DE102009001863A1

DE102009001863A1 - Method for signal transmission between process control systems of e.g. field device for detecting process variable in process automation industry, involves adjusting direct current signal and alternating current signal in current loop

Info

Publication number: DE102009001863A1
Application number: DE102009001863A
Authority: DE
Inventors: Björn HAASE
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-09-30

Abstract

The method involves generating a data stream by a control unit, and digitally encrypting direct current (DC) signal and an alternating current (AC) signal in the control unit. The data stream is transmitted to a power output circuit, and the transmitted data stream is converted into the current signal by a current output circuit. The transmitted data stream is converted into the DC signal and the AC signal by the power output circuit. The current signal, the DC signal and the AC signal are adjusted in a current loop (L). An independent claim is also included for an electrical and/or electronic switch for signal transmission between process control systems.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zu Signalübertragung zwischen einem ersten und einem zweiten System, wobei das erste und das zweite System über eine Stromschleife miteinander in Verbindung stehen, wobei ein Gleichstromsignal in einem ersten Frequenzbereich und ein Wechselstromsignal in einem zweiten Frequenzbereich über die Stromschleife übertragen werden, wobei sich das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal überlagern, wobei das Wechselstromsignal zur digitalen Signalübertragung und das Gleichstromsignal zur analogen Signalübertragung verwendet werden.The The invention relates to a method of signal transmission between a first and a second system, wherein the first and the second system via a current loop with each other be in communication with a DC signal in a first Frequency range and an AC signal in a second frequency range over the current loop are transmitted, with the DC signal and superimpose the AC signal, the AC signal for digital signal transmission and the DC signal for analog signal transmission can be used.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine elektrische und/oder elektronische Schaltung zur Signalübertragung zwischen einem ersten und einem zweiten System, wobei das erste und das zweite System über eine Stromschleife miteinander in Verbindung stehen, wobei die Stromschleife dazu dient, in einem ersten Frequenzbereich ein Gleichstromsignal und in einem zweiten Frequenzbereich ein Wechselstromsignal zu übertragen, wobei sich das Wechselstromsignal und das Gleichstromsignal überlagern, wobei das Gleichstromsignal zur analogen Signalübertragung und das Wechselstromsignal zur digitalen Signalübertragung dient.Farther The invention relates to an electrical and / or electronic Circuit for signal transmission between a first and a second system, wherein the first and the second system over a current loop communicate with each other, with the current loop this is done in a first frequency range, a DC signal and transmit an AC signal in a second frequency range, wherein the AC signal and the DC signal superimpose, wherein the DC signal for analog signal transmission and the AC signal for digital signal transmission serves.

In der Prozessautomatisierungsindustrie werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, Ventilsteuerungen usw., welche als Sensoren oder Aktoren Prozessvariablen wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert oder Leitfähigkeit erfassen oder steuern.In The process automation industry often becomes field devices used to capture and / or influence process variables. Examples of such field devices are level measuring devices, Pressure and temperature measuring instruments, pH meters, Conductivity meters, valve controls, etc., which as process variables such as level, sensors, or actuators, Flow, pressure, temperature, pH or conductivity capture or control.

Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser^© hergestellt und vertrieben.A large number of such field devices is manufactured and distributed by Endress + Hauser ^© .

Häufig sind Feldgeräte mit übergeordneten Einheiten, z. B. Prozessleitsystemen oder Steuerungen verbunden. Diese übergeordneten Einheiten dienen zur Prozessüberwachung, Prozesssteuerung oder Prozessvisualisierung.Often are field devices with higher-level units, z. B. process control systems or controllers connected. This parent Units are used for process monitoring, process control or Process visualization.

Die Signalübertragung zwischen Feldgeräten und übergeordneten Einheiten erfolgt häufig nach dem 4 bis 20 mA Standard über eine Zweileiter-Stromschleife. Handelt es sich bei den Feldgeräten um Sensoren, so werden die von ihnen erfassten Messwerte als Gleichstromsignal über die Zweileiter-Stromschleife an die übergeordneten Einheiten übertragen. Der Messbereich der Sensoren wird dabei linear auf einen 4 bis 20 mA Gleichstrom abgebildet. Normalerweise wird dieses Gleichstromsignal nicht in der übergeordneten Einheit sondern in einem getrennten Messumformerspeisegerät, welches mit der Zweileiter-Stromschleife verbunden ist, erzeugt.The Signal transmission between field devices and higher level Units are often over in the 4 to 20 mA standard a two-wire current loop. Is it the field devices sensors, the measured values they acquire are transmitted as a direct current signal transmit the two-wire current loop to the higher-level units. The measuring range of the sensors becomes linear to a 4 to 20 mA DC shown. Normally, this DC signal does not in the parent unit but in a separate one Transmitter power supply, which with the two-wire current loop connected, generated.

Intelligente Feldgeräte besitzen teilweise umfangreiche Diagnose- oder Konfigurationsmöglichkeiten, die z. B. Informationen über den Wartungszustand von Sensoren betreffen, Parametrierungen der Messbereiche ermöglichen oder den Anwender auf baldigen Ausfall des Gerätes hinweisen.intelligent Field devices sometimes have extensive diagnostic or Configuration options that z. B. Information about concern the maintenance condition of sensors, parameterizations of the Allow measuring ranges or the user to speedily Indicate failure of the device.

Derartige Diagnoseinformationen können nicht auf einfache Weise in einem 4 bis 20 mA Gleichstromsignal kodiert werden. Eine Lösung, welche ermöglicht, derartige Diagnose oder Konfigurationsmöglichkeiten, bei Beibehaltung der physikalischen Zweileiter-Stromschleifen-Verdrahtung, zu erschließen, besteht in der Nutzung einer digitalen Kommunikation. Ein verbreiteter Standard für die digitale Kommunikation über eine Zweileiter-Stromschleife ist der sogenannte „HART” Standard (Akronym für „Highway Addressable Remote Transducer”).such Diagnostic information can not be easily entered a 4 to 20 mA DC signal are encoded. A solution, which enables such diagnosis or configuration options, while maintaining physical two-wire current loop wiring, to tap into, is the use of a digital Communication. A common standard for digital communications over a two-wire current loop is the so-called "HART" standard (Acronym for "Highway Addressable Remote Transducer").

Bei diesem Standard wird die Signalübertragung über die Stromschleife in einem Frequenz F-Multiplex-Betrieb betrieben (siehe auch 2). Im Frequenzband unter 30 Hz, dem so genannten „Analogband”, wird die Messgröße analog über ein Gleichstromsignal zwischen 4 und 20 mA kodiert. Damit ist die Kompatibilität mit bestehenden reinen Analogsensoren ohne Diagnose- oder Wartungsfunktionalität gewahrt. Das Frequenzband zwischen 100 Hz und rund 10 kHz wird für die Übertragung digitaler Daten genutzt. Diese Frequenzen werden durch ein das Gleichstromsignal überlagerndes Wechselstromsignal erreicht. Zwei Standards für die Nutzung dieses Frequenzbandes sind verbreitet: Bell 202 mit einer Baudrate von 1200 Hz und eine PSK-Modulation mit einer Baudrate von 4800 Hz. Die PSK-Modulation wird aufgrund von der höheren technischen Schwierigkeit bei der Modulation und Demodulation trotz der höheren physikalischen Übertragungsrate heute vielfach nicht eingesetzt.In this standard, signal transmission over the current loop is frequency F multiplexed (see also 2 ). In the frequency band below 30 Hz, the so-called "analog band", the measured variable is encoded analogously via a direct current signal between 4 and 20 mA. This ensures compatibility with existing pure analog sensors without diagnostic or maintenance functionality. The frequency band between 100 Hz and around 10 kHz is used for the transmission of digital data. These frequencies are achieved by a DC signal superimposing the DC signal. Two standards for the use of this frequency band are common: Bell 202 with a baud rate of 1200 Hz and a PSK modulation with a baud rate of 4800 Hz. The PSK modulation is due to the higher technical difficulty in the modulation and demodulation despite the higher physical Transfer rate is often not used today.

Für den Einsatz von Feldgeräten in einem explosionsgefährdeten Bereich, in dem Vorkehrungen gegen Zündfunken zwingend sind, sind Maßnahmen im Hinblick auf die Betriebssicherheit erforderlich. Eine Maßnahme zur Gewährleistung der Betriebssicherheit besteht darin, die elektrischen Schaltungen im Messaufnehmer oder Messumformer galvanisch zu trennen.For the use of field devices in a potentially explosive atmosphere Area in which precautions against sparks mandatory are measures with regard to operational safety required. A measure to guarantee Operational safety is the electrical circuits to be galvanically isolated in the sensor or transmitter.

Den Vorteilen einer galvanischen Trennung steht ein erhöhter Schaltungsaufwand entgegen. Insbesondere ist es erforderlich, die Messgröße vom Messaufnehmer über die galvanische Barriere in die Stromschleife, welche mit der übergeordneten Einheit galvanisch gekoppelt ist, zu übertragen. Für diese Übertragung sind aus dem Stand der Technik z. B. aus der DE 698 35 808 T2 bereits Vorrichtungen bekannt.The advantages of galvanic isolation are counteracted by increased circuit complexity. In particular, it is necessary to transmit the measured variable from the sensor via the galvanic barrier in the current loop, which is galvanically coupled to the parent unit. For this transmission are from the prior art z. B. from the DE 698 35 808 T2 already devices be known.

Den Vorteilen der galvanischen Barriere steht entgegen, dass diese auch für Diagnoseinformationen ein Hindernis bildet. So kann z. B. ein in der Stromschleife auftretender Fehler nicht mehr ohne weiteres mit dem Feldgerät kommuniziert werden. Soll z. B. der in der Stromschleife fließende Strom von der Elektronik des Feldgerätes überwacht werden, ist es erforderlich, Vorrichtungen zur Übertragung einer Kontrollgröße über die galvanische Barriere vorzusehen, welche Rückschlüsse auf den tatsächlich in der Stromschleife fließenden Strom gestattet. Derartige Kontrollfunktionen sind insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen von hoher Bedeutung, bei denen das Feldgerät Fehlfunktionen erkennen muss. Solche Kontrollfunktionen werden unter anderem durch Normen wie SIL2 (Akronym für „Safety Integrity Level 2”) für sicherheitskritische Anwendungen vorgeschrieben.The Advantages of the galvanic barrier preclude these too forms an obstacle for diagnostic information. So can z. B. an error occurring in the current loop is no longer readily available be communicated with the field device. Should z. B. the in the current loop flowing current from the electronics of the Field device are monitored, it is necessary Devices for transmitting a control over provide the galvanic barrier, which conclusions on the actual flowing in the current loop Electricity allowed. Such control functions are in particular for safety-critical applications of high importance, where the field device must detect malfunctions. Such Control functions are governed inter alia by standards such as SIL2 (acronym for "Safety Integrity Level 2") for safety-critical applications prescribed.

Werden zwischen galvanisch getrennten Bereichen analoge Messsignale übertragen, so können diese durch Alterung der Kopplungselemente verfälscht werden. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, ausschließlich digitale Signale zwischen den galvanisch getrennten Bereichen zu übertragen. Die durch die galvanische Trennung verursachten Kosten steigen mit der Anzahl der dafür benötigten Leitungen. Eine Minimierung der Anzahl der die galvanische von einander getrennten Bereiche verbindenden Leitungen ist daher anzustreben.Become transmit analog measuring signals between galvanically separated areas, they can be falsified by aging of the coupling elements become. For this reason, it is beneficial exclusively to transfer digital signals between the galvanically separated areas. The costs caused by the galvanic separation increase the number of required lines. A Minimizing the number of galvanic separated from each other Areas connecting lines should therefore be sought.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfachere Signalübertragung vorzuschlagen.Of the Invention is based on the object, a simpler signal transmission propose.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels einer Steuereinheit ein erster Datenstrom erzeugt wird, in welchem das in der Stromschleife einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal digital verschlüsselt sind, dass der erste Datenstrom an eine Stromausgangsschaltung übermittelt wird, dass der übermittelte erste Datenstrom von der Stromausgangsschaltung in eine Stromsignal umgesetzt wird, welches Stromsignal aus dem sich überlagernden Gleichstromsignal und Wechselstromsignal besteht, oder dass der übermittelte erste Datenstrom von der Stromausgangsschaltung in das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal umgesetzt wird, und dass das Stromsignal bzw. das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal in der Stromschleife eingestellt werden.The Task is in terms of the method according to the invention thereby solved that by means of a control unit, a first data stream is generated, in which the to be set in the current loop DC signal and AC signal are digitally encrypted that the first data stream is transmitted to a power output circuit is that the transmitted first data stream from the current output circuit is converted into a current signal, which current signal from the overlapping DC signal and AC signal or that the transmitted first data stream of the current output circuit into the DC signal and the AC signal is implemented, and that the current signal or the DC signal and the AC signal is adjusted in the current loop.

Bei dem ersten System kann es sich, wie bereits erwähnt, um ein Feldgerät der Prozessautomatisierungstechnik handeln. Ein solches Feldgerät ist oftmals über eine Stromschleife, insbesondere über eine Zweileiter Stromschleife, mit einem zweiten System, bspw. einer übergeordneten Einheit, etwa einem Leitsystem oder einer Prozesssteuerung, verbunden.at the first system may, as already mentioned, be a field device of process automation technology act. Such a field device is often via a current loop, in particular via a two-wire current loop, with a second system, for example, a parent unit, such as a control system or a process control connected.

Über die Stromschleife kann ein Gleichstromsignal, das bspw. einen von einem Messaufnehmer/Sensor Sensor aufgenommenen Messwert repräsentiert und ein Wechselstromsignal, das bspw. anderweitige prozessrelevante Daten wie bspw. Parametereinstellungen enthält, von dem ersten System an das zweite System, oder umgekehrt, übertragen werden. Das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal überlagern sich in der Stromschleife und das resultierende in der Stromschleife eingestellte Stromsignal ist ein Mischstrom mit einem Gleichstromanteil und einem Wechselstromanteil.about the current loop can be a direct current signal, for example one of represents a measured value recorded by a sensor / sensor and an alternating current signal which, for example, is otherwise process-relevant Contains data such as parameter settings, of which first system to the second system, or vice versa become. The DC signal and the AC signal overlap yourself in the current loop and the resulting in the current loop set current signal is a mixed current with a DC component and an alternating current component.

Mittels der Steuereinheit, die bspw. dem ersten System angehören kann, und der Stromausgangsschaltung, die bspw. ebenfalls dem ersten System angehören kann, können das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal erzeugt und in der Stromschleife eingestellt werden. Der erste Datenstrom kann bspw. mittels der Steuereinheit erzeugt und ausgegeben werden. Bei der Steuereinheit kann es sich um ein digitales, insbesondere programmgesteuertes, Rechenwerk handeln. Eine solche Steuereinheit, bspw. eine Central Processing Unit oder ein Field Programmable Gate Array, ist oftmals ohnehin in einem Feldgerät vorhanden, um eine Funktionalität des Feldgerätes zu gewährleisten – insbesondere um eine Kommunikation mit dem Feldgerät zu ermöglichen. Die Steuereinheit kann auch aus mehreren Komponenten, wie z. B. einem Rechenwerk und einem daran angeschlossenen Register oder weiteren elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen bestehen.through the control unit, which belong, for example, the first system can, and the current output circuit, for example, also the first System may include the DC signal and the AC signal is generated and adjusted in the current loop become. The first data stream can, for example, by means of the control unit be generated and output. The control unit may be to act a digital, especially programmatic, arithmetic unit. Such a control unit, for example. A Central Processing Unit or a Field Programmable Gate Array is often in one anyway Field device available to a functionality of the To ensure field device - in particular um to allow communication with the field device. The control unit may also consist of several components, such. B. an arithmetic unit and an attached register or more consist of electrical and / or electronic components.

In dem ersten Datenstrom sind das in der Stromschleife einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal digital, vorzugsweise binär, verschlüsselt. Der erste Datenstrom kann bspw. aus einer Folge von Bits, einem sog. Bitstream, bestehen. Die in dem ersten Datenstrom verschlüsselte Information weist bspw. eine zeitlich geordnete Reihenfolge auf und kann fortlaufend erzeugt und weiterverarbeitet werden. Überdies besteht die Möglichkeit, den ersten Datenstrom sequentiell zu verarbeiten.In the first data stream are those to be set in the current loop DC signal and AC signal digital, preferably binary, encrypted. The first data stream can, for example, from a Sequence of bits, a so-called bitstream. The one in the first Data stream encrypted information has, for example, a in chronological order and can be generated continuously and further processed. Moreover, there is the possibility to process the first data stream sequentially.

Die Stromausgangsschaltung dient bspw. dazu, den übermittelten ersten Datenstrom in das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal umsetzen. Der erste Datenstrom kann bspw. unmittelbar von der Stromausgangsschaltung in das in der Stromschleife einzustellende Stromsignal umgesetzt werden, welches Stromsignal aus dem sich überlagernden Gleichstromsignal und Wechselstromsignal besteht.The Stromausgangsschaltung serves, for example, to the transmitted first data stream into the DC signal and the AC signal implement. The first data stream can, for example, directly from the current output circuit be converted into the current signal to be set in the current loop, which current signal from the superimposed DC signal and AC signal.

Alternativ besteht die Möglichkeit einen Anteil des ersten Datenstroms, der das Gleichstromsignal (in digital verschlüsselter Form) enthält, von einem anderen Anteil des ersten Datenstroms zu trennen, der das Wechselstromsignal (in digital verschlüsselter Form) enthält, und den Anteil, der das Gleichstromsignal enthält, getrennt von dem anderen Anteil, der das Wechselstromsignal enthält, in das analoge Gleichstromsignal bzw. das analoge Wechselstromsignal umzusetzen. Anschliessend kann das Wechselstromsignal auf das Gleichstromsignal gekoppelt und in der Stromschleife eingestellt werden.Alternatively, there is the possibility of a portion of the first data stream, which contains the DC signal (in digitally encrypted form) of ei separating the other portion of the first data stream containing the AC signal (in digitally coded form) and converting the component containing the DC signal separately into the analog DC signal and the analog AC signal separately from the other component containing the AC signal , Subsequently, the AC signal can be coupled to the DC signal and set in the current loop.

Mithilfe des ersten Datenstroms, der das in der Stromschleife einzustellende Wechselstromsignal und Gleichstromsignal in digital verschlüsselter Form enthält, können die beiden Signale nunmehr über eine einzige Signalleitung bzw. Datenleitung an die Stromausgangsschaltung übermittelt werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass eine solche Übermittlung mit einer geringen Anzahl von elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen realisiert werden kann und dadurch die Signalübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten System als auch die Übermittlung von Signalen zwischen der Steuereinheit und der Stromausgangsschaltung vereinfacht wird.aid of the first data stream, the one to be set in the current loop AC signal and DC signal in digitally coded form contains, the two signals can now over transmits a single signal line or data line to the current output circuit become. This results in the advantage that such a transmission with a small number of electrical and / or electronic Components can be realized and thereby the signal transmission between the first and the second system as well as the transmission of signals between the control unit and the power output circuit is simplified.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird wenigstens ein Steuersignal von der Steuereinheit erzeugt, in welchem das in der Stromschleife einzustellende Wechselstromsignal und Gleichstromsignal digital verschlüsselt wird. Der erste Datenstrom kann bspw. aus dem von der Steuereinheit erzeugten Steuersignal gebildet werden oder das Steuersignal kann in den ersten Datenstrom zusammengefasst und/oder umgewandelt werden. Der Datenstrom kann bspw. aus dem Streuersignal bestehen, wobei das Steuersignal das einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal in digital verschlüsselter Form enthält. Hilfsweise kann der erste Datenstrom mittels des von der Steuereinheit erzeugt Steuersignals erzeugt, bzw. daraus abgeleitet, werden. In einer Variante wird das wenigstens eine Steuersignal von der Steuereinheit an eine elektrische und/oder elektronische Hilfseinheit gesendet, die aus dem Steuersignal den ersten Datenstrom ableitet und/oder erzeugt. Von der Steuereinheit können insbesondere auch mehrere Steuersignale erzeugt werden, die zur Erzeugung des ersten Datenstroms dienen.In An embodiment of the method is at least one control signal generated by the control unit, in which the in the current loop digitally adjustable AC signal and DC signal is encrypted. The first data stream can, for example, from formed by the control signal generated by the control unit or the control signal can be combined in the first data stream and / or being transformed. The data stream can, for example, from the scatter signal exist, wherein the control signal to be adjusted DC signal and AC signal in digitally encrypted form contains. Alternatively, the first data stream by means of generated by the control unit generates control signal, or from it be derived. In a variant, this is at least one control signal from the control unit to an electrical and / or electronic Auxiliary unit sent from the control signal, the first data stream derives and / or generated. From the control unit can In particular, a plurality of control signals are generated, which are for generating serve the first data stream.

In einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird wenigstens ein erstes Steuersignal von der Steuereinheit erzeugt, in welchem das in der Stromschleife einzustellende Wechselstromsignal digital verschlüsselt wird und wenigstens ein zweites Steuersignal wird von der Steuereinheit erzeugt, in welchem das in der Stromschleife einzustellende Gleichstromsignal digital verschlüsselt wird. Das erste und das zweite Steuersignal können zusammengefasst und/oder in den ersten Datenstrom umgewandelt werden. Dadurch kann die zur Signalübertragung benötigte Hardware reduziert werden. Weiterhin können dadurch das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal unabhängig voneinander erzeugt werden.In another embodiment of the method is at least a first Control signal generated by the control unit, in which the in the Current loop to be set digitally encoded AC signal is and at least a second control signal is from the control unit in which the DC signal to be set in the current loop is generated is encrypted digitally. The first and second control signals can be summarized and / or in the first data stream being transformed. This can be used for signal transmission required hardware can be reduced. Furthermore you can thereby the DC signal and the AC signal independently generated from each other.

In einer Weiterbildung des Verfahrens werden das in der Stromschleife eingestellte Gleichstromsignal und Wechselstromsignal in einen zweiten Datenstrom umgewandelt, in welchem zweiten Datenstrom das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal digital verschlüsselt werden, und der zweite Datenstrom wird von der Stromausgangsschaltung an die Steuereinheit rückübermittelt. Das in der Stromschleife eingestellte Stromsignal bzw. Gleichstromsignal und Wechselstromsignal können zu Überwachungszwecken zurückgelesen werden. Dadurch kann die Funktion der Steuereinheit und der Stromausgangsschaltung überwacht werden. Dies wird in einfacher Weise durch die vorgeschlagene Weiterbildung erreicht, indem für die Rückübermittlung der zweite Datenstrom erzeugt wird, der das in der Stromschleife eingestellte Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal in digital, insbesondere binär, verschlüsselter Form enthält. Die in dem zweiten Datenstrom enthaltenen Anteile des Gleichstromsignals und des Wechselstromsignals können in einfacher Weise voneinander getrennt und überprüft werden. Zudem kann aufgrund des digitalen Charakters des ersten und des zweiten Datenstroms zur Erzeugung und zum Empfang des ersten und des zweiten Datenstroms bspw. eine Steuereinheit mit ausschließlich digitalen Ein-/Ausgängen oder zur Erzeugung bzw. zum Empfang des ersten und zweiten Datenstroms ausschließlich digitale Eingänge und Ausgänge der Steuereinheit verwendete werden.In In a further development of the method that will be in the current loop set DC signal and AC signal in a second Converted data stream, in which second data stream the DC signal and the AC signal is digitally encrypted, and the second data stream is from the current output circuit the control unit returns. That in the Current loop set current signal or DC signal and AC signal can be used for monitoring purposes be read back. This allows the function of the control unit and the current output circuit are monitored. this will achieved in a simple manner by the proposed development, for the second Data stream is generated, which is set in the current loop DC signal and the AC signal in digital, in particular contains binary, encrypted form. The components of the DC signal contained in the second data stream and the AC signal can easily from each other be separated and checked. In addition, due to the digital nature of the first and second data streams for generating and receiving the first and second data streams For example, a control unit with only digital inputs / outputs or for generating or for receiving the first and second data stream only digital inputs and outputs be used the control unit.

In einer Weiterbildung des Verfahrens werden der erste Datenstrom und/oder der zweite Datenstrom über eine galvanische Barriere übermittelt. Durch die galvanische Barriere wird bspw. ein die Steuereinheit umfassender Primärkreis von einem wenigstens die Stromausgangsschaltung umfassenden Sekundärkreis elektrisch isoliert. Werden zwischen den galvanisch getrennten Bereichen bspw. analoge Signale, insbesondere Messsignale, übertragen, so können diese durch Alterung der Kopplungselemente verfälscht werden. Es ist daher vorteilhaft, ausschließlich digitale Signale zwischen den galvanisch getrennten Systemen zu übertragen.In In a further development of the method, the first data stream and / or the second data stream is transmitted via a galvanic barrier. By the galvanic barrier becomes, for example, a more comprehensive control unit Primary circuit of at least one of the current output circuit comprehensive secondary circuit electrically isolated. Be between the galvanically isolated areas, for example, analog signals, in particular Measuring signals, transmitted, so they can through Aging of the coupling elements are falsified. It is therefore advantageous only digital signals between the galvanic to transfer separate systems.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird mittels der Steuereinheit ein Wert des in der Stromschleife eingestellten und rückübermittelten Gleichstromsignals und/oder Wechselstromsignals mit einem Sollwert verglichen. Im Fehlerfall kann aufgrund der verwendeten digitalen Übermittlung somit zuverlässig ein entsprechendes Fehlersignal von der Steuereinheit ausgegeben werden.In a development of the method is by means of the control unit a value of the set in the current loop and returned DC signal and / or AC signal with a setpoint compared. In case of error, due to the digital transmission used thus reliably a corresponding error signal from the Control unit are issued.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist ein Betriebsmodus vorgesehen, in welchem Betriebsmodus mittels des ersten Datenstroms ein maximaler Wert des in der Stromschleife einstellbaren Gleichstromsignals vorgegeben wird, in welchem Betriebsmodus weiterhin der Wert des Gleichstromsignals in der Stromschleife von einer in dem zweiten System vorgesehenen Einheit auf einen Wert kleiner oder gleich dem maximalen Wert begrenzt wird, und in welchem Betriebsmodus der in der Stromschleife eingestellte Wert des Gleichstromsignals über den zweiten Datenstrom an die Steuereinheit übermittelt wird. Beispielsweise enthält das zweite System als zur Begrenzung des Gleichstromsignals vorgesehene Einheit eine Stromquelle, welche den in der Stromschleife fließenden Strom auf einen Stellwert begrenzt. Das im ersten digitalen Datenstrom übermittelte einzustellende Gleichstromsignal kann dann auf einen Wert größer als der maximal von dem zweiten System zu erwartende Wert gesetzt werden, so dass der in der Stromschleife fließende Strom nicht durch die Stromausgangsschaltung des ersten Systems sondern durch die dafür vorgesehene Einheit des zweiten Systems begrenzt wird. In dem vorgeschlagenen Betriebsmodus enthält der an die Steuereinheit rückübermittelte zweite digitale Datenstrom somit Informationen über den von der zur Begrenzung des Gleichstromsignals vorgesehenen Einheit im zweiten System eingestellten Stellwert des Gleichstromsignals.In a further development of the method, an operating mode is provided, in which Betriebsmo a maximum value of the current loop adjustable direct current signal is specified by means of the first data stream, in which operating mode the value of the DC signal in the current loop is limited by a unit provided in the second system to a value less than or equal to the maximum value; which operating mode the value of the DC signal set in the current loop is transmitted to the control unit via the second data stream. For example, the second system includes as a unit for limiting the DC signal, a current source which limits the current flowing in the current loop to a control value. The adjusted direct current signal transmitted in the first digital data stream can then be set to a value greater than the maximum value expected by the second system, so that the current flowing in the current loop is not through the current output circuit of the first system but through the unit provided for the second System is limited. In the proposed operating mode, the second digital data stream transmitted back to the control unit thus contains information about the control value of the DC signal set by the unit intended for limiting the DC signal in the second system.

Hinsichtlich der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, welche zur Erzeugung eines ersten Datenstroms dient, in welchem ersten Datenstrom das in der Stromschleife einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal digital verschlüsselt sind, dass eine erste Übermittlungseinheit vorgesehen ist, welche dazu dient, den ersten Datenstrom an eine Stromausgangsschaltung zu übermitteln, und dass eine Stromausgangsschaltung vorgesehen ist, und dass die Stromausgangsschaltung dazu dient, den übermittelten ersten Datenstrom in ein Stromsignal umzusetzen, welches Stromsignal aus dem sich überlagernden Gleichstromsignal und Wechselstromsignal besteht, oder das die Stromausgangsschaltung dazu dient, den übermittelten ersten Datenstrom in das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal umzusetzen.Regarding the electrical and / or electronic circuit is the task solved according to the invention that a control unit is provided, which for generating a first Data stream serves in which first data stream that in the current loop digitally adjustable DC signal and AC signal are encrypted that a first transmission unit is provided, which serves the first data stream to a current output circuit to transmit, and that provided a power output circuit is, and that the power output circuit serves to the transmitted convert the first data stream into a current signal, which current signal from the superimposed DC signal and AC signal exists, or the current output circuit serves to the transmitted first data stream into the DC signal and the AC signal implement.

Mithilfe der Steuereinheit kann ein erster Datenstrom erzeugt werden, in welchem das einzustellende Gleichstromsignal und ein Wechselstromsignal digital verschlüsselt sind. Das Gleichstromsignal kann dabei einem von bspw. einem Messaufnehmer/Sensor Sensor aufgenommenen Messwert und das Wechselstromsignal prozessrelevanten Daten, wie bspw. einem Statussignal für die Wartung oder Parametrierung entsprechen. Insbesondere handelt es sich bei dem Wechselstromsignal um ein gemäß dem HART-Protokoll moduliertes Signal. Zur Übermittlung des Datenstroms ist die Übermittlungseinheit vorgesehen. Die Übermittlungseinheit kann aus einer Kabel-, Draht- oder Wellenleitung oder andersartigen elektrischen und/oder elektromagnetischen, insbesondere optischen, Verbindung bestehen. Von der Stromausgangsschaltung kann der übermittelte erste Datenstrom in das Stromsignal, welches aus dem sich überlagernden Gleichstromsignal und Wechselstromsignal zusammensetzt, umgesetzt werden. Ein Vorteil der vorgeschlagenen Schaltung besteht wie bereits erwähnt darin, dass das einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal in einem einzigen Datenstrom, nämlich dem ersten Datenstrom digital verschlüsselt sind.aid The control unit can be generated a first data stream, in which the adjusted DC signal and an AC signal digital are encrypted. The DC signal can be a from, for example, a measured value recorded by a sensor / sensor and the AC signal process relevant data, such as a Status signal for maintenance or parameterization. In particular, the AC signal is one according to the HART protocol modulated signal. To transmit the Data stream, the transmission unit is provided. The transmission unit Can be made of a cable, wire or waveguide or other type electrical and / or electromagnetic, in particular optical, Connection exist. From the current output circuit of the transmitted first Data stream into the current signal, which from the overlapping DC signal and AC signal composed, be implemented. An advantage of the proposed circuit is as already mentioned in that the DC signal to be set and AC signal in a single data stream, namely the first data stream are digitally encrypted.

In einer Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung wird von der Steuereinheit wenigstens ein digitales Steuersignal erzeugt und/oder ausgegeben, welches zur Erzeugung des Gleichstromsignals und des Wechselstromsignals, insbesondere des ersten Datenstroms, dient. Die Steuereinheit kann ein Steuersignal ausgeben, welches Steuersignal bereits das einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal in digital verschlüsselter Form enthält und den ersten Datenstrom bildet. Der Aufbau der vorgeschlagenen Ausgestaltung ist besonders einfach und kann mit wenigen Bauteilen realisiert werden.In an embodiment of the electrical and / or electronic circuit At least one digital control signal is generated by the control unit and / or output, which is used to generate the DC signal and the alternating current signal, in particular the first data stream, serves. The control unit may output a control signal which Control signal already to be set DC signal and AC signal contains in digitally encrypted form and the forms the first data stream. The structure of the proposed embodiment is very simple and can be realized with few components become.

In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung gibt die Steuereinheit wenigstens ein erstes digitales Steuersignal aus, welches zur Erzeugung des Gleichstromsignals dient und weiterhin wenigstens ein zweites digitales Steuersignal aus, welches zur Erzeugung des Wechselstromsignals dient. In einer Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung ist eine erste Signalverarbeitungseinheit vorgesehen, welche dazu dient, das erste und das zweite digitale Steuersignal oder daraus abgeleitete Signale in den ersten Datenstrom zusammenzufassen und/oder umzuwandeln. In dieser Ausgestaltung wird das Zusammenfassen und/oder Umwandeln des ersten und des zweiten Steuersignals in den ersten Datenstrom von der ersten Signalverarbeitungseinheit übernommen. Dadurch können den jeweiligen Anforderungen entsprechende elektrische und/oder elektronische aufeinander abstimmbare Standartbauteile verwendet werden. Die digitalen Steuersignale können bspw. mittels eines Addierwerks, das z. B. Teil der Signalverarbeitungseinheit ist, zusammengefasst werden.In a further embodiment of the electrical and / or electronic Circuit, the control unit is at least a first digital Control signal, which is used to generate the DC signal and further at least one second digital control signal, which serves to generate the alternating current signal. In one embodiment of electrical and / or electronic circuit is a first signal processing unit intended to serve, the first and the second digital control signal or to combine signals derived therefrom into the first data stream and / or convert. In this embodiment, the summarizing becomes and / or converting the first and second control signals into the first data stream taken from the first signal processing unit. This allows the respective requirements accordingly electrical and / or electronic compatible standard components be used. The digital control signals can, for example. by means of an adder, the z. B. part of the signal processing unit is to be summarized.

In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung umfasst die erste Signalverarbeitungseinheit einen digitalen Delta-Sigma-Modulator, der dazu dient, den ersten Datenstrom zu erzeugen. Der digitale Delta-Sigma-Modulator wandelt ein eingangsseitig anliegendes digitales Signal ausgangsseitig in ein ebenfalls digitales Signal um.In a further embodiment of the electrical and / or electronic circuit, the first signal processing unit comprises a digital delta-sigma modulator which serves to generate the first data stream. The digital delta-sigma modulator converts an input signal on the input side into a digital output signal as well digital signal around.

Eingangsseitig kann dem digitalen Delta-Sigma-Modulator das mindestens eine Steuersignal oder das zusammengefasste erste und zweite Steuersignal zugeführt werden. Der ausgangsseitig ausgegebene erste Datenstrom kann bspw. aus einem sog. Bitstrom bestehen. Alternativ ist auch die Verwendung eines andersartigen Digital-Digital-Wandlers möglich. Die Funktion der Signalverarbeitungseinheit kann bspw. in die Steuereinheit integriert sein, sodass von der Steuereinheit lediglich der erste Datenstrom ausgegeben wird.On the input side the digital delta-sigma modulator, the at least one control signal or supplied the combined first and second control signal become. The output on the output first data stream can, for example. consist of a so-called bitstream. Alternatively, the use a different digital-to-digital converter possible. The Function of the signal processing unit can, for example, in the control unit be integrated so that of the control unit only the first Data stream is output.

In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung ist eine Synchronisierungseinheit vorgesehen, die dazu dient, den übermittelten ersten Datenstrom mit einem vorgegebenen Takt zu synchronisieren. Die Synchronisierungseinheit kann bspw. aus einem Flip-Flop, insbesondere einem D-Flip-Flop, bestehen und den an die Stromausgangsschaltung übermittelten ersten Datenstrom mit einem vorgegebenen Takt synchronisieren. Dadurch wird ein von Jitter ansatzweise befreites Signal erzeugt.In a further embodiment of the electrical and / or electronic Circuit is provided a synchronization unit which serves to the transmitted first data stream with a predetermined Clock to synchronize. The synchronization unit can, for example. consist of a flip-flop, in particular a D flip-flop, and the first data stream transmitted to the power output circuit synchronize with a given clock. This will be one of Jitter partially released signal generated.

In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung weist die Stromausgangsschaltung einen ersten Filter mit einer Tiefpasscharakteristik auf, welcher den übermittelten ersten Datenstrom in eine analoge Spannung verarbeitet. Um den Frequenzbereich des Wechselstromsignals nicht zu begrenzen, kann die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters höher gewählt werden, als die Frequenz des in der Stromschleife einzustellenden Wechselstromsignals. Der Frequenzbereich des Wechselstromsignals wird dann nicht durch den Tiefpassfilter unterdrückt – vielmehr wird lediglich Rauschen unterdrückt, welches von Frequenzen herrührt, welche größer sind als die des Wechselstromsignals.In a further embodiment of the electrical and / or electronic Circuit, the current output circuit with a first filter a low-pass characteristic on which the transmitted first data stream processed into an analog voltage. To the frequency range of the AC signal can not limit the cutoff frequency of the low pass filter are higher than the Frequency of the AC signal to be set in the current loop. The frequency range of the AC signal is then not through the lowpass filter is suppressed - rather only noise suppressed, which of frequencies which are larger than that of the AC signal.

In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung umfasst die Stromausgangsschaltung einen Spannungs-Strom-Wandler, welcher zur Umsetzung der analogen Spannung in das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal dient. Mittels des Spannungs- Strom-Wandlers kann das als Spannungssignal vom Tiefpassfilter ausgegebene Ausgangssignal in das in der Zweileiter-Stromschleife einzustellende Stromsignal umgesetzt werden.In a further embodiment of the electrical and / or electronic Circuit, the current output circuit comprises a voltage-current converter, which for converting the analog voltage into the DC signal and the AC signal is used. By means of the voltage-current converter can be output as a voltage signal from the low-pass filter output signal in implemented in the two-wire current loop to set current signal become.

In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung sind elektrische und/oder elektronische Bauteile der Stromausgangsschaltung räumlich von elektrischen Leiterbahnen umgeben, welche Leiterbahnen aktiv auf dem im Wesentlichen gleichen Gleichspannungspotential gehalten werden wie die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile. Damit kann der Abfluss von Leckströmen effektiv verhindert oder verringert werden. Insbesondere die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile z. B. einem RC-Glieds des ersten Filters können dabei von elektrischen Leiterbahnen umgeben sein, welche auf dem im Wesentlichen gleichen Gleichspannungspotential wie die Bauteile selbst gehalten werden, um das Abfließen von Leckströmen zu verhindern und ein unverfälschtes Spannungssignal an den Spannungs-Strom-Wandler weiterzuleiten.In a further embodiment of the electrical and / or electronic Circuit are electrical and / or electronic components of the current output circuit spatially surrounded by electrical conductors, which Tracks active at the substantially same DC potential held as the electrical and / or electronic components. This effectively prevents leakage of leakage currents or reduced. In particular, the electrical and / or electronic Components z. B. an RC element of the first filter can be surrounded by electrical traces, which on the essentially the same DC potential as the components themselves be kept to the drainage of leakage currents to prevent and an undistorted voltage signal forward the voltage-current converter.

In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung weist die Stromausgangschaltung eine zweite Signalverarbeitungseinheit auf, welche das in der Stromschleife eingestellte Gleichstromsignal und/oder Wechselstromsignal in einen zweiten Datenstrom umwandelt, in welchem zweiten Datenstrom das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal digital verschlüsselt sind.In a further embodiment of the electrical and / or electronic Circuit, the current output circuit, a second signal processing unit on which the set in the current loop DC signal and / or converting AC signal to a second data stream, in which second data stream the DC signal and the AC signal are digitally encrypted.

In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung weist die zweite Signalverarbeitungseinheit einen analogen Delta Sigma-Modulator auf, der dazu dient, den zweiten Datenstrom zu erzeugen. Der analoge Delta-Sigma-Modulator kann wandelt ein eingangsseitig anliegendes analoges Signal ausgangsseitig in ein digitales Signal um. Eingangsseitig liegt an dem analogen Delta-Sigma-Modulator dann bspw. das in der Stromschleife eingestellte Stromsignal an, welches ausgangsseitig in einen zweiten Datenstrom umgewandelt wird. Auch hier kann alternativ ein anderweitiger Analog-Digital-Wandler anstelle des analogen Delta-Sigma-Modulators verwendet werden.In a further embodiment of the electrical and / or electronic Circuit, the second signal processing unit has an analog delta Sigma modulator, which serves to generate the second data stream. The analog delta-sigma modulator can convert one input side applied analog signal on the output side into a digital signal around. The input side is at the analog delta-sigma modulator then For example, the set in the current loop current signal, which on the output side is converted into a second data stream. Also Here, alternatively, another analog-to-digital converter instead of the analog delta-sigma modulator.

In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung ist ein für die Modulation verwendetes Schleifenfilter des analogen Delta-Sigma-Modulators ein zeitkontinuierliches Filter. Der zeitkontinuierliche Filter hat bspw. gegenüber einem zeitdiskreten Filter einen größeren Signal/Rausch Abstand. Zudem wird bei einem zeitdiskreten Filter kein Integrierter Schaltkreis zum Schalten von bspw. Switched Capacitor-Schaltungen benötigt.In a further embodiment of the electrical and / or electronic Circuit is a loop filter used for modulation of the analog delta-sigma modulator, a time-continuous filter. The time-continuous filter has, for example, with respect to one discrete-time filter a larger signal / noise Distance. In addition, a time-discrete filter is not integrated Circuit for switching, for example, switched capacitor circuits needed.

In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung ist das für die Modulation verwendete Schleifenfilter mittels eines einzigen Operationsverstärkers realisiert, wobei ein Pol der Übertragungsfunktion durch ein RC-Glied realisiert ist. Das zeitkontinuierliche Filter weist wenigstens ein. RC-Glied, d. h. ein aus wenigstens einem Widerstand und wenigstens einem Kondensator aufgebautes System, auf, welches einen bei einem zeitdiskreten Filter bspw. zum Schalten der Kondensatoren verwendeten Integrierten Schaltkreis ersetzt. Dies vereinfacht die Schaltung und verringert dadurch die Herstellungskosten des analogen Delta-Sigma-Modulators. Die Polstellen einer solchen Übertragungsfunktion bestimmen maßgeblich das Übertragungsverhalten bspw. des ersten Filters mit Tiefpasscharakteristik.In a further embodiment of the electrical and / or electronic circuit, the loop filter used for the modulation is realized by means of a single operational amplifier, wherein one pole of the transfer function is realized by an RC element. The time-continuous filter has at least one. RC element, ie a system constructed from at least one resistor and at least one capacitor, which replaces an integrated circuit used in a time-discrete filter, for example for switching the capacitors. This simplifies the circuit and reduces it by the manufacturing cost of the analog delta-sigma modulator. The poles of such a transfer function significantly determine the transmission behavior, for example, of the first filter with a low-pass characteristic.

In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung ist eine zweite Übermittlungseinheit vorgesehen, die dazu dient, den zweiten Datenstrom an die Steuereinheit zu übermitteln. Die zweite Übermittlungseinheit kann dabei ebenso wie die erste Übermittlungseinheit aus einer Signal- und/oder Datenleitung bestehen oder bspw. eine Einheit zur Signalübertragung über eine galvanische Barriere sein. Bei der ersten und/oder zweiten Übermittlungseinheit kann es sich insbesondere um einen Optokoppler oder um einen Übertrager handeln.In a further embodiment of the electrical and / or electronic Circuit a second transmission unit is provided, which serves to transmit the second data stream to the control unit. The second transmission unit can as well as the first transmission unit from a signal and / or data line exist or, for example, a unit for signal transmission via to be a galvanic barrier. In the first and / or second transmission unit it may in particular be an optocoupler or a transformer act.

In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung ist ein zweites Filter vorgesehen, welches zweite Filter den über die zweite Übermittlungseinheit übermittelten zweiten Datenstrom in ein erstes dem Gleichstromsignal entsprechendes Signal und in ein zweites dem Wechselstromsignal entsprechendes Signal trennt. Bei dem zweiten Filter kann es sich insbesondere um ein Dezimationsfilter handeln und bei dem ersten Signal und dem zweiten Signal kann es sich um digitale Signale handeln. Dieses erste und zweite Signal können bspw. zu Überwachungszwecken an die Steuereinheit rückübermittelt werden.In a further embodiment of the electrical and / or electronic Circuit a second filter is provided, which second filter the second transmitted via the second transmission unit Data stream in a first signal corresponding to the DC signal and a second signal corresponding to the AC signal separates. The second filter may in particular be a Decimation filter act and at the first signal and the second Signal can be digital signals. This first and second signal can, for example, for monitoring purposes be returned to the control unit.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein Feldgerät der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik mit einer elektrischen und/oder elektronischen Schaltung in einer der vorgenannten Ausgestaltungen. Insbesondere Feldgeräte, die zur Erfassung und/oder Steuerung von Prozessvariablen dienen, kommunizieren über eine Stromschleife mit einem zweiten System, insbesondere einer übergeordneten Einheit. Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht ebenso eine zuverlässigere Signalübermittlung über die galvanische Barriere sowie eine einfachere Signalübertragung über die Stromschleife. Zudem wird die Diagnose der Feldgeräteelektronik, d. h. der Steuereinheit und der Stromausgangsschaltung erleichtert.A Further embodiment of the invention relates to a field device the process and / or automation technology with an electrical and / or electronic circuit in one of the aforementioned embodiments. In particular, field devices used for detection and / or control of process variables communicate via a current loop with a second system, in particular a parent Unit. The circuit according to the invention allows as well as a more reliable signal transmission over the galvanic barrier as well as an easier signal transmission over the current loop. In addition, the diagnosis of the field device electronics, i. H. the control unit and the power output circuit facilitates.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:The Invention will become apparent from the following drawings explained. It shows:

1: eine schematische Darstellung eines ersten Systems, das über eine Stromschleife mit einem zweiten System verbunden ist, 1 FIG. 2 is a schematic representation of a first system connected to a second system via a current loop. FIG.

2: eine schematische Darstellung des Frequenzspektrums des in der Stromschleife einstellbaren Stromsignals, 2 : a schematic representation of the frequency spectrum of the current signal adjustable in the current loop,

3: eine schematische Darstellung der Steuereinheit und der Stromausgangsschaltung aus dem Stand der Technik, 3 FIG. 2: a schematic representation of the control unit and the current output circuit of the prior art, FIG.

4: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung, 4 : a schematic representation of an embodiment of the circuit according to the invention,

5: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung, 5 : a schematic representation of a further embodiment of the circuit according to the invention,

6: ein Ersatzschaltbild eines ersten Filters mit Tiefpasscharakteristik, 6 FIG. 2: an equivalent circuit diagram of a first filter with a low-pass characteristic,

7: ein Ersatzschaltbild eines weiteren ersten Filters mit Tiefpasscharakteristik, und 7 an equivalent circuit diagram of another first filter with low-pass characteristic, and

8: ein Ersatzschaltbild eines analogen Delta-Sigma-Modulators, 8th FIG. 2: an equivalent circuit diagram of an analog delta-sigma modulator,

1 zeigt eine schematische Darstellung des ersten Systems S1 und des zweiten Systems S2, die über eine Stromschleife L, hier ein zweiadriges Kabel, miteinander verbunden sind. Das erste System S1 ist bspw. ein Feldgerät der Prozessautomatisierungstechnik. Bei dem Feldgerät kann es sich insbesondere um einen Aktor oder um einen Messaufnehmer/Sensor handeln. 1 shows a schematic representation of the first system S1 and the second system S2, which are connected to each other via a current loop L, here a two-core cable. The first system S1 is, for example, a field device of process automation technology. The field device may in particular be an actuator or a sensor / sensor.

Über die Stromschleife L kann durch einen Wert des Gleichstromsignals des in der Stromschleife L eingestellten Stroms eine Mess- und/oder Regelgröße übertragen werden. Über die Stromschleife L kann auch ein Wechselstromsignal, z. B. mittels des HART-Protokolls übertragen und für die digitale Signalübertragung genutzt werden. Das zweite System S2 kann eine übergeordnete Einheit, insbesondere eine Prozessleitstelle oder eine Prozesssteuerung, sein. Eine Steuereinheit CPU zum Erzeugen eines ersten Datenstroms U1, der das einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal enthält und eine Stromausgangsschaltung S zur Umwandlung des ersten Datenstrom U1 in das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal können in dem ersten System S1 integriert sein.about the current loop L can be represented by a value of the DC signal of the current set in the current loop L a measuring and / or Control variable to be transferred. about the current loop L can also be an AC signal, z. B. by means transmitted by the HART protocol and for the digital Signal transmission can be used. The second system S2 can be a higher-level unit, in particular a process control center or a process control. A control unit CPU for generating a first data stream U1, which is the DC signal to be adjusted and AC signal and a current output circuit S for converting the first data stream U1 into the DC signal and the AC signal may be in the first system S1 be integrated.

Exemplarisch zeigt 2 das Frequenzspektrum des in der Stromschleife L nachdem 4–20 mA Standard und dem HART-Protokoll übertragenen analogen Stromsignals. Das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal, überlagern sich in der Stromschleife L und bilden das analoge Stromsignal. Die Signalübertragung erfolgt in zwei verschiedenen Frequenzbändern AB, DB. Um dieses Frequenz-Multiplexing hardwaremäßig zu realisieren, sind somit Bandpass und/oder Tiefpassfilter, insbesondere einer höheren Ordnung, erforderlich, um das Wechselstromsignal von dem Gleichstromsignal zu trennen.Exemplary shows 2 the frequency spectrum of the analog current signal transmitted in the current loop L after 4-20 mA standard and the HART protocol. The DC signal and the AC signal overlap in the current loop L and form the analog current signal. The signal transmission takes place in two different frequency bands AB, DB. In order to implement this frequency multiplexing in hardware, bandpass and / or low-pass filters, in particular of a higher order, are therefore required in order to separate the AC signal from the DC signal.

Das Gleichstromsignal kann z. B. ein 4–20 mA Signal sein. Ein solches Signal ist besonders niederfrequent (z. B. 0–30 Hz) und unterscheidet sich damit von den für die Digitalübertragung verwendeten Frequenzen f des Wechselstromsignals von oberhalb 100 Hz.The DC signal can be z. B. be a 4-20 mA signal. One such signal is particularly low frequency (eg 0-30 Hz) and thus differs from those for digital transmission used frequencies f of the AC signal from above 100 Hz.

3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Steuereinheit CPU und einer Stromausgangsschaltung S aus dem Stand der Technik. 3 shows an equivalent circuit diagram of a control unit CPU and a current output circuit S of the prior art.

Die Steuereinheit CPU ist bspw. mit einem Sensor oder einem Aktor verbunden, welcher von der Steuereinheit CPU aus gesteuert und/oder ausgelesen werden kann. Der Sensor erzeugt bspw. eine analoge, der Messgröße entsprechende Spannung.The Control unit CPU is, for example, connected to a sensor or an actuator. which is controlled and / or read by the control unit CPU can be. The sensor generates, for example, an analog, the measured variable corresponding voltage.

Ist die Steuereinheit CPU bspw. mit einem solchen Sensor verbunden, so wird eine von dem Sensor aufgenommene Messgröße von der Steuereinheit CPU bspw. in einen digitalen Wert umgesetzt, welcher mittels eines Digital-Analog- Wandlers DAC wiederum in eine analoge Signalgröße, das Gleichstromsignal, umgesetzt wird. Diese Signalgröße wird in der Stromschleife L, welche mit dem zweiten System S2 verbunden ist, eingestellt.is the control unit CPU, for example, connected to such a sensor, so becomes a measured value taken by the sensor by the control unit CPU, for example, converted into a digital value, which by means of a digital-to-analog converter DAC turn into an analog Signal size, the DC signal, implemented becomes. This signal size is in the current loop L, which is connected to the second system S2, set.

Vom Anschluss AS der Stromschleife L wird das dort anliegende analoge Stromsignal auf einen Analog-Digital-Wandler ADC aufgeschaltet. Dieser setzt das analoge Signal in ein digitales Signal um, welches von der Steuereinheit CPU gelesen werden kann.from Connection AS of the current loop L becomes the analog Current signal to an analog-to-digital converter ADC switched. This converts the analog signal into a digital signal, which can be read by the control unit CPU.

Auf diese Art und Weise kann mittels der Steuereinheit CPU überprüft werden, ob der analoge Übermittlungskanal bis zum Anschluss AS an die Stromschleife L ordnungsgemäß funktioniert. Es genügt dazu, den rückgelesenen Istwert des Analogsignals an der Stromschleife L mit dem erwarteten Sollwert zu vergleichen.On this way can be checked by means of the control unit CPU whether the analogue transmission channel is up to the port AS to the current loop L is working properly. It is sufficient to the feedback actual value of the Analog signal on the current loop L with the expected setpoint to compare.

Im Fehlerfall können geeignete Maßnahmen, z. B. durch Aktivierung einer Alarmleuchte oder eines Alarmsignals, ergriffen werden.in the In case of error, suitable measures, eg. B. by Activation of an alarm light or an alarm signal, seized become.

Um zusätzlich zum analogen Signal auch die Vorteile der digitalen Kommunikation mit der übergeordneten Einheit nutzen zu können, enthält das erste System S1 die in 3 skizzierten Schaltungsteile: HART-Modem und analoge Filter, wie bspw. den Bandpass B1 und den Bandpass B2. Die Steuereinheit CPU überträgt die Signalpegel bspw. einer asynchronen seriellen Schnittstelle an eine digitale Schaltung, das sogenannte HART-Modem. Das HART-Modem generiert ein Ausgangssignal, welches mittels eines ersten Bandpasses B1 analog gefiltert wird, um dann auf die Stromschleife L aufgekoppelt zu werden.In order to be able to use the advantages of digital communication with the higher-level unit in addition to the analog signal, the first system S1 contains the in 3 sketched circuit parts: HART modem and analog filters, such as the bandpass B1 and the bandpass B2. The control unit CPU transmits the signal levels, for example, of an asynchronous serial interface to a digital circuit, the so-called HART modem. The HART modem generates an output signal which is filtered analogously by means of a first bandpass B1, in order then to be coupled onto the current loop L.

Für die Kommunikation in Gegenrichtung erfolgt ebenfalls eine analoge Filterung der Signalpegel in der Stromschleife L über einen zweiten Bandpass B2. Das Ergebnis dieser Filterung wird an eine digitale Demodulationsschaltung, die bspw. Teil des HART-Modems sein kann, übergeben und in ein Signal für eine asynchrone digitale Schnittstelle umgesetzt, welche an die Steuereinheit CPU angeschlossen ist. Für diese Filterung sind mehrstufige aktive analoge Filter erforderlich.For the communication in the opposite direction is also an analogue Filtering the signal levels in the current loop L via a second bandpass B2. The result of this filtering is sent to a digital demodulation circuit, for example, part of the HART modem can be, pass and put in a signal for one implemented asynchronous digital interface, which is sent to the control unit CPU is connected. For this filtering are multi-level active analog filters required.

Die in 3 aus dem Stand der Technik gezeigte Stromausgangschaltung S besteht also im Wesentlichen aus dem Digital-Analog-Wandler DAC, dem HART-Modem, einem Spannungs-Strom-Wandler SSW, einer Wechselstrom-Kopplungseinheit K, dem Anschluss AS an die Stromschleife L und einem Analog-Digital-Wandler ADC zur Funktionskontrolle.In the 3 Current output circuit S shown in the prior art thus consists essentially of the digital-to-analog converter DAC, the HART modem, a voltage-current converter SSW, an AC coupling unit K, the connection AS to the current loop L and an analog Digital converter ADC for function control.

Charakteristisch für die in 3 gezeigte Steuereinheit CPU und Stromausgangsschaltung S ist, dass die einzelnen Schaltungsteile über eine Vielzahl analoger oder digitaler Leitungen miteinander verbunden sind. Ist eine galvanische Trennung zum Anschluss AS an die Stromschleife L, d. h. zwischen Stromausgangsschaltung S und Steuereinheit CPU erforderlich, so müssen entweder analoge Signale über die galvanische Barriere GB übertragen werden oder alternativ eine große Anzahl digitaler Signale.Characteristic of the in 3 shown control unit CPU and current output circuit S is that the individual circuit parts are connected to each other via a plurality of analog or digital lines. If a galvanic isolation to the connection AS to the current loop L, ie between current output circuit S and control unit CPU required, so either analog signals must be transmitted via the galvanic barrier GB or alternatively a large number of digital signals.

Die Umsetzung einer galvanischen Trennung ist somit mit hohem schaltungstechnischem Aufwand und mit hohen Kosten verbunden.The Implementation of a galvanic isolation is thus with high circuit complexity and high costs.

4 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen und/oder elektronischen Schaltung, im Folgenden auch Schaltung genannt. Die Schaltung ist in zwei Teilbereiche, den Primärkreis und den Sekundärkreis, unterteilt, die galvanisch voneinander getrennt sind. Die galvanische Trennung kann zwischen der Steuereinheit CPU und der Stromausgangschaltung S vorliegen, und ist in 4 durch die gestrichelte Linie angedeutet. Durch die galvanische Trennung wird der Primärkreis, im Wesentlichen bestehend aus Sensor und Steuereinheit CPU, von dem Sekundärkreis, im Wesentlichen bestehend aus Stromausgangschaltung S, Stromschleife L und zweitem System S2, getrennt. Eine Übermittlung des ersten und zweiten Datenstroms U1, U2 kann bspw. über lediglich drei digitale Austauschsignale U1, U2, U3 erfolgen und z. B. mittels drei Übermittlungseinheiten, nicht gezeigt, realisiert werden. 4 shows an embodiment of the electrical and / or electronic circuit according to the invention, hereinafter also called circuit. The circuit is divided into two sections, the primary circuit and the secondary circuit, which are galvanically isolated from each other. The galvanic isolation may be present between the control unit CPU and the current output circuit S, and is in 4 indicated by the dashed line. Due to the galvanic isolation, the primary circuit, consisting essentially of sensor and control unit CPU, is separated from the secondary circuit, essentially consisting of current output circuit S, current loop L and second system S2. A transmission of the first and second data stream U1, U2 can take place, for example, via only three digital exchange signals U1, U2, U3 and z. B. by means of three transmission units, not shown, can be realized.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, dass zur Übermittlung des ersten Datenstroms U1 ausschließlich digitale Bauteile in dem Primärkreis verwendet werden. Sämtliche analogen Bauteile befinden sich in dem von dem Primärkreis galvanisch getrennten, elektrisch isolierten, Sekundärkreis. Damit werden Übermittlungen von Störsignalen, welche z. B. durch schnelle Takte der Steuereinheit CPU verursacht werden können, auf die analogen Schaltungsteile unterbunden.An essential advantage of the circuit according to the invention is that exclusively digital components are used in the primary circuit for the transmission of the first data stream U1. All analog components are located in that of the primary circuit galvanically isolated, elek trically isolated, secondary circuit. This transmissions of interference signals which z. B. caused by fast clocks of the control unit CPU can be prevented on the analog circuit parts.

Der erste und der zweite Datenstrom U1, U2 können über zwei Übermittlungseinheiten, nicht gezeigt, übermittelt werden. Der in der Steuereinheit. CPU und der Stromausgangsschaltung S vorliegende Takt CLK kann über ein drittes Austauschsignal U3 über eine dritte Übermittlungseinheit, nicht gezeigt, übermittelt werden. Synchron mit dem z. B. von der Steuereinheit CPU generierten Takt CLK wird über die zwei Übermittlungseinheiten je ein Datenstrom U1, U2 übertragen. Auf die Verwendung einer separaten Übermittlungseinheit für den Takt CLK kann verzichtet werden, wenn aus dem Stand der Technik bekannte sogenannte Takt-Regenerationsschaltungen (Clock Recovery) verwendet werden und der Takt CLK aus dem jeweiligen Datenstrom extrahiert wird.Of the first and the second data stream U1, U2 can via two transmission units, not shown, transmitted become. The one in the control unit. CPU and the power output circuit S present clock CLK can via a third exchange signal U3 via a third transmission unit, not shown, transmitted become. Synchronous with the z. B. generated by the control unit CPU Clock CLK is over the two transmission units each one data stream U1, U2 transmitted. On the use a separate transmission unit for the clock CLK can be dispensed with if known from the prior art so-called clock-regeneration circuits (clock recovery) used and the clock CLK is extracted from the respective data stream becomes.

Der in Richtung der Stromschleife L übermittelte erste Datenstrom U1 wird z. B. von einem digitalen Delta-Sigma-Modulator DM erzeugt. Der digitale Delta-Sigma-Modulator DM wandelt ein eingangsseitig anliegendes digitales Signal ausgangsseitig in ein ebenfalls digitales Signal, insbesondere einen Bitstrom, um. In einer Ausführungsform kann dafür ein digitaler Delta-Sigma-Modulator DM zweiter Ordnung verwendet werden. In dem vom digitalen Delta-Sigma-Modulator DM erzeugten ersten Datenstrom U1 ist sowohl der niederfrequente Anteil des einzustellenden Gleichstromsignals als auch der höherfrequente Anteil des einzustellenden Wechselstromsignals digital verschlüsselt.Of the in the direction of the current loop L transmitted first data stream U1 is z. B. generated by a digital delta-sigma modulator DM. The digital delta-sigma modulator DM converts an input side applied digital signal on the output side in a likewise digital Signal, in particular a bit stream to. In one embodiment can for a digital delta-sigma modulator DM second Order to be used. In the digital delta-sigma modulator DM generated first data stream U1 is both the low-frequency Proportion of the DC signal to be set as well as the higher-frequency one Proportion of the AC signal to be set digitally encrypted.

Der erste Datenstrom U1 wird über eine galvanische Barriere GB übertragen und auf ein erstes Filter F mit Tiefpasscharakteristik aufgeschaltet. Vorteilhafterweise wird dieses erste, analoge Filter F ausschließlich durch passive Bauelemente realisiert. Der Verzicht auf aktive z. B. Halbleiterbauelemente ermöglicht es, in einfacher Form eine hohe Linearität des ersten Filters F sicherzustellen. Der Verzicht auf aktive Bauelemente, wie Transistoren oder Operationsverstärker für das erste Filter F reduziert gleichzeitig auch die Herstellungskosten der Schaltung.Of the first data stream U1 is via a galvanic barrier GB and transferred to a first filter F with low-pass characteristics switched. Advantageously, this first, analog filter F realized exclusively by passive components. Of the Waiver of active z. B. semiconductor devices allows it, in a simple form, a high linearity of the first filter F ensure. The abandonment of active devices, such as transistors or operational amplifier for the first filter F also reduces the manufacturing cost of the circuit.

Der erste Datenstrom U1 wird mittels einem ersten und einem zweiten Steuersignal S1, S2 erzeugt. Das erste und das zweite Steuersignal A1, A2 werden von der Steuereinheit CPU erzeugt und ausgegeben, wobei das erste Steuersignal A1 zur Erzeugung des Gleichstromsignals und das zweite Steuersignal A2 zur Erzeugung des Wechselstromsignals dient. Das erste Steuersignal A1 wird an ein erstes Register R1 übertragen, welches dem ersten Steuersignal A1 entsprechende, insbesondere digitale, Werte W1 ausgibt. Das zweite Steuersignal A2 wird an ein zweites Register R2 übertragen, welches dem zweiten Steuersignal A2 entsprechende, insbesondere digitale, Werte W2 ausgibt. Mittels eines Addierers ADD werden die Werte W1, W2 zusammengefasst und an den digitalen Delta-Sigma-Modulator DM weitergeleitet. Durch den digitalen Delta-Sigma-Modulator DM wird dann der erste Datenstrom U1 erzeugt.Of the first data stream U1 is by means of a first and a second Control signal S1, S2 generated. The first and second control signals A1, A2 are generated and output by the control unit CPU wherein the first control signal A1 for generating the DC signal and the second control signal A2 is for generating the AC signal. The first control signal A1 is transmitted to a first register R1, which corresponds to the first control signal A1, in particular digital values W1 outputs. The second control signal A2 is sent to a second register R2 corresponding to the second control signal A2, especially digital, outputs values W2. By means of an adder ADD the values W1, W2 are summarized and connected to the digital Delta sigma modulator DM forwarded. Through the digital delta-sigma modulator DM then the first data stream U1 is generated.

6 zeigt ein Ersatzschaltbild eines ersten Filters F mit Tiefpasscharakteristik. Der erste Filter F besteht im Wesentlichen aus einer Kaskade aus RC-Gliedern. In 6 ist ein erster Filter F gezeigt, welcher aus einer 4-stufigen Kaskade besteht. Ein erstes RC-Glied besteht dabei aus dem fünfzehnten Widerstand R51 und dem ersten Glättungskondensator C24. Ein zweites RC-Glied besteht dabei aus dem sechzehnten Widerstand R49 und dem zweiten Glättungskondensator C25. Ein drittes RC-Glied besteht dabei aus dem siebzehnten Widerstand R50 und dem ersten dritten Glättungskondensator C26. Ein viertes RC-Glied besteht dabei aus dem achtzehnten Widerstand R48 und dem vierten Glättungskondensator C23. Der erste Filter F gibt als gefiltertes Ausgangssignal ein Spannungssignal aus, welches auf einen Spannungs-Strom-Wandler SSW gegeben und in ein Stromsignal umgesetzt wird. Der Spannungs-Strom-Wandler SSW ist in 6 mittels eines Operationsverstärker LM4, eines Feldeffekttransistor M2 und eines diskreten Transistors Q15 realisiert. Operationsverstärker LM4 und Transistoren Q15, M2 regeln den Spannungsabfall an einem Shuntwiderstand R46 so aus, dass die am Shuntwiderstand R46 abgegriffene Spannung exakt der Ausgangsspannung des ersten Filters F mit Tiefpasscharakteristik entspricht. Diese am Shuntwiderstand R46 abgegriffene Shuntspannung US ist direkt proportional zu dem in der Stromschleife L eingestellten Stromsignal. 6 shows an equivalent circuit diagram of a first filter F with low-pass characteristic. The first filter F consists essentially of a cascade of RC elements. In 6 a first filter F is shown which consists of a 4-stage cascade. A first RC element consists of the fifteenth resistor R51 and the first smoothing capacitor C24. A second RC element consists of the sixteenth resistor R49 and the second smoothing capacitor C25. A third RC element consists of the seventeenth resistor R50 and the first third smoothing capacitor C26. A fourth RC element consists of the eighteenth resistor R48 and the fourth smoothing capacitor C23. The first filter F outputs as a filtered output signal a voltage signal, which is applied to a voltage-current converter SSW and converted into a current signal. The voltage-to-current converter SSW is in 6 realized by means of an operational amplifier LM4, a field effect transistor M2 and a discrete transistor Q15. Operational amplifier LM4 and transistors Q15, M2 regulate the voltage drop across a shunt resistor R46 such that the voltage picked up at the shunt resistor R46 exactly corresponds to the output voltage of the first filter F with a low-pass characteristic. This shunt voltage US tapped at the shunt resistor R46 is directly proportional to the current signal set in the current loop L.

Ist im ersten Datenstrom U1 sowohl die niederfrequente als auch die höherfrequente Signalkomponente, d. h. das einzustellende Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal, verschlüsselt, so kann mittels der in 6 gezeigten Schaltung sowohl das aus dem Gleichstromsignal bestehende ”Analogsignal” als auch das aus dem Wechselstromsignal bestehende „HART”-Signal auf die Stromschleife L aufgeschaltet werden. Nach Glättung des ersten Datenstroms U1 im ersten Filter F mit Tiefpasscharakteristik ergibt sich am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers LM4 eine Analogspannung mit einer Gleichspannungs- und einer Wechselspannungskomponente. Durch den Feldeffekttransistor M2 und den Transistor Q15 wird dann ein entsprechendes Stromsignal in der Stromschleife L eingestellt. Dafür ist die Stromausgangsschaltung S an die elektrisch negative Seite L– der Stromschleife L angeschlossen. Die elektrisch positive Seite L+ der Stromschleife L ist an der Spannungsversorgung PS angeschlossen. Der Operationsverstärker LM4 der Stromausgangsschaltung S wird von der Spannungsversorgung PS gespeist.If both the low-frequency and the higher-frequency signal component, ie the DC signal to be set and the AC signal, are encrypted in the first data stream U1, then by means of the in 6 both the "analogue signal" consisting of the direct current signal and the "HART" signal consisting of the alternating current signal can be switched to the current loop L. After smoothing the first data stream U1 in the first filter F with low-pass characteristic results at the non-inverting input of the operational amplifier LM4 an analog voltage with a DC voltage and an AC component. By the field effect transistor M2 and the transistor Q15 then a corresponding current signal in the current loop L is set. For this, the current output circuit S is connected to the electrically negative side L- of the current loop L. The electrically positive side L + of the current loop L is connected to the power supply PS connected. The operational amplifier LM4 of the current output circuit S is supplied by the power supply PS.

Die Verschlüsselung des einzustellenden Gleichstromsignals und des einzustellenden Wechselstromsignals in dem ersten Datenstrom U1 kann dadurch realisiert werden, dass die Eingangsgröße, aus welcher der digitale Delta-Sigma-Modulator DM den ersten Datenstrom U1 errechnet wird, durch die Summe von zwei unterschiedlichen Komponenten, bspw. dem ersten und dem zweiten Steuersignal A1, A2 oder daraus abgeleiteten Signalen W1, W2, gebildet wird: einer niederfrequenten Komponente für das einzustellende niederfrequente Gleichstromsignal und einer schneller oszillierenden Komponente für das einzustellende Wechselstromsignal. In der schneller oszillierenden Komponente können die digitalen Kommunikationssignale verschlüsselt sein, welche für die digitale Kommunikation mit dem zweiten System S2 genutzt werden.The Encryption of the adjusted DC signal and the AC signal to be adjusted in the first data stream U1 can be realized by that the input quantity, from which the digital delta-sigma modulator DM the first data stream U1 is calculated by the sum of two different components, eg. the first and the second control signal A1, A2 or derived therefrom Signals W1, W2, is formed: a low-frequency component for the low-frequency DC signal to be set and a faster oscillating component for the to be adjusted AC signal. In the faster oscillating component can the digital communication signals are encrypted, which for the digital communication with the second system S2 be used.

Der zeitliche Verlauf der Schaltflanken des ersten Datenstroms U1, der bspw. aus einem Bitstrom besteht, wird im Allgemeinen während der Übermittlung über die galvanische Barriere GB verfälscht. In 6 ist die galvanische Barriere GB durch die gestrichelte Linie angedeutet. Es entsteht ein sog. Jitter. Um den Einfluss dieses Jitters zu vermeiden, enthält die Schaltung aus 6 zunächst ein Flip-Flop FL, hier ein D-Flip-Flop, welches den ersten Datenstrom U1 auf einen Takt CLK aufsynchronisiert, der bspw. in beiden voneinander galvanisch getrennten Bereichen, dem Primär- und dem Sekundärkreis, verfügbar ist. Für die Funktion ist dabei nicht relevant, in welchem der beiden galvanisch voneinander getrennten Bereiche der Takt CLK generiert wird. Entscheidend ist lediglich, dass die Signalverarbeitung in beiden Bereichen mit dem gleichen Takt CLK erfolgt.The time profile of the switching edges of the first data stream U1, which consists, for example, of a bit stream, is generally corrupted during the transmission via the galvanic barrier GB. In 6 is the galvanic barrier GB indicated by the dashed line. The result is a so-called jitter. To avoid the influence of this jitter, the circuit contains 6 First, a flip-flop FL, here a D-flip-flop, which synchronizes the first data stream U1 to a clock CLK, for example, in both galvanically isolated regions, the primary and the secondary circuit, is available. For the function is not relevant, in which of the two galvanically separated areas of the clock CLK is generated. It is only decisive that the signal processing takes place in both areas with the same clock CLK.

Das Flipflop FL aus 6 wird mit einer präzisen Referenzspannung REF, die an dem Versorgungseingang VCC des Flip-Flops FL anliegt, betrieben. Diese Referenzspannung REF ermöglicht, die am Eingang des Operationsverstärkers LM4 anliegende Spannung präzise festzulegen. Enthält z. B. der erste Datenstrom U1 ein Bitmuster, welches 50% der Zeit High- und 50% der Zeit Low-Pegel führt, so ergibt sich am Ausgang des Flip-Flops FL 50% der Zeit eine Spannung von Null Volt und 50% der Zeit die Referenzspannung REF. Am ersten Filter F, einem passiven RC-Filter, aus 6 ergibt sich damit im zeitlichen Mittel exakt die Hälfte der Referenzspannung REF.The flip-flop FL off 6 is operated with a precise reference voltage REF, which is applied to the supply input VCC of the flip-flop FL. This reference voltage REF makes it possible to precisely set the voltage applied to the input of the operational amplifier LM4. Contains z. B. the first data stream U1 a bit pattern which 50% of the time high and 50% of the time low level leads, so results in the output of the flip-flop FL 50% of the time a voltage of zero volts and 50% of the time the reference voltage REF. At the first filter F, a passive RC filter, off 6 thus results in the time average exactly half of the reference voltage REF.

Für den Fall, dass die erste Übermittlungseinheit, welche den ersten Datenstrom U1 über die galvanische Barriere GB überträgt, nur eine geringe Signalverfälschung, auch als Jitter bezeichnet, verursacht, kann auf den Einsatz eines Flip-Flops FL verzichtet werden. In diesem Fall kann der erste Datenstrom U1 von der ersten Übermittlungseinheit direkt mit dem Eingang des ersten Filters F mit Tiefpasscharakteristik verbunden werden.For the case that the first transmission unit, which the transmits first data stream U1 via the galvanic barrier GB, only a slight signal corruption, also known as jitter, caused, can be dispensed with the use of a flip-flop FL become. In this case, the first data stream U1 from the first transmission unit directly to the input of the first filter F with low-pass characteristic get connected.

Um eine bidirektionale Signalübertragung und somit auch Kommunikation des ersten Systems S1 mit dem zweiten System S2 zu ermöglichen, ist es erforderlich, dass die Steuereinheit CPU aus 4 Informationen über das in der Stromschleife L eingestellte Stromsignal erhält, in denen das zweite System S2, bspw. eine übergeordnete Einheit, ihre digital zu übertragende Information verschlüsselt.In order to enable a bidirectional signal transmission and thus also communication of the first system S1 with the second system S2, it is necessary for the control unit CPU to be off 4 Information about the current signal set in the current loop L is received, in which the second system S2, for example a superordinated unit, encrypts its information to be digitally transmitted.

Gleichzeitig ist für die Überwachung der Funktion der Stromausgangsschaltung S aus 4, die mehrheitlich aus analogen Bauteilen besteht, erforderlich, eine Information über das in der Stromschleife L eingestellte Stromsignal an die Steuereinheit CPU weiterzuleiten. Dieses Stromsignal ist proportional zur Shuntspannung US, welche bspw. an dem in 6 gezeigten Shuntwiderstand R46 abgegriffen werden kann.At the same time, monitoring of the function of the current output circuit S is off 4 , which consists mainly of analog components, required to forward information about the set in the current loop L current signal to the control unit CPU. This current signal is proportional to the shunt voltage US, which, for example, at the in 6 shown shunt resistor R46 can be tapped.

Die Übertragung der Informationen an die Steuereinheit CPU kann beispielsweise durch einen analogen Delta-Sigma-Modulator AM realisiert werden, wie er bspw. in 8 gezeigt ist.The transmission of the information to the control unit CPU can be realized, for example, by an analog delta-sigma modulator AM, as it is, for example, in 8th is shown.

Der von dem analogen Delta-Sigma-Modulator AM ausgegebene Datenstrom, bspw. ebenfalls ein Bitstrom, kann als zweiter Datenstrom U2 verwendet werden, welcher über die galvanische Barriere GB in Richtung Steuereinheit CPU übertragen wird. Dieser zweite Datenstrom U2 wird synchron zu einem Takt CLK generiert, der z. B. von der Steuereinheit CPU erzeugt wird und an den analogen Delta-Sigma-Modulator AM in 8 übertragen werden kann. Die gestrichelte Linie in 8 symbolisiert die galvanische Barriere GB.The data stream output by the analog delta-sigma modulator AM, for example likewise a bit stream, can be used as the second data stream U2, which is transmitted via the galvanic barrier GB in the direction of the control unit CPU. This second data stream U2 is generated synchronously with a clock CLK, the z. B. generated by the control unit CPU and to the analog delta-sigma modulator AM in 8th can be transferred. The dashed line in 8th symbolizes the galvanic barrier GB.

In dem zweiten Datenstrom U2 werden zwei Signalkomponenten verschlüsselt, welche dem analogen Delta-Sigma-Modulator AM eingangsseitig zugeführt werden. Einerseits handelt es sich um eine Shuntspannung US, welche proportional zum Strom ist, welcher in der Stromschleife L fließt. Andererseits handelt es sich um ein Spannungssignal, welches dem Wechselstromsignal in der Stromschleife L entspricht. Das Spannungssignal wird zu diesem Zweck auf ein passives analoges Hochpassfilter gegeben und wechselstromentkoppelt auf den Delta-Sigma-Modulator aufgeschaltet. Das wird mittels eines zwischengeschalteten elften Kondensators C21 erreicht, der dazu dient Gleichspannungsanteile herauszufiltern. in einer vorteilhaften Ausführung wird dieses Hochpassfilter um eine Schaltungsstufe mit einer Frequenzcharakteristik ergänzt, welche zum Beispiel Netzfrequenzen von 50 oder 60 Hz unterdrückt und somit Störpegel verringert.In the second data stream U2 two signal components are encrypted, which are supplied to the analog delta-sigma modulator AM on the input side. On the one hand, it is a shunt voltage US, which is proportional to the current flowing in the current loop L. On the other hand, it is a voltage signal which corresponds to the AC signal in the current loop L. The voltage signal is given for this purpose to a passive analog high-pass filter and AC-coupled to the delta-sigma modulator. This is achieved by means of an interposed eleventh capacitor C21, which serves to filter out DC voltage components. In an advantageous embodiment of this high-pass filter is supplemented by a circuit stage with a frequency characteristic, which, for example, mains frequencies of 50 or 60 Hz below presses and thus reduces noise levels.

Ein solcher analoger Delta-Sigma-Modulator AM kann, im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten analogen Delta-Sigma-Modulatoren AM, mit geringeren Bauteilekosten aufgebaut werden, da keine Integrierten Schaltkreise verwendet werden. Im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungen ermöglicht der vorgeschlagenen analoge Delta-Sigma-Modulator AM zusätzlich zum Empfang digitaler Daten von der übergeordneten Einheit auch das Rücklesen des innerhalb der Stromschleife L fließenden Stroms und damit die Überwachung des ersten Filters F.One such analog delta-sigma modulator AM can, in contrast to the analog delta-sigma modulators known from the prior art AM, be built with lower component costs, since no integrated Circuits are used. In contrast to those from the state the technology known circuits allows the proposed analog delta-sigma modulator AM in addition to receiving digital data from the parent unit also that Reading back the within the current loop L flowing Current and thus the monitoring of the first filter F.

Die Komponenten eines analogen Delta-Sigma-Modulators AM werden aus den folgenden drei Schaltungselementen gebildet: erstens aus einem digitalen Register R (in 8 durch das Flip-Flop FL realisiert), welches das Ausgangssignal eines Komparators LM3 auf einen Takt CLK aufsynchronisiert. Drittens verknüpft ein sogenanntes Schleifenfilter sowohl die analogen Eingangssignale des analogen Delta-Sigma-Modulators AM als auch das Ausgangssignal des Registers R mit dem Eingang des Komparators LM3. Im Zusammenhang mit 8 bezeichnet „Schleifenfilter” diejenigen Bauelemente, welche in einem analogen Regelkreis den Ausgang des Registers R (Signal Modulator Out) in Form einer sogenannten „Regelschleife” mit dem Eingang des Komparators LM3 verknüpfen.The components of an analog delta-sigma modulator AM are formed from the following three circuit elements: first, a digital register R (in 8th implemented by the flip-flop FL), which synchronizes the output signal of a comparator LM3 to a clock CLK. Third, a so-called loop filter combines both the analog input signals of the analog delta-sigma modulator AM and the output signal of the register R with the input of the comparator LM3. In connection with 8th "Loop filter" refers to those components which in an analog control loop connect the output of the register R (Signal Modulator Out) in the form of a so-called "control loop" to the input of the comparator LM3.

Die Frequenzcharakteristik dieses Schleifenfilters legt die Frequenzcharakteristik des Digitalisierungsrauschens und damit die Auflösung des analogen Delta-Sigma-Modulators AM fest. Je höher die Ordnung dieses Tiefpasses, desto effektiver kann das Quantisierungsrauschen unterdrückt werden. Jedoch ist bezüglich des Aussteuerverhaltens und bezüglich der Stabilität des Regelkreises des analogen Delta-Sigma-Modulators AM eine zu hohe Filterordnung unvorteilhaft. Das Schleifenfilter aus 8 weist damit eine Filtercharakteristik zweiter Ordnung auf, wobei die erste Ordnung des Filters bzw. der erste Pol der zugehörigen Übertragungsfunktion durch die Integratorschaltung (zehnter Widerstand R25, achter Kondensator C4, Operationsverstärker LM2) gebildet wird und die zweite Ordnung, bzw. der zweite Pol der Übertragungsfunktion durch das aus dem siebten Widerstand R23 und dem sechsten Kondensator C27 bestehende RC-Filter gebildet wird.The frequency characteristic of this loop filter determines the frequency characteristic of the digitization noise and thus the resolution of the analog delta-sigma modulator AM. The higher the order of this low pass, the more effectively the quantization noise can be suppressed. However, with regard to the modulation behavior and with regard to the stability of the control loop of the analog delta-sigma modulator AM, too high a filter order is unfavorable. The loop filter off 8th thus has a filter characteristic of second order, wherein the first order of the filter or the first pole of the associated transfer function by the integrator circuit (tenth resistor R25, eighth capacitor C4, operational amplifier LM2) is formed and the second order, or the second pole of Transfer function is formed by the consisting of the seventh resistor R23 and the sixth capacitor C27 RC filter.

Das Schleifenfilter des analogen Delta-Sigma-Modulators AM in 8 wird durch ein sogenanntes zeitkontinuierliches Filter realisiert. Dies ermöglicht mit besonders preisgünstigen Operationsverstärkern LM2, LM3 mit geringer Bandbreite und geringer Leistungsaufnahme arbeiten zu können. Aus dem Stand der Technik bekannte analoge Delta-Sigma-Modulatoren AM arbeiten üblicherweise mit sogenannten zeitdiskreten Schleifenfiltern (Switched-Capacitor-Filter), welche jedoch ohne die Entwicklung eines spezialisierten Integrierten Schaltkreises nur schwer und damit teuer realisiert werden können.The loop filter of the analog delta-sigma modulator AM in 8th is realized by a so-called time-continuous filter. This makes it possible to work with particularly low-cost operational amplifiers LM2, LM3 with low bandwidth and low power consumption. Analog delta-sigma modulators AM known from the prior art usually operate with so-called time-discrete loop filters (switched-capacitor filters), which, however, can only be realized with difficulty and therefore costly without the development of a specialized integrated circuit.

Eine weitere Besonderheit ist, dass das in 8 gezeigte Schleifenfilter eine Filtercharakteristik zweiter Ordnung realisiert, dafür jedoch lediglich einen Operationsverstärker LM2 benötigt.Another special feature is that in 8th shown loop filter realizes a filter characteristic of second order, but only an operational amplifier LM2 needed.

Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass der analoge Delta-Sigma-Modulator AM aus 8 über zwei separate Eingangspfade verfügt, welche unabhängig voneinander eine Gleichspannungs- und eine Wechselspannungskomponente auf das Schleifenfilter aufkoppeln.Another special feature is that the analog delta-sigma modulator AM out 8th has two separate input paths which independently couple a DC and an AC component to the loop filter.

Bezüglich der Dimensionierung des Arbeitstaktes des analogen Delta-Sigma-Modulators AM sind die folgenden Betrachtungen bedeutsam. Um mit preisgünstigen Schaltungskomponenten auszukommen, z. B. mit Operationsverstärkern mit einem geringen Verstärkungs-Bandbreiteprodukt (Gain Bandwidth Product) von z. B. 1 MHz, ist es vorteilhaft, sich beim (Daten-)Takt CLK auf Frequenzen unterhalb von ca. 3 MHz zu beschränken. Andererseits ist eine ausreichende sogenannte Oversampling-Rate erforderlich, um sicherzustellen, dass die größte gewünschte Nutzfrequenz des analogen Delta-Sigma-Modulators AM mit ausreichend geringer Verfälschung übertragen wird. Arbeitet man zweckmäßig z. B. mit einer Oversampling-Rate von mindestens 64 und einer Nutzfrequenz von max. 5 kHz, so ergibt sich für den Takt CLK ein sinnvoller Minimalwert von rund 300 kHz. Vorteilhafterweise wird somit für den Takt CLK eine Frequenz zwischen 200 kHz und 4 MHz verwendet. Soll der Modulator nur fürs Zurücklesen des Gleichstromsignals verwendet werden, kommen auch geringere Taktfrequenzen in Betracht, z. B. von 64·30 Hz = 2 kHz.In terms of the dimensioning of the working clock of the analog delta-sigma modulator AM the following considerations are significant. To deal with low-priced Circuit components get along, z. B. with operational amplifiers with a low gain bandwidth product (gain bandwidth Product) of z. B. 1 MHz, it is advantageous in the (data) clock CLK to be limited to frequencies below about 3 MHz. On the other hand, a sufficient so-called oversampling rate is required, to make sure the biggest one you want Usable frequency of the analog delta-sigma modulator AM with sufficient low distortion is transmitted. Is working it is useful z. B. at an oversampling rate of at least 64 and a usable frequency of max. 5 kHz, it turns out for the clock CLK a reasonable minimum value of about 300 kHz. Advantageously, thus becomes for the clock CLK a Frequency between 200 kHz and 4 MHz used. Should the modulator used only to read back the DC signal are also lower clock frequencies into consideration, z. B. of 64 x 30 Hz = 2 kHz.

Sowohl das Gleichstromsignal als auch das Wechselstromsignal finden sich digital verschlüsselt in dem am Ausgang des Registers R abgreifbaren zweiten Datenstrom U2 wieder, welcher über die galvanische Barriere GB hinweg an die Steuereinheit CPU und/oder Auswerteeinheit weitergeleitet werden kann.Either the DC signal as well as the AC signal can be found digitally encrypted in the at the output of the register R tapped second data stream U2 again, which via the galvanic barrier GB across to the control unit CPU and / or Evaluation unit can be forwarded.

In einem digitalen Dezimationsfilter D1 können der dem Gleichstromsignal entsprechende Anteil und der dem Wechselstromsignal entsprechende Anteil des zweiten Datenstroms U2 wiederum voneinander getrennt und an die Steuereinheit CPU weitergeleitet werden. Mittels digitaler Signalverarbeitung können dann aus dem dem Wechselstromsignal entsprechenden Anteil des zweiten Datenstroms U2 die digitalen Daten extrahiert werden, welche bspw. die übergeordnete Einheit in die Stromschleife L einstellt hat. Eine Auswertung ermöglicht damit den Empfang von digitalen Daten seitens der Steuereinheit CPU.In a digital decimation filter D1, the component corresponding to the direct current signal and the component of the second data stream U2 corresponding to the alternating current signal can in turn be separated from one another and forwarded to the control unit CPU. By means of digital signal processing, the digital data which, for example, sets the higher-order unit into the current loop L can then be extracted from the component of the second data stream U2 corresponding to the alternating-current signal Has. An evaluation thus enables the reception of digital data by the control unit CPU.

Von Vorteil ist, dass die Verschlüsselung von Gleichstromsignalen und Wechselstromsignalen auf einer einzelnen Digitalleitung mittels Delta-Sigma-Modulatoren möglich ist und die Erzeugung der Datenströme U1, U2 ohne großen Hardware-Aufwand gelingt.From Advantage is that the encryption of DC signals and AC signals on a single digital line using Delta sigma modulators is possible and the generation of data streams U1, U2 succeeds without much hardware effort.

Ein digitaler Delta-Sigma-Modulator DM kann z. B. mit nur wenig Logikressourcen innerhalb in eines sogennanten Field Programmable Gate Arrays FPGA oder eines sogenannten Complex Programmable Logic Device CPLD Integrierten Schaltkreises realisiert werden.One digital delta-sigma modulator DM can z. B. with little logic resources within a so-called field programmable gate array FPGA or a so-called Complex Programmable Logic Device CPLD Integrated Circuit can be realized.

Auch ein analoger Delta-Sigma-Modulator AM lässt sich mit einer geringen Anzahl elektronischer Bauelemente einfach aufbauen. Es werden im Minimalfall nur ein Operationsverstärker LM2 und ein Komparator LM3 benötigt.Also an analog delta-sigma modulator AM can be used with a easy to set up with a small number of electronic components. It In the minimum case, only one operational amplifier LM2 will be used and a comparator LM3 needed.

Die Anzahl der elektronischen Komponenten ist damit weit geringer als bei im Stand der Technik verwendeten konventionellen Lösungen. Dies geht mit einer erhöhten Robustheit und geringeren Bauteilekosten einher.The Number of electronic components is thus much lower than in conventional solutions used in the prior art. This goes with increased robustness and lower Component costs associated.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, dass die Anzahl der Schaltungskomponenten, welche für die Erzeugung und Überwachung der analogen 4–20 mA Signale benötigt werden, sehr gering ist.One Another advantage of the circuit according to the invention is that the number of circuit components, which for the generation and monitoring of analogue 4-20 mA signals are needed, very low.

Insbesondere kann die eigentlich als Stromausgang S konzipierte Schaltung mit der erfindungsgemäßen Rückleseschaltung ohne Mehrkosten auch als „Stromeingang” genutzt werden. Dafür kann ein Betriebsmodus des ersten der Steuereinheit CPU und der Stromausgangsschaltung S vorgesehen sein. Bei der Nutzung der in 4 gezeigten Schaltung als „Stromeingang” wird das erste System S1 über eine Stromschleife L mit einem zweiten System S2 verbunden, welches zweite System S2 den innerhalb der Stromschleife L fließenden Strom bspw. mittels einer Stromquelle oder einer anderen vorgesehenen Einheit auf einen Stellwert begrenzen kann. Wird der Strom des Spannungs-Strom-Wandlers SSW aus 4 auf einen maximalen Wert eingestellt, so wird der innerhalb der Stromschleife L fließende Strom nicht durch die Steuereinheit CPU und die Stromausgangschaltung S begrenzt, sondern vielmehr durch die Stromquelle oder die dafür vorgesehene Einheit des zweiten Systems S2 auf den Stellwert begrenzt. Der Rücklesekanal aus 8 liefert in diesem Fall den effektiv innerhalb der Stromschleife L fließenden Strom zurück. Die kombinierte Schaltung bestehend aus Steuereinheit CPU und Stromausgangschaltung S arbeitet in diesem Fall als „Stromeingang”.In particular, the circuit, which is actually designed as a current output S, can be used with the read-back circuit according to the invention also at no additional cost as a "current input". For this, an operation mode of the first control unit CPU and the power output circuit S may be provided. When using the in 4 1, the first system S1 is connected via a current loop L to a second system S2, which second system S2 can limit the current flowing within the current loop L, for example, to a control value by means of a current source or another provided unit. The current of the voltage-current converter SSW is off 4 set to a maximum value, the current flowing within the current loop L is not limited by the control unit CPU and the current output circuit S, but rather limited by the power source or the dedicated unit of the second system S2 to the control value. The readback channel off 8th In this case, the current flowing within the current loop L is returned. The combined circuit consisting of control unit CPU and current output circuit S operates in this case as a "current input".

Für die Genauigkeit des im Betrieb als Stromausgang S generierten Gleichstromsignals bestimmend sind, neben der Genauigkeit der Referenzspannung REF mit der das Flip-Flop FL betrieben wird, die Genauigkeit des Shuntwiderstands R46 und die Genauigkeit des ersten Filters F.For the accuracy of the DC current signal generated as current output S during operation determining, in addition to the accuracy of the reference voltage REF with which the flip-flop FL is operated, the accuracy of the shunt resistor R46 and the accuracy of the first filter F.

Da im Fall von Nebenschlusswiderständen eine Genauigkeit von wenigen ppm auch für Präzisionswiderstände unter Serienbedingungen nicht gewährleistet werden kann, ist in der Praxis ein Abgleich der Schaltung zur Generierung der Gleichstromsignale und Wechselstromsignale erforderlich. Für die in der Fertigung erforderlichen Prozesszeiten ist für die Abgleichdauer die Einschwingzeit der Schaltung maßgeblich. Diese Einschwingzeit wird in dem Ausführungsbeispiel in 6 in erster Linie durch die Frequenzcharakteristik des analogen, ersten Filters F, bestehend aus der RC-Filter-Kaskade, vorgegeben. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, dass bei Verwendung eines digitalen Delta-Sigma-Modulators DM zur Generierung des ersten Datenstroms U1 ein erster Filter F mit einer besonders hohen Grenzfrequenz verwendet werden kann. Vorteilhafterweise wird diese Grenzfrequenz in der Größenordnung der maximalen Frequenz der Wechselstromkomponente gewählt, welche für die digitale Datenkodierung genutzt wird. Im Fall des HART-Protokolls beispielsweise oberhalb von ca. 2.2 kHz (Baudrate 1200 BPS) oder ca. 6 kHz (Baudrate 4.8 BPS). Durch Verwendung dieser hohen Grenzfrequenz ergibt sich automatisch eine besonders geringe Einschwingzeit. Diese kurze Einschwingzeit ermöglicht z. B. den Abgleich einer Elektronikbaugruppe innerhalb einer besonders kurzen Prüfzeit.Since in the case of shunt resistors, an accuracy of a few ppm can not be guaranteed even for precision resistors under series conditions, an adjustment of the circuit for generating the DC signals and AC signals is required in practice. The settling time of the circuit is decisive for the process times required in production. This settling time is in the embodiment in 6 primarily by the frequency characteristic of the analog first filter F, consisting of the RC filter cascade. A significant advantage of the circuit according to the invention is that when using a digital delta-sigma modulator DM for generating the first data stream U1, a first filter F can be used with a particularly high cutoff frequency. Advantageously, this cut-off frequency is chosen on the order of the maximum frequency of the AC component which is used for the digital data coding. In the case of the HART protocol, for example above about 2.2 kHz (baud rate 1200 BPS) or about 6 kHz (baud rate 4.8 BPS). By using this high cutoff frequency automatically results in a particularly low settling time. This short settling time allows z. B. the adjustment of an electronic module within a particularly short test time.

In einer Ausführungsform verfügt die erfindungsgemäße Schaltung über einen nichtflüchtigen Speicher, beispielsweise in Form eines sogenannten EEPROMs oder FLASH-Speichers. Nach Durchführung der Abgleichmessung können Korrekturwerte ermittelt und im Speicher abgelegt werden, welche die rechnerische Kompensation der Toleranzen des Shuntwiderstand R46s ermöglichen und somit eine hohe Genauigkeit des Stromsignals in der Stromschleife L.In an embodiment of the invention Circuit via a non-volatile memory, for example in the form of a so-called EEPROM or FLASH memory. After carrying out the adjustment measurement, correction values can be determined and stored in memory, which the computational compensation allow the tolerances of the shunt resistor R46s and thus a high accuracy of the current signal in the current loop L.

Auf die gleiche Weise können auch Toleranzen der verwendeten Referenzspannung REF und eine sich ggf. ausbildende sogenannte Offsetspannung des Operationsverstärkers LM4 aus 6 und 7 ermittelt und kompensiert werden.In the same way tolerances of the reference voltage used REF and a possibly forming so-called offset voltage of the operational amplifier LM4 from 6 and 7 be determined and compensated.

Da für die Genauigkeit des innerhalb der Stromschleife L fließenden Stromsignals die am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers LM4 aus 6 anliegende Spannung maßgeblich ist, ist es erforderlich, ggf. fließende Leckströme zu berücksichtigen. Fließt beispielsweise über den zweiten Glättungskondensator C25 aus 6 ein parasitärer Gleichstrom, z. B. wegen Feuchtigkeitsfilmen auf dem Bauelement, so führt dieser Gleichstrom zu einem Spannungsabfall am zweiten RC-Glied. Analoge Überlegungen gelten für alle Bauelemente des in 6 gezeigten ersten Filters F mit Tiefpasscharakteristik. Zu einer ebensolchen Verfälschung des Gleichspannungspotentials führt ein Leckstromabfluss, welcher zwischen einem der Widerstandsanschlüsse des ersten Filters F und einem sich in der Nähe befindlichen Bauelement oder einer sich in der Nähe befindlichen Leiterbahn ausbildet. Entscheidend für die Auswirkung eines Leckstromabflusses auf die Genauigkeit des Aufbaus ist die Gleichstromimpedanz des Schaltungsknotens. Nur bei einer hohen Impedanz ergibt sich durch Leckströme ein bedeutsamer Spannungsabfall.Since for the accuracy of the current signal flowing within the current loop L, the at the non-inverting input of the operational amplifier LM4 from 6 applied voltage prevail Lich, it is necessary to take into account any flowing leakage currents. For example, flows out through the second smoothing capacitor C25 6 a parasitic direct current, z. B. due to moisture films on the device, this DC current leads to a voltage drop across the second RC element. Similar considerations apply to all components of the 6 shown first filter F with low-pass characteristic. Such a falsification of the DC potential leads to a leakage current drain which forms between one of the resistance terminals of the first filter F and a nearby component or a conductor located in the vicinity. Critical to the impact of leakage current drain on the accuracy of the design is the DC impedance of the circuit node. Only with a high impedance results in leakage currents a significant voltage drop.

In 6 betrifft das somit insbesondere die Schaltungsknoten des ersten Filters F, die nicht beliebig niederohmig ausgeführt werden können, weil sonst die Ausgangsimpedanz des Treibergatters – in 7 das D-Flip-Flop – nicht gering genug ist.In 6 Thus, this relates in particular to the circuit nodes of the first filter F, which can not be made arbitrarily low impedance, because otherwise the output impedance of the driver gate - in 7 the D-flip-flop - not low enough.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist daher der erste Filter F mit einem isolierenden Schutzlack überdeckt. Das Aufbringen einer Schutzlackierung bedeutet für die Erzeugnisfertigung einen zusätzlichen Prozessschritt, welcher Material- und Arbeitskosten verursacht.In an advantageous embodiment is therefore the first Filter F covered with an insulating protective varnish. The Application of a protective coating means for product manufacturing an additional process step, which material and Labor costs caused.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wir die Ausbildung parasitärer Leckströme der oben beschriebenen Art auf andere Weise unterbunden. Zu diesem Zweck werden der erste, zweite, dritte und vierte Glättungskondensator C24, C25, C26, C23 nicht mehr leitend mit einem Massepotential verbunden, sondern mit einem Schirmsignal, welches näherungsweise das gleiche Gleichspannungspotential aufweist, wie es am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers LM4 anliegt, bezüglich höherer Frequenzen jedoch niederimpendant mit dem Massepotential verbunden ist. Vorteilhafterweise wird der Signalpfad des ersten, zweiten, dritten und vierten RC-Gliedes des ersten Filters F außerdem mittels einer Leiterschleife aktiv geschirmt, d. h. mit einem sogenannten Wächter-Ring G (Guard-Ring) umschlossen, wobei dieser Wächterring G ebenfalls mit einem solchen Schirmsignal verbunden ist. Dieser Wächterring G ist auf der Leiterplatte der erfindungsgemäßen Baugruppe vorteilhafterweise nicht mit Isolationsschutzlack überdeckt, d. h. frei von Isolationsschutzlack.In an advantageous embodiment of the invention we the Forming parasitic leakage currents of the above Stop the species in another way. For this purpose, the first, second, third and fourth smoothing capacitor C24, C25, C26, C23 no longer connected to a ground potential, but instead with a screen signal which is approximately the same DC potential, as at the non-inverting input the operational amplifier LM4 is applied, with respect higher frequencies but low-impedance with the ground potential connected is. Advantageously, the signal path of the first, second, third and fourth RC element of the first filter F also actively shielded by means of a conductor loop, d. H. with a so-called Guardian Ring G (Guard Ring) enclosed, this Guardian Ring G is also connected to such a screen signal. This Guard ring G is on the circuit board of the invention Subassembly advantageously not covered with insulation protective varnish, d. H. free of insulation protective varnish.

Durch Verwendung des Wächterrings G und des Schirmpotentials an dem ersten, zweiten, dritten und vierten Glättungskondensator wird sichergestellt, dass in der Umgebung der hochohmigen Schaltungsknoten des ersten Filters F die Ausbildung einer Gleichstromkomponente unterbunden wird, welche zwischen diesem Knoten und einem anderen Potential fließen könnte.By Use of the guard ring G and the shield potential at the first, second, third and fourth smoothing capacitors ensures that in the vicinity of the high-resistance circuit nodes of the first filter F, the formation of a DC component which is between this node and another Potential could flow.

Eine mögliche Realisierung eines erfindungsgemäßen Schirmpotentials ist in 7 dargestellt. Das Schirmpotential wird in diesem Fall dadurch generiert, dass eine Spannung genutzt wird, welche das gleiche Wechselspannungspotential führt, wie der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers LM4. Im Unterschied zum Eingang des Operationsverstärkers LM4 ist diese verwendete Spannung aber wesentlich niederimpedanter.One possible realization of a shielding potential according to the invention is in 7 shown. The shield potential is generated in this case by using a voltage which carries the same AC potential as the non-inverting input of the operational amplifier LM4. In contrast to the input of the operational amplifier LM4, however, this voltage used is significantly lower impedance.

Das erste Filter F aus 7 kann eine Grenzfrequenz aufweisen, welche die Transmission der für die digitale Kommunikation mit dem zweiten System S2 verwendeten Wechselstromsignal-Frequenzbereiche gestattet. Andererseits soll die Grenzfrequenz ausreichend niedrig sein, um im ersten Datenstrom U1 gegebenenfalls enthaltenes hochfrequentes Signalrauschen ausreichend zu unterdrücken. Ist der erste Datenstrom U1 bspw. ein Bitstrom und wird als Bitrate des Bitstroms beispielsweise eine Frequenz F von 500 kHz bis 1 MHz verwendet, so sollte die Grenzfrequenz des ersten Filters F mit Tiefpasscharakteristik um eine ausreichende sogenannte „Oversampling-Rate” von z. B. 128 bis 256 niedriger liegen als die Datenrate des Bitstroms.The first filter F off 7 may have a cutoff frequency which allows the transmission of the AC signal frequency ranges used for digital communication with the second system S2. On the other hand, the cut-off frequency should be sufficiently low to sufficiently suppress high-frequency signal noise possibly contained in the first data stream U1. If the first data stream U1 is, for example, a bit stream and if the bit rate of the bit stream used is, for example, a frequency F of 500 kHz to 1 MHz, then the cutoff frequency of the first filter F with low-pass characteristic should have a sufficient so-called oversampling rate of z. B. 128 to 256 are lower than the data rate of the bitstream.

Im Allgemeinen ist jedoch eine sogenannte „flache” Übertragungscharakteristik mittels passiver RC-Glieder nur schwer zu realisieren, d. h. eine Übertragungscharakteristik, welche im relevanten Frequenzband Signale unabhängig von der Frequenz mit gleicher Amplitude überträgt. Im Fall eines Filters mit Tiefpasscharakteristik werden im Allgemeinen höhere Signalfrequenzen stärker bedämpft als niedrigere Signalfrequenzen. Dies kann dazu führen, dass die an das zweite System S2 zu übertragenden Stromsignale höherer Frequenz, z. B. 2200 Hz, stärker bedämpft werden als die Signalkomponenten geringerer Frequenz, z. B. 1200 Hz. Dieses Problem kann dadurch behoben werden, dass an Stelle eines passiven RC-Gliedes ein aktives Filter zum Einsatz kommt. Dies würde jedoch in höheren Kosten und in einer potentiellen Nichtlinearität resultieren. Alternativ ist es möglich die Verzerrung auf andere Weise zu beheben. Zu diesem Zweck kann ein digitales Filter DF hinzugefügt werden, welches die Verzerrung im ersten Filter F mit Tiefpasscharakteristik annähernd kompensiert. Das digitale Filter DF kann an verschiedenen Stellen im Signalpfad positioniert werden. Eine mögliche Position ist in 5 gezeigt. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Berechnung der Summe der Steuersignale bzw. des ersten und des zweiten Steuersignals ebenso wie die Steuersignale selbst bzw. das erste und zweite Steuersignal in einem digitalen Schaltkreis durchgeführt. Beispielsweise innerhalb eines sogenannten Gate-Arrays, Structured ASIC oder innerhalb eines sogenannten FPGAs oder CPLDs.In general, however, a so-called "flat" transmission characteristic by means of passive RC elements is difficult to realize, ie a transmission characteristic which transmits signals of the same amplitude in the relevant frequency band independently of the frequency. In the case of a filter with a low-pass characteristic, higher signal frequencies are generally attenuated more than lower signal frequencies. This can lead to the current signal to be transmitted to the second system S2 higher frequency, z. B. 2200 Hz, are attenuated stronger than the signal components lower frequency, z. 1200 Hz. This problem can be solved by using an active filter instead of a passive RC element. However, this would result in higher costs and potential nonlinearity. Alternatively, it is possible to remedy the distortion in other ways. For this purpose, a digital filter DF can be added, which approximately compensates for the distortion in the first filter F with a low-pass characteristic. The digital filter DF can be positioned at different locations in the signal path. One possible position is in 5 shown. In an advantageous embodiment, the calculation of the sum of the control signals and the first and the second control signal as well as the control signals themselves and the first and second control signal is performed in a digital circuit. example within a so-called gate array, structured ASIC or within a so-called FPGAs or CPLDs.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

S1

First system

S2

Second system

L

Two-wire current loop

FROM

First frequency range of the DC signal

DB

Second frequency range of the AC signal

e

energy

F

frequency

CPU

control unit

DAC

Digital to analog converter

ADC

Analog to digital converter

HART MODEM

HARD MODEM

B1

First bandpass filter

B2

Second bandpass filter

K

AC coupling

AS1

Connection current loop

SSW

Voltage-current converter

R1

First register

R2

Second register

ADD

adder

DM

Digital delta-sigma modulator

AT THE

Analog delta-sigma modulator

F

First filter

sensor

Sensor / sensor

D1

decimation

DF

Digital filter

CLK

clock

GND

Dimensions

VCC

supply input

Q15

transistor

REF

supply voltage

LM2

operational amplifiers

LM3

comparator

LM4

operational amplifiers

GB

Galvanic barrier

FL

Flip-flop

M2

Field Effect Transistor

Q15

transistor

L +

Positive current loop connection

L-

Negative current loop connection

PS

power supply

REF

reference voltage

PS2

supply voltage for opamps

PS3

supply voltage for opamps

PS4

supply voltage for opamps

U1

First data stream

U2

Second data stream

U3

clock signal

G

guard ring

US

shunt voltage

R46

shunt resistor

R

register

S

Current output circuit

A1

First control signal

A2

Second control signal

C24

First smoothing capacitor

C25

Second smoothing capacitor

C26

Third smoothing capacitor

C23

Fourth smoothing capacitor

C22

capacitor

R64

First resistance

R63

Second resistance

R62

Third resistance

R61

Fourth resistance

R53

Fifth resistance

C22

First capacitor

C32

Second capacitor

C31

Third capacitor

C29

Fourth capacitor

C28

Fifth capacitor

R30

Sixth resistance

C27

Sixth capacitor

C5

Seventh capacitor

R23

Seventh resistance

C4

Eighth condenser

R13

Eighth resistance

R44

Ninth resistance

C20

Ninth capacitor

R25

Tenth resistance

R28

Eleventh resistance

C19

Tenth capacitor

R40

twelfth resistance

C21

Eleventh capacitor

R41

Thirteenth resistance

R12

Fourteenth resistance

R51

Fifteenth resistance

R49

Sixteenth resistance

R50

Seventeenth resistance

R48

Eighteenth resistance

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 69835808 T2 [0011]

Claims

Method for signal transmission between a first and a second system (S1, S2), wherein the first and the second system (S1, S2) are connected to each other via a current loop (L), wherein a direct current signal in a first frequency range (AB) and an alternating current signal in a second frequency range (DB) are transmitted via the current loop (L), wherein the direct current signal and the alternating current signal are superimposed, wherein the alternating current signal is used for digital signal transmission and the direct current signal for analog signal transmission, characterized in that by means of a control unit ( CPU), a first data stream (U1) is generated in which in the current loop (L) to be set DC signal and AC signal are digitally encrypted, that the first data stream (U1) is transmitted to a current output circuit (S) that the transmitted first data stream ( U1), from the current output circuit into a current signal is converted, which current signal consists of the superposed DC signal and AC signal, or that the transmitted first data stream (U1) from the current output circuit (S) is converted into the DC signal and the AC signal, and that the current signal or the DC signal and the AC signal in the current loop (L) can be adjusted.

Method for signal transmission according to claim 1, characterized, that in the current loop (L) set DC signal and AC signal in one second data stream (U2) are converted in which second Data stream (U2) the DC signal and the AC signal are digitally encrypted, and that the second data stream (U2) from the power output circuit (S) to the control unit (CPU) becomes.

Method for signal transmission according to one of previous claims, characterized in that the first data stream (U1) and / or the second data stream (U2) via a galvanic barrier (GB) are transmitted.

Method for signal transmission according to claim 2 or 3, characterized in that by means of the control unit (CPU) is a value of the current loop (L) set and returned DC signal and / or alternating current signal is compared with a desired value.

Method for signal transmission according to one of previous claims, characterized, that an operating mode is provided in which operating mode by means of the first data stream (U1) a maximum value of the in the Current loop (L) adjustable direct current signal is given, in In which operating mode continues the value of the DC signal in the current loop (L) of one provided in the second system (S2) Unit to a value less than or equal to the specified maximum Value is limited, and in which mode of operation in the Current loop (L) set value of the DC signal over transmits the second data stream (U2) to the control unit (CPU) becomes.

Electrical and / or electronic circuit for Signal transmission between a first and a second System (S1, S2), wherein the first and the second system (S2) via a Current loop (L) communicate with each other, the Current loop (L) serves in a first frequency range (AB) a DC signal and in a second frequency range (DB) to transmit an AC signal, where the Superimpose AC signal and DC signal, in which the DC signal for analog signal transmission and the AC signal for digital signal transmission serves, characterized, that a control unit (CPU) is provided, which for generating a first data stream (U1) serves, in which first data stream (U1) that in the current loop (L) to set DC signal and AC signal digital are encrypted, that a first transmission unit is provided, which serves the first data stream (U1) to transmit to a power output circuit (S), and that the current output circuit (S) serves to transmit the transmitted convert first data stream (U1) into a current signal, which current signal from the superimposed DC signal and AC signal consists, or that the current output circuit (S) serves to the transmitted first data stream (U1) in the DC signal and convert the AC signal.

Electrical and / or electronic circuit according to the preceding claim 11, characterized in that a first signal processing unit is provided which a digital sigma-delta Mo. dulator (DM), which serves to generate the first data stream (U1).

Electrical and / or electronic circuit according to one of claims 6 or 7, characterized in that a synchronization unit is provided, which serves the transmitted synchronize first data stream with a predetermined clock.

Electrical and / or electronic circuit according to one of claims 6 to 8, characterized in that the current output circuit (S) has a first filter (F) with a Low-pass characteristic has, which the transmitted first data stream (U1) converts into an analog voltage.

Electrical and / or electronic circuit according to one of claims 6 to 9, characterized in that electrical and / or electronic components of the current output circuit are spatially surrounded by electrical conductors, which interconnects active at the substantially same DC potential held as the electrical and / or electronic components.

Electrical and / or electronic circuit according to one of claims 6 to 10, characterized in that the current output circuit (S) is a second signal processing unit comprising the DC signal set in the current loop (L) and / or converting AC signal into a second data stream (U2), in which second data stream (U2) the DC signal and the AC signal are digitally encrypted.

Electrical and / or electronic circuit according to the previous claim, characterized in that the second Signal processing unit an analog delta-sigma modulator (AM), which serves to generate the second data stream (U2).

Electrical and / or electronic circuit according to the previous claim, characterized in that a for the modulation used loop filter of the analog delta-sigma modulator (AM) is a time-continuous filter.

Electrical and / or electronic circuit according to one of claims 11, 12 or 13, characterized a second transmission unit is provided which this is done, the second data stream (U2) to the control unit (CPU) to convey.

Field device of process and / or automation technology with an electrical and / or electronic circuit according to one of claims 6 to 14.