用于处理模拟输入信号的输入电路和其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种下面简称为输入电路的模拟-数字变换电路，用于处理具有调制的附加信号的模拟测量信号形式的模拟输入信号，特别涉及具有集成的对调制的附加信号、例如HART信号形式的附加信号的解调、由此具有集成的HART解调的这种输入电路。
【背景技术】
[0002]这种输入电路已经公知，并且迄今具有许多测量转换器和执行器，它们经由4-20mA接口和经由集成的HART接口连接到模拟检测和输出组件。由此产生这样的需要:既借助模拟-数字变换将通过4-20mA电流传输的实际的测量值数字化，还对调制到该电流上的HART信号进行解调并且接收由此传输的电报。
[0003]图1中的视图示出了这种输入电路。
[0004]可以看出，这种公知的输入电路开销比较大，因为它包括模拟-数字变换器、带通滤波器和HART解调器。
【发明内容】
[0005]从该现有技术出发，本发明要解决的技术问题是，提供具有集成的HART解调的模拟输入电路的另一种实施方式，特别是更简单地构造、由此能够以更低的成本制造的这种输入电路。本发明要解决的另一个技术问题是，提供一种用于操作这种模拟输入电路的方法。
[0006]根据本发明，关于设备方面，上述技术问题通过具有本发明的特征的模拟输入电路来解决。对此，在下面有时也仅简称为输入电路的模拟输入电路中，该模拟输入电路被确定和设计用于处理具有调制的附加信号的模拟测量信号形式的模拟输入信号，以及用于将输入信号变换为串行的位流，该位流具有与输入信号、由此也与测量信号成比例的高电平的频率分布，设置为，所述输入电路包括用于比较输入信号的瞬时电压值与可变的比较值的部件以及用于使比较值适应所产生的位流的瞬时值的部件。
[0007]这样的输入电路的优点在于，代替迄今为止需要的单元、即模拟-数字变换器、带通滤波器和解调器、特别是HART解调器，其仅需要用于比较输入信号的瞬时电压值与可变的比较值的部件以及用于使比较值适应所产生的位流的瞬时值的部件。
[0008]在输入电路的一种特别的实施方式中，比较器用作用于比较输入信号的相应的瞬时电压值与可变的比较值的部件。
[0009]在输入电路的另一种特别的实施方式中，在其输出端上输出分别产生的位流的D触发器和将该D触发器的输出端连接到比较器的输入端中的一个的电阻，用作使比较值适应所产生的位流的相应的瞬时值的部件。
[0010]关于方法，根据本发明，上述技术问题通过本发明的并列的方法的特征来解决。对此，在用于操作在这里和下面说明的类型的输入电路的方法中设置为，比较输入信号的相应的瞬时电压值与由输入电路提供的可变的比较值，使所述比较值适应所产生的位流的瞬时值，并且将输入信号与由该输入信号包括的调制的附加信号一起变换为串行的位流，该位流具有与输入信号成比例的高电平的频率分布。
[0011]在输入电路的一种特别的实施方式中，其中比较器用作用于比较输入信号的相应的瞬时电压值与可变的比较值的部件，可以向比较器的第一输入端供给输入信号，其中，在该比较器的第二输入上连接电容器，并且电容器上的电压用作比较值，并且其中，输入电路包括D触发器和连接在该D触发器的输出端和电容器之间的电阻，作为用于使比较值适应所产生的位流的瞬时值的部件。
[0012]电容器用作电荷存储器，并且电容器上的电压用作比较值。电容器的相应的充电状态、由此比较值经由连接到D触发器的输出端的电阻而依赖于分别产生的位流，亦即依赖于位流的分别产生的电平的瞬时值。这是一种通过电路技术特别容易实现、然而仍然有效的用于产生具有与输入信号和由其包括的测量信号成比例的频率分布的高电平和低电平的位流的方式方法。
[0013]在输入电路的另一种特别的实施方式中，其包括处理单元和作为处理单元的功能实现的自动装置，其中，能向处理单元供给串行的位流，并且其中，借助自动装置能够确定位流中的高和/或低电平的频率分布。这种处理单元、例如所谓的FPGA形式的处理单元，是比较简单、但是特别有效的用于实现用于确定位流中的高和/或低电平的频率分布的功能/自动装置的可能性。这种功能原则上也可以例如主要利用两个计数器离散地构成，其中，两个计数器中的一个对位流中的高和/或低电平进行计数，直到另一个计数器达到预先给定的阈值为止，或者从预先给定的阈值开始向下计数直到零为止。于是，所产生的第一计数器的计数器读数是频率分布的量度，由此是作为基础的输入信号的值和由其包括的测量信号的值的量度。
[0014]在上面概括的用于操作输入电路的方法的一种实施方式中，在包括具有这种自动装置的处理单元的输入电路中设置为，自动装置包括输入电路的第一和第二模型的一种实现，用于重构输入信号，第一和第二模型提供输入信号的第一和第二重构结果，并且根据这两个重构结果的比较来确定调制的附加信号。两个重构结果的这样的比较例如可以以从第一重构结果中减去第二重构结果的形式进行。总之，两个这样的重构结果的形成和随后它们的比较是一种相对简单、然而有效的用于恢复调制到测量信号上的附加信号、从而恢复由输入信号包括的附加信号的可能性。
[0015]在用于操作具有这样的处理单元和这样的自动装置的输入电路的方法的另一种实施方式中，借助处理单元产生用于控制输入电路、特别是用于对D触发器进行定时的时钟信号。这具有这样的优点:同一个时钟信号可以用于控制输入电路，也可以用于对输入电路的第一和第二模型进行定时。
[0016]在所述方法的又一种实施方式中，借助自动装置确定在相应于电网周期的持续时间的时间段期间的位流中的高或低电平的平均的频率分布。这具有这样的优点:可能的电网交流声被消除，并且根据该方法工作的输入电路在不作为具体的构件包括电网滤波器的情况下，像具有电网滤波器的输入电路一样动作。
[0017]这里介绍的输入电路和这里介绍的用于操作这样的输入电路的方法特别地考虑其中调制的附加信号是HART信号的模拟输入信号。
[0018]总之，本发明还是一种自动化设备，具有如在这里和在下面所说明的输入电路或者具有根据在这里和在下面所说明的方法工作的输入电路，也就是说例如一种自动化设备，其形式为具有至少一个模拟输入和用于至少一个模拟输入的至少一个这样的输入电路的模拟输入组件，或者其形式为同样具有用于由模拟输入组件包括的至少一个模拟输入的至少一个这样的输入电路的数字/模拟输入组件。
【附图说明】
[0019]下面根据附图详细说明本发明的实施例。互相对应的内容或者元素在所有的图中都具有相同的附图标记。
[0020]所述或者每一个实施例都不应该理解为是对本发明的限制。相反，在本公开的范围内完全还能够进行补充和修改，特别是那些补充和修改，它们例如通过组合或者修改结合在一般的或者特定的说明部分中说明的、以及在权利要求和/或附图中包含的各个特征或者方法步骤对于专业人员考虑到上述技术问题的解决可提取，并且通过可组合的特征产生新的主题或者新的方法步骤或方法步骤序列。
[0021]附图中:
[0022]图1示出了公知的模拟输入电路，
[0023]图2示出了根据这里提出的方式的模拟输入电路，以及
[0024]图3示出了自动装置的图示，该自动装置用于评估由根据图2的模拟输入电路产生的位流。
【具体实施方式】
[0025]图1中的图示以示意的简化的形式示出了在现有技术中公知的、具有集成的HART解调的模拟输入电路10的原理图。下面有时也仅简称为输入电路10的模拟输入电路10包括模拟-数字变换器(A/D变换器)12、带通滤波器14和HART解调器16。
[0026]借助输入电路10记录的、具有调制的附加信号、例如HART信号的模拟测量信号形式的输入信号18，借助A/D变换器12被变换为数字值，并且其为了例如作为调节器的实际值进一步进行处理，借助串行或者并行的连接(串行或者并行的传输线20)向微控制器、FPGA、ASIC等形式的处理单元22传输。
[0027]并行地向带通滤波器14供给输入信号18，带通滤波器14从输入信号18中滤出调制的HART信号。带通滤波器14的输出借助HART解调器16被变换为数字的HART电报24，并且其同样被供给处理单元22。
[0028]为了能更好地理解本说明，但是不失广泛的一般性，本说明在下面使用调制的HART信号作为附加信号的例子继续。
[0029]图2中的视图示出了这里提出的类型的输入电路10的一种实施方式。该输入电路10不包括A/D变换器12 (图1)、带通滤波器14 (图1)，也不包括解调器，特别不包括HART解调器16 (图1)。这些迄今需要的功能单元通过比较器26、以高频定时的D触发器28和由处理单元22包括的自动装置30来代替。
[0030]比较器26比较对地连接的电容器32的电压与输入信号18的相应的电压值。分别产生的比较器26的输出信号被引导到以高频定时的D触发器28的通常称为D输入端的数据输入端。为了对D触发器28进行高频定时，处理单元22产生具有例如一微秒的时钟周期的时钟信号34。该时钟信号34被供给D触发器28的时钟输入端。D触发器28的输出通过电阻36反馈到电容器32。
[0031]在适当地选择时钟信号34的时钟频率及电阻值和电容器值的情况下，以及通过对D触发器28的精确的电压供给，例如使得产生的高电平和低电平相应于+5V或者0V的电压值，则使用该输入电路10产生位流38，从它的单时间间隔(Einsintervall)的相对的频率分布中，既能够导出输入信号18在分别考虑的时间区间内的精确的平均值，也能够导出调制的HART信号的频率。这借助作为处理单元22的功能实现的自动装置30进行。作为单时间间隔，这里在以时钟信号34的时钟频率对位流38进行采样时，理解为所有这样检测到的高电平。
[0032]对此，这里首先说明借助比较器26和D触发器28的位流38的生成。这里假定，电容器32首先未充电或者仅具有少量的初始电荷，并且为简化说明，假定模拟输入信号18具有在很大程度上恒定的值，例如2.5V。比较器26比较输入信号的瞬时电压值(亦即例如2.5V)与电容器32上的电压，其根据假设很小，从而至少低于2.5V。相应地在比较器26的输出端上出现逻辑“1”，它由D触发器28以时钟信号34的上升沿连接到D触发器28的输出端。由于对D触发器28的精确的电压供给，该逻辑“1”相应于例如5V的电压水平，从而电容器32用该电压充电。该充电过程在时钟信号34的后续周期期间进行，直到电容器32上的电压达到超过输入信号18的瞬时