CN112824986A - 具有将输出电流输出到负载上的电流输出推动器的电路 - Google Patents

Abstract

提出一种电路，其具有微控制器、数模转换器和直流变压器，所述数模转换器具有用于将能借助过程数据预定的输出电流输出到负载上的电流输出推动器，其中，所述微控制器基于输出电压将用于设定电流输出推动器的供给电压的控制信号(例如PWM信号)输出到直流变压器上。

Description

具有将输出电流输出到负载上的电流输出推动器的电路

技术领域

本发明涉及一种用于输入/输出模块(I/O模块)的电路，所述电路具有微控制器和数模转换器，所述数模转换器具有用于将输出电流输出到负载上的电流输出推动器。本发明尤其涉及一种具有微控制器的用于I/O模块的电路，所述微控制器测量输出电压并且基于所测量的输出电压调整数模转换器的供给电压，以便减少损耗功率。

背景技术

模拟的电流输出模块的损耗功率主要通过电流输出推动器及其供给电路确定。为了减少损耗功率，可以根据输出电压连续地调控供给电压。如果例如仅流过相对小的输出电流，则可以减少电流输出推动器的供给电压。由此，电流输出推动器上的较低的电压下降并且电流供给电路必须提供较低的功率。因此，整体上减少电流输出推动器的和电流供给电路的损耗功率。

发明内容

按照本发明的电路包括用于接收过程数据的通信单元、微控制器、负载、数模转换器和第一直流变压器，所述通信单元能与总线连接以便通信，所述微控制器与通信单元连接，所述数模转换器具有用于将输出电流输出到负载上的电流输出推动器。微控制器通过数字接口与数模转换器连接并且设置用于通过数字接口基于接收的过程数据设定数模转换器的输出电流。

数模转换器具有模数转换器并且设置用于借助模数转换器将输出电压转换成数字的电压值并且通过数字接口传递给微控制器。微控制器与第一直流变压器通过控制接口连接，其中，所述第一直流变压器设置用于产生用于供给数模转换器的电流输出推动器的第一供给电压。微控制器设置用于基于输出电流和数字的电压值将用于设定第一供给电压的控制信号通过控制接口输出到第一直流变压器上。

在此，在说明书和权利要求书中使用的“电路”的概念尤其理解为电构件和/或电子构件联接成符合功能的布置结构。此外，在说明书和权利要求书中使用的“微控制器”的概念尤其理解为具有处理器和存储器的半导体芯片。此外，在说明书和权利要求书中使用的“数模转换器”的概念尤其理解为一种电路，该电路例如接收二进制编码的信息并且由所述二进制编码的信息导出要输出的电压或要输出的电流的强度。

此外，在说明书中和权利要求书中使用的“电流输出推动器”的概念尤其理解为一种电路，该电路在输出端上输出由在输入端施加的电压导出的电流。此外，在说明书中和权利要求书中使用的“直流变压器”的概念尤其理解为一种电路，该电路在输入端以第一电压供给并且在输出端输出第二电压，其中，输入端的电压和输出端的电压至少部分不同。此外，在说明书中和权利要求书中使用的“数字接口”的概念尤其理解为一种接口，该接口将二进制编码的信息例如从微控制器传输至数模转换器并且反之亦然。

此外，在说明书和权利要求书中使用的“模数转换器”的概念尤其理解为一种电路，该电路例如由输入的电压或者输入的电流的强度导出二进制编码的信息。在说明书中和权利要求书中使用的“数字的电压值”的概念尤其理解为一种电压值，该电压值通过以一定值范围补偿电压值并且将电压值分配给其所属的值范围来解释。

在此，在当前的说明书和权利要求书的范围内使用的“I/O模块”的概念尤其理解为一种能串列到另一I/O模块或者前端上的或在运行中串列的器件，该器件将一个或多个现场设备与前端连接并且必要时(通过前端)与上级控制单元连接。就此而言，在当前的说明书和权利要求书的范围内使用的“现场设备”的概念尤其理解为与I/O模块(信号技术地)连接的(例如在I/O模块上接通的)传感器和/或执行器。

此外，在当前的说明书的范围内使用的“输入端”和“输出端”的概念尤其理解为电接头，例如连接柱。此外，在当前说明书的范围内使用的“前端”的概念理解为模块化的现场总线节点的组件，所述组件的任务在于，使串列在前端上的I/O的模块的数据和/或服务通过总线接口和连接在总线接口上的现场总线供其他现场总线用户设备(例如上级控制单元)使用。

微控制器可以设置用于存储通过通信单元接收的具有最小电流值和最大电流值的输出范围并且基于最小电流值和/或最大电流值设定第一供给电压。

此外，微控制器可以设置用于将第一供给电压在开始时设定成最大电压值并且在接收过程数据之后基于输出电流和数字的电压值设定第一供给电压。

此外，微控制器可以设置用于在过程数据中包含的输出电流处于预先确定的电流范围内时基于输出电流设定第一供给电压。

此外，微控制器可以设置用于当数字的电压值处于预先确定的电压值范围内时基于输出电流设定第一供给电压。

微控制器可以设置用于借助于一函数设定第一供给电压，其中，所述函数具有作为输入变量的最大电流值和输出电流和数字的电压值。

微控制器还可以设置用于附加地基于偏置电压设定第一供给电压。

微控制器例如可以设置用于借助于一函数设定第一供给电压，所述函数为：

V1＝Imax×Vdig/I+Voff

其中，Imax是最大电流值，V1是第一供给电压，Vdig是数字的电压值，I是输出电流，并且Voff是偏置电压。

微控制器还可以设置用于根据时间值和/或测量值调整偏置电压。

微控制器可以设置用于多次确定用于设定第一供给电压的控制信号并且通过控制接口输出到第一直流变压器上，其中，对于第二供给电压的两次(不同的)时间上间隔开的测量进行确定。

微控制器还可以设置用于在接入电路时重新确定第一直流变压器的第一供给电压。

微控制器还可以设置用于生成控制信号，通过所述控制信号可以控制第一直流变压器。

例如，微控制器可以设置用于借助于控制信号的脉冲宽度调制(PWM)设定第一供给电压或者切换信号可以符合一百分值，从该百分值可以到处PWM信号或者符合该百分值的模拟信号。

切换信号或者百分值的计算可以通过微控制器基于(例如已经在微控制器中数字存在的)输出电流的电流值和(例如借助SPI传输给微控制器的)数字的电压值确定。如果负载表现为欧姆电阻(亦即线性的)，则一个采样点(包括电流值和与之相关的数字的电压值)就足够了。在非线性的电阻的情况下，可以检测多个采样点并且推断出切换信号或者百分值。

微控制器的存储器具有将第一供给电压分配给一脉冲宽度的数据结构。

电路可以包括第二直流变压器，以第二供给电压供给该第二直流变压器，其中，所述第二直流变压器集成在数模转换器中并且设置用于产生电流输出推动器的第三供给电压，并且其中，所述微控制器设置用于基于电流输出端处的电压和输出电流通过数字接口设定第三供给电压。

第一和第三供给电压可以具有不同的符号。例如，第一供给电压可以是负的电压并且第三供给电压可以是正的电压。

微控制器和第一直流变压器可以电隔离。

微控制器和电流输出推动器可以电隔离。

微控制器可以设置用于通过总线接口接收过程数据并且由过程数据导出要在电流输出端上输出的电流值。

在此，要理解的是，由电路执行的步骤可以理解为在使用电路的情况下实现的对应的方法的步骤，并且反之亦然。

附图说明

随后借助实施例的详细的说明中阐述本发明，其中，参照附图，

图中：

图1示出按照本发明的电路的框图；

图1a和图1b示出图1中的输出电压和第一供给电压；

图1c和图1d示出确定第一供给电压和第三供给电压的可能的确定；

图2示出图1中示出的按照本发明的电路的改型；

图2a和图2b示出图2中的输出电压和第一供给电压；

图3示出图2中示出的按照本发明的电路的改型；

图3a和图3b示出图3中的输出电压、第一供给电压和第三供给电压；

图4示出图3中示出的按照本发明的电路的改型；

图4a和图4b示出图4中的输出电压、第一供给电压和第三供给电压；

图5示出模块化的现场总线节点的结构，在该现场总线节点中使用所述电路；

图6示意性地示出现场总线系统的结构；

图7示出流程图，其示出按照本发明的电路的应用。

在此，在图中通过相同的附图标记表示相同的或功能类似的元件。

具体实施方式

图1示出具有微控制器300和数模转换器400的电路100。所述数模转换器400具有用于将输出电流输出到负载500上的电流输出推动器430。微控制器300经由数字接口420与数模转换器140连接并且由此设定数模转换器400的输出电流I。数模转换器400具有模数转换器410并且借助模数转换器410将输出电压V2转换成数字的电压值Vdig，该数字的电压值通过数字接口420传递给微控制器300。

电路100还包括第一直流变压器200，该第一直流变压器产生用于供给数模转换器400的电流输出推动器430的供给电压V1。微控制器300通过控制接口310与第一直流变压器200连接并且由输出电流I和数字的电压值Vdig导出控制信号S，该控制信号为了第一供给电压V1的设定而通过控制接口310输出给第一直流变压器200。

如果启动微控制器300，则所述微控制器将用于输出电流I的指令发送到数模转换器400。可以将输出电压V2(电阻RL上的电压)通过模数转换器410和数字接口(例如串行外设接口，SPI)作为数字的电压值Vdig回读。微控制器300可以由输出电压V2的经测量的值Vdig和已知的输出电流I计算出负载500的电阻RL的值(RL＝Vdig/I)。于是，借助电阻值RL和具有最小电流值Imin与最大电流值Imax的(电流)输出范围A可以基于最小电流值Imin和/或最大电流值Imax设定第一供给电压V1。

例如，通过第一直流变压器200的PWM可以设定所需的最小的负的供给电压V1(例如V1＝(RL×Imin)－2.5V))。为此，微控制器300的存储器具有将第一供给电压V1分配给一脉冲宽度的数据结构。2.5伏特的偏置电压Voff可以根据时间值和/或测量值调整。这例如尤其当电容或者电感在电路100的输出端上作用时是有利的。

因此，可以确保用于确定的电阻值RL的经设定的供给电压V1在整个要使用的电流输出范围A中是有效的。同时，通过较低的负的供给电压V1明显减少损耗功率。因为电阻值RL在持续运行中不改变，所以负的第一供给电压V1的计算和设定仅在启动微控制器300时或者在建立诊断之后或者在改变电流输出范围A之后一次性地需要。如在图1a和图1b中示出的那样，第一供给电压V1可以根据输出电压V2调整，从而可以减少损耗功率。

如在图1c中示出的那样，可以将第一供给电压V1在开始时设定成最大电压值Vmax并且在接收过程数据800之后，如果由过程数据800预定的输出电流I处于输出范围A内，则根据公式F利用作为输入变量E的输出电流I和数字的电压值Vdig设定所述第一供给电压。

为了防止由于输出电压V2的不精确的数字化而错误设定，可以规定，仅当包含在过程数据800中的输出电流I处于预先确定的电流范围IB内或者最小值例如>1mA时，基于输出电流I设定第一供给电压V1。备选地可以规定，如在图1d中所示，仅当数字的电压值Vdig处于预先确定的电压值范围VB内时，基于输出电流I设定第一供给电压V1。

负载500的电阻RL发生的(长期)变化(例如由于组件的老化而引起)可以通过如下方式补偿，即在经过特定的时间之后基于当前的输出电压V2调整用于设定第一供给电压V1的控制信号S并且将调整后的控制信号S通过控制接口310输出到第一直流变压器200上，较新的控制信号S因此取代旧的控制信号S。

如在图2、图2a和图2b中所示，微控制器300和第一直流变压器200可以电隔离。此外，微控制器300和电流输出推动器430电隔离。

如图3中所示，电路100包括第二直流变压器440，以第二供给电压V4供给该第二直流变压器。第二直流变压器440可以集成在数模转换器400中并且产生电流输出推动器430的第三供给电圧V3。微控制器300可以基于输出电流I的输出电压V2通过数字接口420设定第三供给电压V3。如在图3a和图3b中示出，第一供给电压V1可以是负的电压并且第三供给电压V3可以是正的电压。例如，可以在使用暂停时将负载500更换成另一个负载500，所述另一个负载不需要正的输出电流I而需要负的输出电流I。

如在图4中所示，微控制器300可以设置用于通过通信单元700(例如总线接口)接收过程数据800并且由过程数据800导出要在电流输出端输出的电流值。

图5示出示例性的模块化的现场总线节点40，包括前端110和两个串列到前端110上的模块100a和100b，在所述模块上连接传感器500a或者执行器500b。传感器500a和/或执行器500b可以通过在相应的模块100a、100b中设置的电路100单独地以相应的输出电压V2供给。在此，要理解的是，模块100a、100b可以这样改进，使得可以将多个传感器500a和/或执行器500b连接在所述模块上，其中，一个或多个所述传感器500a和/或执行器500b通过相应的电路100单独地以相应调整的输出电压V2供给。

在运行期间，以输出电压V2供给传感器500a的模块100a通过单独的信号线读入传感器信号并且由传感器信号生成状态数据，通过本地总线120将所述状态信号传输到前端110上。前端110可以本地处理所述状态数据和/或(可能在改进的形式中)当模块化的现场总线节点40如图6中所示是现场总线系统10的一部分时，通过现场总线30继续传送到上级单元20上。上级单元20(或者在本地处理时的前端11)可以在考虑状态数据的情况下生成控制数据。

现场总线系统10包括多个现场总线节点40，所述现场总线节点通过(现场)总线30与上级单元20连接。上级单元20可以不仅用于监视而且用于调控由现场总线系统10监视或者控制的设备(未示出)。当上级单元20监视设备时，上级单元20可以从现场总线节点40周期地或者非周期地接收状态数据(随后也成为输入过程映像)，所述状态数据描述设备的状态并且当所述设备的状态与期望的/允许的状态或者状态范围(实质上)偏离时，生成故障信号或者警报信号。当上级单元20(不仅监视，而且)调控设备时，所述上级单元20可以从现场总线节点100周期地或非周期地接收状态数据并且在考虑状态数据的情况下确定传输至现场总线节点40的控制数据。控制数据可以是过程数据的一部分。

由上级单元20生成的控制数据可以通过(现场)总线30传输到(相同的或者另一个)前端110上。传输至前端110的(或者由前端110生成的)控制数据可以(可能在改进的形式中)继续传送/传输至模块100b。模块100b接收控制数据并且将符合控制数据的控制信号在与执行器500b连接的输出端上输出。在现场总线系统10的组件之间的数据通信和传感器信号到状态数据的映射和控制数据到控制信号的映射可以通过现场总线节点100a和100b的配置适配于不同的使用场景。在所述配置的范围内，也可以将最小电流值Imin和最大电流值Imax传输到微控制器300上，其中，基于所述最小电流值Imin和/或最大电流值Imax设定供给电压V1和V3。

同样，可以将传感器500a的和执行器500b的电压供给通过相应的过程数据单独地适配于传感器500a或者执行器500b。在此，该流程在图7的流程图中示出。一旦以能量供给电路100，就在步骤910中开始初始化阶段，在该初始化阶段中针对电流输出范围(例如±22mA)配置数模转换器400。接着，在步骤920中由微控制器300处理过程数据800(其例如预定-10mA的输出电流I)并且将相应的控制信号S(例如通过串行外设接口，SPI)发送给数模转换器400。

接着，微控制器300在步骤930中请求输出电压V2。如果负载500、500a、500b例如产生200Ω的电阻，则值测量为V2＝10mA×200Ω＝2V并且作为数字的电压值Vdig传输到微控制器300上。微控制器300可以执行电阻计算(RL＝Vdig/10mA＝200Ω)并且确定电流输出推动器430的所需的负的最小供给电压(V1＝(-22mA×200Ω)－2.5V＝-6.9V)(所述电流输出推动器430例如可以需要-2.5V的恒定的最小电压以便在特定的范围内运行)。可以将经计算的最小供给电压(-6.9V)分配给凭经验确定的且存储在列表中的PWM值。前述的值(例如PWM＝7％)可以传输给第一直流变压器200，由此在步骤940中调整第一供给电压V1。所述方法也能够用于产生正的第三供给电压V3。

在上述例子中，电流输出推动器的损耗功率例如为(6.9V－(200Ω×10mA))×10mA＝49mW。在没有调整负的电流推动器功率的情况下，电流输出推动器的功率损耗为(16V－(200Ω×10mA))×10mA＝140mW，明显更高。对于电阻值为200Ω的进一步运行来说，所述6.9V保持不变，因为针对-22mA的最大电流设定负的供给电压。仅当存在重新布线的可能性并且因此也存在由于重新启动或者断线而改变电阻值时，才需要重新计算电阻RL和负的供给电压V1。

附图标记列表

10 现场总线系统

20 上级控制单元

30 总线

40 模块化的现场总线节点

100 电路

100a I/O模块(包括电路)

100b I/O模块(包括电路)

110 前端

120 现场总线

200 直流变压器

300 微控制器

310 控制接口

400 数模转换器

410 模数转换器

420 通信接口

430 电流输出推动器

440 直流变压器

500 负载

500a 传感器

500b 执行器

610 电隔离

620 电隔离

700 通信单元(例如总线接口)

800 过程数据

910 步骤

920 步骤

930 步骤

940 步骤

A 输出范围

E 输入变量

F 函数

I 输出电流

IB 电流范围

S 控制信号

V1 供给电圧

V2 输出电压

V3 供给电压

Vdig 数字的电压值

VB 电压值范围

Claims (17)

1.用于I/O模块的电路(100)，其具有：

用于接收过程数据(800)的通信单元(700)，所述通信单元能与总线(30)连接以便通信；

微控制器(300)，所述微控制器与通信单元(700)连接；

负载(500)；

数模转换器(400)，所述数模转换器具有用于将输出电流输出到所述负载(500)上的电流输出推动器(430)；和

第一直流变压器(200)；

其中，所述微控制器(300)与所述数模转换器(400)通过数字接口(420)连接；

其中，所述微控制器(300)设置用于通过所述数字接口(420)基于所接收的过程数据(800)设定所述数模转换器(400)的输出电流(I)；

其中，所述数模转换器(400)具有模数转换器(410)并且设置用于借助所述模数转换器(410)将输出电压(V2)转换成数字的电压值并且通过所述数字接口(420)传递给所述微控制器(300)；

其中，所述微控制器(300)通过控制接口(310)与所述第一直流变压器(200)连接；

其中，所述第一直流变压器(200)设置用于产生用于供给所述数模转换器(400)的所述电流输出推动器(430)的第一供给电压(V1)；

其中，所述微控制器(300)设置用于基于所述输出电流(I)和所述数字的电压值(Vdig)将用于设定所述第一供给电压(V1)的控制信号(S)通过控制接口(310)输出到所述第一直流变压器(200)上。

2.根据权利要求1所述的电路(100)，

其中，所述微控制器(300)还设置用于：

存储通过所述通信单元(700)接收的具有最小电流值(Imin)和最大电流值(Imax)的输出范围(A)，

并且基于所述最小电流值(Imin)和/或最大电流值(Imax)设定所述第一供给电压(V1)。

3.根据上述权利要求之一所述的电路(100)，

其中，所述微控制器(300)还设置用于，将所述第一供给电压(V1)在开始时设定到最大电压值(Vmax)并且在接收所述过程数据(800)之后基于所述输出电流(I)和所述数字的电压值(Vdig)设定所述第一供给电压(V1)。

4.根据上述权利要求之一所述的电路(100)，

其中，所述微控制器(300)还设置用于，当在所述过程数据(800)中包含的输出电流(I)处于预先确定的电流范围(IB)内时，基于所述输出电流(I)设定所述第一供给电压(V1)。

5.根据上述权利要求之一所述的电路(100)，

其中，所述微控制器(300)还设置用于，当所述数字的电压值(Vdig)处于预先确定的电压值范围(VB)内时，基于所述输出电流(I)设定所述第一供给电压(V1)。

6.根据上述权利要求之一所述的电路(100)，

其中，所述微控制器(300)还设置用于，借助于一函数(F)设定所述第一供给电压(V1)，其中，所述函数(F)具有作为输入变量(E)的最大电流值(Imax)和输出电流(I)和数字的电压值(Vdig)。

7.根据上述权利要求之一所述的电路(100)，

其中，所述微控制器(300)还设置用于，借助于一函数(F)设定所述第一供给电压(V1)，其中，所述函数(F)为：

V1＝Imax×Vdig/I+Voff

其中，Imax为最大电流值，V1为第一供给电压(V1)，Vdig为数字的电压值(Vdig)，I为输出电流(I)并且Voff为偏置电压。

8.根据上述权利要求之一所述的电路(100)，

其中，所述微控制器(300)还设置用于，附加地基于偏置电压(Voff)设定所述第一供给电压(V1)，

其中，所述微控制器(300)还设置用于根据时间值和/或测量值调整所述偏置电压(Voff)。

9.根据上述权利要求之一所述的电路(100)，

其中，所述微控制器(300)设置用于，多次确定用于设定所述第一供给电压(V1)的控制信号(S)并且通过所述控制接口(310)输出到所述第一直流变压器(200)上，其中，对于所述输出电压(V2)的两次时间上间隔开的测量进行所述确定。

10.根据上述权利要求之一所述的电路(100)，

其中，所述微控制器(300)还设置用于在接入所述电路(100)时重新确定所述第一直流变压器(200)的所述第一供给电压(V1)。

11.根据上述权利要求之一所述的电路(100)，

其中，所述微控制器(300)还设置用于生成控制信号，通过所述控制信号控制所述第一直流变压器(200)；和/或

其中，所述微控制器(300)还设置用于，借助于所述控制信号的脉冲宽度调制设定所述第一供给电压(V1)。

12.根据权利要求11所述的电路(100)，

其中，所述微控制器(300)的存储器具有数据结构，所述数据结构将所述第一供给电压(V1)分配给一脉冲宽度。

13.根据上述权利要求之一所述的电路(100)，还包括：

第二直流变压器(440)，以第二供给电压供给所述第二直流变压器；

其中，所述第二直流变压器(440)集成在所述数模转换器(400)中并且设置用于产生所述电流输出推动器(430)的第三供给电圧(V3)；

其中，所述微控制器(300)设置用于基于电流输出端的电压(V2)和输出电流通过所述数字接口(420)设定所述第三供给电压(V3)。

14.根据权利要求13所述的电路(100)，

其中，所述第一供给电压(V1)是负的电压并且所述第三供给电压(V3)是正的电压。

15.根据上述权利要求之一所述的电路(100)，

其中，所述微控制器(300)和所述第一直流变压器(200)电隔离。

16.根据上述权利要求之一所述的电路(100)，

其中，所述微控制器(300)和所述电流输出推动器(430)电隔离。

17.根据上述权利要求之一所述的电路(100)，

其中，所述微控制器(300)设置用于通过总线接口(700)接收过程数据并且由所述过程数据导出要在电流输出端上输出的电流值。

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