有其电流消耗大。尤其是对于通过一种4-20mA接口来供 给为其运行所需电能的现场设备来说，这可能具有明显的缺点，这是因为供使用的电能收 到很大限制。用于数字/模拟_转换的另外一种可能性可以是应用微控制器的计时器输出 端，用来控制脉宽调制器，在该调制器上面引导高精度的基准电压，并且在该调制器的下游 连接有低通滤波器，用于平滑输出信号。然而存在以下问题，即必须要在可达到的动态特性 和模拟信号的调整精度之间做出平衡。脉宽调制信号的频率直接影响动态特性，因此该频 率由数字/模拟_转换的位分辨率和微控制器的脉冲频率得出，并与这两个量值的乘积成 比例。微控制器的同步直接影响其电力消耗并且不能被任意地提高。另一方面不能任意地 减小脉宽调制过的信号的频率，以便达到较高的位分辨率，这是因为其是对于所产生的模 拟输出信号的动态特性的决定性因素。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种具有模拟输出端的现场设备，尤其是一种用于生产 过程用检测仪表的测量变换器，其具有作为模拟输出端的4-20mA接口，其特征在于耗电 少，而且用它可以以高分辨率和良好的动态特性产生模拟输出信号。为了实现该目的，开头所述类型的新的现场设备具有在权利要求1的特征部分中 所述的特征。在从属权利要求中说明了本发明的有利的改进方案。本发明基于以下认识，即在模拟输出信号的动态特性和精度之间的矛盾可以通过 逐级的数字/模拟-转换来解决。为此，在第一级中首先产生两个具有较低分辨率的模拟信号，它们位于所希望的模拟输出信号之上和之下。这些信号在连接在下游的第二级中被用作为电压电平，以用于产生脉宽调制的信号，信号的脉冲间隔比只需被设定具有一种精度， 该精度相当于与粗略分辨率相比还要实现的进一步的分辨率。因为每级接管一部分的分辨率，因此在应用微控制器来产生用于脉宽调制的时间信号时，在相同的同步时可以实现一种高得多的动态特性。另一方面，为了实现规定的动态 特性，可以使微控制器以较小的频率同步，从而使微控制器的能耗下降并因此为测量变换 器的真正的测量目的提供更多的电能。这可以用来改善测量变换器的测量精度。因为在大多数的现场设备中无论如何都存在微控制器，因此在转换器根据适合的 编程将数字值分成数字的粗略部分和数字的精度部分，并产生用于控制脉宽调制器所必需 的时间信号时，就可以特别简单地实现该数字/模拟_转换器。如果数/模-转换器的低通滤波器利用无源的元件实现并这样确定尺寸，即该低 通滤波器的输入电阻与脉宽调制器的输出电阻相比高得多的话，那么数字/模拟-转换的 特别高的精度可有利地实现。为了使一级的较差的动态特性不会对整个数字/模拟-转换的动态特性产生消极 影响，这些级的动态特性应该尽可能相同。这可以简单地通过如下途径来实现，即粗略部分的分辨率和精细部分的分辨率对 应于同样的位的数目。这就是说，数字粗略部分基本上对应于数字值的N个最高有效位，而 数字精细部分基本上对应于数字值的m个最低有效位，而且N大致等于m。如果粗略部分滞 后地产生，那么可以很大程度上避免模拟输出信号的噪声。
附图中示出了本发明的一个实施例，以下根据附图对本发明以及设计方案和优点 详细加以说明。图中示出图1是测量变换器的原理结构；图2是数字/模拟_转换器的框图；图3是用于说明其功能原理的时序图；图4是数字/模拟_转换器的电路。
具体实施例方式根据图1，用于检测一个过程的物理的或化学的量值X的测量变换器1具有接收器 2，其将该量值转换成测量信号3。该测量信号3在预处理级4中放大并数字化。将这样预 处理过的测量信号以数字形式输送给微控制器5，该微控制器例如进行对非线性化和温度 影响的补偿并计算要输出的测量值。在数字/模拟-转换器6中将在微控制器5中求得的 数字测量值转换成模拟输出信号，该信号通过一个4-20mA接口 7输出以便进一步应用在过 程技术的设备中，在该设备中采用了测量变换器1。为了进行数字/模拟-转换，微控制器μ C根据图2产生三个时间信号PWMnPWM2 和PWM3。时间信号PWM1和PWM2根据数字值的粗略部分求出，而时间信号PWM3根据数字的 精细部分求出。缓冲器BUF1具有脉宽调制器的功能，其产生对应于时间信号PWM1的脉宽调 制过的信号，其上电平是基准电压Vref，其下电平是基准值GND。在低通滤波器TP1中平滑该信号，从而存在第一模拟信号V1，其位于所希望的模拟输出信号Vtm之上。以模拟的方式，借助于时间信号PWM2,利用缓冲器BUF2和低通滤波器TP2产生第二模拟信号V2,其电平处于 所希望的输出信号Vott之下。利用对应于数字值的数字精细部分的时间信号PWM3来控制转 换器SW1，该转换器因此同样也具有脉宽调制器的功能。在转换器SW1上引导了第一模拟信 号V1和第二模拟信号V2。通过连接在转换器SW1的下游的低通滤波器TP3来再次平滑脉宽 调制过的信号，从而最终出现模拟输出信号VOT。以下说明一种具有17位分辨率的数字/模拟_转换的实例。粗略部分具有9位 分辨率，精细部分同样如此。一个位的分辨率，在将粗略部分和精细部分的分辨率累加时， 相比于数字值的分辨率保持不变，该一个位的分辨率正如以后要叙述的那样，必需要用来 实现粗略部分的滞后。第一模拟信号V1可以根据公式来计算 <formula>formula see original document page 5</formula>N1基本相当于数字值的最高有效位，其值的范围在0和29-1之间。第二模拟值V2的电平可以根据下面的公式来计算 <formula>formula see original document page 5</formula>
N2同样也在很大程度上相当于数字值的最高有效位，并具有与N1相同的数值范 围。正如以后要详细叙述的那样，为了避免在模拟输出信号Vtm中的噪声而应用了一个滞 后。为此规定=N1 = Ν2+2。借助于转换器SW1，对应于在第一模拟信号V1和第二模拟信号V2之间的时间信号 PWM3进行转换。模拟输出信号Vot的电平可以根据下面的公式来计算 <formula>formula see original document page 5</formula>
值m对应于借助于微控制器μ C所规定的精细部分，其用于设定定时器以便产生 时间信号PWM3。其同样也具有在0至29-1之间的数值范围。如果在上面公式中用N2+2代 替N1,以及用N代替N2，那么对于模拟输出信号Vott的电平来说为<formula>formula see original document page 5</formula>
因此实现了一种具有17位分辨率的数字/模拟-转换，其中数值m相当于最低有 效位，数值N相当于最高有效位。在微控制器μ C中求出的、用于粗略部分和精细部分的数字值不必每个时刻都精 确地对应于数字值的最高有效位或最低有效位，而是在某些条件下被设定为与它们有偏 差。借助于对应于数字精细部分的时间信号PWM3，根据第一模拟信号V1和第二模拟信号V2 对模拟输出电压进行调整。如果9个最低有效位的数值接近于其极限，也就是说接近数值 0或者接近数值29-1，那么当超出该极限时，在没有滞后时则发生以下情况数字的粗略部 分和进而两个模拟信号V1和V2总是来回转换。因而会产生模拟输出信号Vtm的一种不需 要的噪声。为了阻止这种情况，不将数值0和29-1考虑用来作为数字精细部分的转换点，而是在数字精细部分的总的数值范围的12. 5%处的一个值，和87. 5%处的一个值，也就是说 例如在一个数值范围512时为数值64或者448。以下根据附图3对此详细加以说明。图3 是一时序图，在此图中示出了模拟输出信号Vot的变化曲线31、第一模拟信号V1的变化曲 线32、第二模拟信号V2的变化曲线33和对应于各自的数字精细部分的变化曲线34，横坐 标是时间。在t<、的左侧区域里，数字粗略部分设定为数值N。用于调整时间信号PWM2 的数值N2等于N，用于调整时间信号PWM1的值&为贴2。只要数字精细部分位于其极限之 内，在数值范围的12. 5%和87. 5%之间，数字粗略部分的这种设定就保持不变。在时刻、 时，数字值如此下降，以至于数字精细部分小于12. 5%的极限值，而且相应地模拟输出信号 31接近于第二模拟信号33。因此，在时刻、的转换点上，数值N1和N2减少1。同时使数字 精细部分提高其数值范围的大约50%，从而在模拟输出信号31的变化曲线中绝对看不到 转换突变。数字精细部分的新值mNEU根据下式求得mNEU = mALT+28因此，mNEU大约为62. 5%并小于87. 5%的极限，在该极限时又使值N1和N2增加1。 因此实现了一种滞后，通过该滞后阻止了在转换点处的噪声。根据变化曲线34，数字精细部分在第二转换时刻t2处超过其数值范围的87. 5% 的极限。接着直接在数值N1和N2上增加1，而数字精细部分减小28。紧接于转换之后，数 字精细部分的值达到其数值范围的大约37. 5%。在微控制器μ C中，根据其编程将对应于模拟输出信号Vott的数字值分成数字粗 略部分和带有粗略部分的滞后的数字精细部分。有利地不会产生附带的电路技术方面的费用。图4示出了一种适用于实现数字/模拟_转换器的电路41。作为微控制器应用 了一种MSP430型号的集成组件42，该组件具有三个定时器输出端43，44和45，它们用于实 现脉宽调制的时间信号PWM1, PWM2或PWM3。时间信号PWM1和PWM2分别在型号为74LVC04 的两个缓冲器46或47上引导，这两个缓冲器通过二极管48供应有高精度的基准电压。缓 冲器46和47的下游分别连接有一个低通滤波器，该低通滤波器由电阻R1和电容C1或者由 电阻R2和电容C2组成。电阻分别为51ΚΩ，电容分别为33nF。以此方式平滑的模拟信号 在Texas仪表的3157型号的转换器49的两个输入端上引导。时间信号PWM3用于操纵转 换器49。在这转换器49的下游又连接有一个低通滤波器，该低通滤波器具有150KΩ的电 阻R3和IOOnF的电容C3。该低通滤波器最终提供一个对应于规定数字值的模拟输出信号 50。为了实现低通滤波，有意地应用无源的RC滤波器，并且不应用具有有源元件的电路，这 是因为该滤波器提供很高的精度。重要的是缓冲器46和47的输出电阻以及转换器49的 输出电阻与各自在下游连接的低通滤波器的输入阻抗相比是小的。在根据图4的电路中特别明显的是，数字/模拟_转换器可以利用所示的电路41 特别价廉地制成。尽管数字/模拟_转换器有高的总分辨率，但由于串联连接的级用于产 生模拟的输出信号，还是可以应用具有相比来说高的频率的时间信号PWM1,PWM2和？丽3。这 使数字/模拟_转换具有良好的动态特性。
权利要求
一种具有模拟输出端的现场设备，尤其是一种用于生产过程用检测仪表的测量变换器(1)，所述测量变换器具有作为模拟输出端(7)的4-20mA接口，还具有数字/模拟-转换器(6)，用于在所述模拟输出端上产生模拟输出信号，其特征在于，所述数字/模拟-转换器包括以下组件-装置(μC)，用于将数字值划分成数字粗略部分和数字精细部分，-第一电路，具有可根据所述粗略部分调整的第一脉宽调制器(BUF1)，在所述第一脉宽调制器上施加基准电压(Vref)，所述第一电路具有连接在下游的低通滤波器(TP1)，用于产生位于所述模拟输出信号(VOUT)之上的第一模拟信号(V1)，-第二电路，具有可根据所述粗略部分调整的第二脉宽调制器(BUF2)，在所述第二脉宽调制器上施加基准电压(Vref)，所述第二电路具有连接在下游的低通滤波器(TP2)，用于产生位于所述模拟输出信号(VOUT)之下的第二模拟信号(V2)，-第三电路，具有可根据所述精细部分调整的第三脉宽调制器(SW1)，在所述第三脉宽调制器上施加所述第一模拟信号(V1)和所述第二模拟信号(V2)，而且其中所述第三脉宽调制器(SW1)的输出信号的上电平相当于所述第一模拟信号(V1)，所述第三脉宽调制器(SW1)的所述输出信号的下电平相当于所述第二模拟信号(V2)，而在所述第三脉宽调制器(SW1)的下游连接有低通滤波器(TP3)，用于产生所述模拟输出信号(VOUT)。
2.根据权利要求1所述的现场设备，其特征在于，用于划分所述数字值的所述装置是 微控制器(μ C)，通过所述微控制器可以产生用于控制所述脉宽调制器(BUFnBUFySW1)的 时间信号(PWM1, PWM2, P丽3)。
3.根据权利要求1或2所述的现场设备，其特征在于，所述低通滤波器(TP1,TP2, TP3) 利用无源的元件来实现，从而使所述低通滤波器的输入电阻与所述脉宽调制器(BUF1,BUF2, Sff1)的输出电阻相比较是大的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的现场设备，其特征在于，用于划分所述数字值的 所述装置这样地设计，即所述数字粗略部分基本上对应于所述数字值的那些最高有效位， 而所述数字精细部分基本上对应于所述数字值的那些最低有效位，其中它们的位的数量大 致相等，而且所述粗略部分的产生具有一个滞后。
全文摘要
本发明涉及一种具有模拟输出端的现场设备，尤其是一种测量变换器(1)，用于生产过程用检测仪表，该测量变换器具有作为模拟输出端(7)的4-20mA接口。为了实现数字/模拟-转换，数字值被分成数字粗略部分和数字精细部分。对应于数字粗略部分，借助于具有连接在下游的低通滤波器(TP1)的脉宽调制器(BUF1)产生第一模拟信号(V1)，其位于模拟输出信号(VOUT)之上，并通过具有连接在下游的低通滤波器(TP2)的脉宽调制器(BUF2)产生第二模拟信号(V2)，其位于模拟输出信号(VOUT)之下。两个模拟信号(V1，V2)引导至第三脉宽调制器(SW1)上，该调制器对应于数字精细部分来控制并且低通滤波器(TP3)连接在其下游。因此提供了具有高的分辨率和良好的动态特性的模拟输出信号(VOUT)。此外，现场设备的特征在于一种数字/模拟-转换器，其能够以非常低的生产费用来生产。
文档编号H03M1/00GK101809413SQ200880109459
公开日2010年8月18日 申请日期2008年9月26日 优先权日2007年9月28日
发明者乌尔里希·哈恩, 埃里克·谢米斯凯, 西蒙·罗尔巴赫, 迈克尔·格佩特 申请人:西门子公司