DE102013114137A1

DE102013114137A1 - Elektronische Schaltung und Verfahren zum Demodulieren eines Trägersignals

Info

Publication number: DE102013114137A1
Application number: DE102013114137.4A
Authority: DE
Inventors: Jörg Uhle; Stefan Paul; Lars Kirsten
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: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektronische Schaltung (1) zum Demodulieren eines Trägersignals, wobei das Trägersignal am Eingang (1.in) der elektronischen Schaltung (1) anliegt, wobei das Trägersignal zumindest zeitweise ein digital codiertes Nutzsignal enthält, wobei das Trägersignal elektrische Energie in Form einer Trägerspannung und eines Trägerstroms zum Versorgen zumindest eines Verbrauchers (22), insbesondere einer Sensoreinheit, enthält, umfassend: eine erste Unterschaltung (2) mit einem Eingang (2.in) und einem Ausgang (2.out), insbesondere umfassend einen Demodulator, wobei der Eingang (2.in) der ersten Unterschaltung mit dem Eingang (1.in) der elektronischen Schaltung verbunden ist, und wobei die erste Unterschaltung (2) das Nutzsignal aus dem Trägersignal entnimmt, indem die erste Unterschaltung (2) eine Entscheidereinheit (6), insbesondere einen Komparator, umfasst, und die Entscheidereinheit (6) das Trägersignal mit einem Referenzsignal (Vref) vergleicht und so entscheidet ob im Trägersignal eine digitale 0 oder eine digitale 1 vorliegt; und eine zweite Unterschaltung (3) mit einem Eingang (3.in) und einem Ausgang (3.out), wobei der Eingang (3.in) der zweiten Unterschaltung mit dem Eingang (1.in) der elektronischen Schaltung verbunden ist, und wobei die zweite Unterschaltung (3) Energie aus dem Trägersignal entnimmt, wobei der Ausgang (3.out) der zweiten Unterschaltung mit dem Verbraucher (22), insbesondere der Sensoreinheit, verbunden ist und darüber ein Strom (ICC) zum Eingang (1.in) der elektronischen Schaltung zurückfließt; Die Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung, insbesondere eine durch den Verbraucher (22), insbesondere durch die Sensoreinheit, verursachte Änderung, des zurückfließenden Stroms (ICC) das Referenzsignal ändert. Die Erfindung betrifft weiter ein Feldgerät und ein Verfahren zum Demodulieren eines Trägersignals.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung und ein Verfahren zum Demodulieren eines Trägersignals. Das Trägersignal enthält zumindest teilweise ein Nutzsignal.
Das zu übertragende Nutzsignal (die „Information“ und die „Daten“) muss für eine Übertragung in ein geeignetes Format gewandelt werden. Dazu wird ein sogenanntes Trägersignal durch das Nutzsignal verändert. Diesen Vorgang nennt man Modulation. Den entgegengesetzten Vorgang, also das Herausfiltern eines Nutzsignals aus einem Trägersignal, nennt man Demodulation.
Die binäre Übertragung digitaler Signale erfolgt im einfachsten Falle dadurch, dass ein zweistufiges Rechtecksignal verwendet wird. Es kann in diesem Fall zwischen zwei Amplituden, Frequenzen oder Phasen umgeschaltet werden. Bei der Übertragung digitaler Signale spricht man statt von Modulation von Tastung, also beispielsweise von Amplitudentastung (ASK, engl. amplitude shift keying).
Nach dem Stand der Technik werden mittels ASK gesendete Daten beispielsweise mit einem Hüllkurvendemodulator und nachgeschaltetem Komparator demoduliert.
Derartige Formen der Datenübertragung sind beispielsweise für induktiv koppelnde Steckverbindungskupplung mit zumindest einer Primär- und Sekundärspule geeignet, wie sie von der Anmelderin unter der Bezeichnung „Memosens“ vertrieben werden.
In der Prozessautomatisierung besteht ein Messsystem üblicherweise aus einer übergeordneten Einheit, beispielsweise einem Messumformer (auch Transmitter genannt), und einem Verbraucher, beispielsweise einem Sensor. Diese Verbindung von Verbraucher zu Messumformer wird beispielsweise durch die bereits angesprochene Steckverbindungskupplung durchgeführt.
Häufig wird neben Daten in Form eines Datensignals auch zusätzlich Energie zur Versorgung des Sensors übertragen. Daten werden bidirektional, Energie in der Regel nur unidirektional von Messumformer zu Sensor übertragen. Alternativ ist die übergeordnete Einheit als Leitsystem ausgestaltet und der Sensor wird direkt an das Leitsystem angeschlossen.
Wird neben dem Informationssignal auch die Energie für die Applikation auf Sekundärseite übertragen, sind aufmodulierte Information und Energie, welche aus dem Trägersignal gezogen wird, miteinander verkoppelt. Dies wird in 1 verdeutlicht.
Hierbei verursacht ein Strom I_CC, welcher beispielsweise aus einer gleichgerichteten, positiven Halbwelle bezogen wird (1a), lastbedingte Einbrüche der Spannungen der positiven Halbwelle V₊ und negativen Halbwelle V_– (1b und 1c). Die digitale Information V_dig (1d) kann aus der negativen Halbwelle gewonnen werden. Durch geeignete Demodulator- und Filterschaltungen können die durch die Lastmodulation erzeugten Spannungshübe aus der negativen Halbwelle herausgefiltert werden. Durch eine geeignete Referenzschwelle V_ref kann ein Pegelwechsel detektiert werden (1e). Da der Spannungspegel der negativen Halbwelle mit der Last auf positiver Seite verkoppelt ist, kann es zu Fehldetektionen des demodulierten Signals V_dig,demod kommen (1f).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine korrekte und doch energiesparende Übertragung von digitalen Signalen zu ermöglichen, die ohne großen Schaltungs -und digitalen Logikaufwand umsetzbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine elektronische Schaltung, umfassend: eine erste Unterschaltung mit einem Eingang und einem Ausgang, insbesondere umfassend einen Demodulator, wobei der Eingang der ersten Unterschaltung mit dem Eingang der elektronischen Schaltung verbunden ist, und wobei die erste Unterschaltung das Nutzsignal aus dem Trägersignal entnimmt, indem die erste Unterschaltung eine Entscheidereinheit, insbesondere einen Komparator, umfasst, und die Entscheidereinheit das Trägersignal mit einem Referenzsignal vergleicht und so entscheidet ob im Trägersignal eine digitale 0 oder eine digitale 1 vorliegt; und eine zweite Unterschaltung mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Eingang der zweiten Unterschaltung mit dem Eingang der elektronischen Schaltung verbunden ist, und wobei die zweite Unterschaltung Energie aus dem Trägersignal entnimmt, wobei der Ausgang der zweiten Unterschaltung mit dem Verbraucher, insbesondere der Sensoreinheit, verbunden ist und darüber ein Strom zum Eingang der elektronischen Schaltung zurückfließt. Die elektronische Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung, insbesondere eine durch den Verbraucher, insbesondere durch die Sensoreinheit, verursachte Änderung, des zurückfließenden Stroms ein Referenzsignal ändert.
Dadurch ist sichergestellt, dass das modulierte Datensignal unabhängig ist von Lastschwankungen und ähnlichen Einflüssen und dass somit das Signal so vom Verbraucher, also der Sensoreinheit, empfangen wird, wie es vom Sender, also dem Transmitter oder dem Leitsystem gesendet wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die zweite Unterschaltung einen ersten Teil mit einer ersten Masse und einen zweiten Teil mit einer zweiten Masse, wobei der Ausgang der ersten Unterschaltung und der Ausgang der zweiten Unterschaltung mit der zweiten Masse verbunden sind, wobei eine Änderung des zurückfließenden Stroms die zweite Masse ändert, und das Referenzsignal gegen die erste Masse bezogen ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der zweite Teil der zweiten Unterschaltung einen Spannungsregler, wobei der Spannungsregler einen Spannungsreglereingang, einen Spannungsreglerausgang und eine Spannungsreglermasse umfasst, wobei die Trägerspannung dem Spannungsreglereingang, die zweite Masse der Spannungsreglermasse und der Spannungsreglerausgang dem Verbraucher, insbesondere der Sensoreinheit, zugeführt wird. Der Spannungsregler regelt die sich (leicht) ändernde Spannung am Eingang auf eine konstante Spannung am Ausgang. Diese Ausgangsspannung kann dem nachfolgenden Verbraucher, im Allgemeinen allen nachfolgenden Bauteilen, als Versorgungsspannung zugeführt werden.
Bevorzugt umfasst die elektronische Schaltung eine erste Gleichrichtereinheit zum Gleichrichten des Trägersignals in eine erste Halbwelle und eine zweite Gleichrichtereinheit zum Gleichrichten des Trägersignals in eine zweite Halbwelle, wobei die erste Unterschaltung das Nutzsignal aus der zweiten Halbwelle entnimmt, und wobei die zweite Unterschaltung Energie aus der ersten Halbwelle entnimmt. Es ist somit gewährleistet, dass sowohl Energie als auch Daten zur Sensoreinheit übertragen werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform hängt das Referenzsignal vom Spannungsreglerausgang oder von der Trägerspannung ab. Bevorzugt hängt das Referenzsignal von der ersten Halbwelle der Trägerspannung ab. Insbesondere kann auch ein Teil der ersten Halbwelle, etwa über einen Spannungsteiler, verwendet werden. Das Referenzsignal ist in allen Fällen auf die erste Masse bezogen. Somit hat die Regelung keinen Einfluss auf den Betrag der Versorgungsspannung der Sensoreinheit zur Masse, jedoch ändert sich die Versorgungsspannung in Relation zur ersten Masse. Es ergeben sich somit zumindest drei verschiedene Möglichkeiten was als Referenzsignal zu verwenden ist, wobei alle drei Möglichkeiten auf die ersten Masse bezogen sind: die Spannung am Spannungsreglerausgang, die Trägerspannung, insbesondere die positive Halbwelle der Trägerspannung, und ein Teil der Trägerspannung, insbesondere ein Teil der Halbwelle der Trägerspannung, also insbesondere eine über einen Spannungsteiler veränderte Spannung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung fließt der zurückfließende Strom aus der zweiten Unterschaltung über einen Spannungsfolger zum Eingang der elektronischen Schaltung zurück, wobei der zurückfließende Strom in den Ausgang des Spannungsfolgers fließt, wobei der Ausgang des Spannungsfolgers mit der zweiten Masse verbunden ist und der Eingang des Spannungsfolgers, insbesondere über einen stabilisierten Spannungsteiler, mit der Trägerspannung, insbesondere der ersten Halbwelle der Trägerspannung, beziehungsweise der ersten Masse verbunden ist. Als „stabilisierter Spannungsteiler“ soll in diesem Zusammenhang ein Spannungsteiler umfassend einen Widerstand und eine Diode verstanden werden.
Bevorzugt fließt der zurückfließende Strom aus der zweiten Unterschaltung über den Spannungsfolger durch ein Messglied, insbesondere einen Widerstand, zum Eingang der elektronischen Schaltung, wobei das Messglied, insbesondere der Widerstand, mit einer, insbesondere der negativen, Versorgungsspannung des Spannungsfolgers verbunden ist.
Der zurückfließende Strom sorgt für einen Spannungsabfall über dem Messglied, insbesondere dem Widerstand. Da der Widerstand mit einer Versorgungsspannung insbesondere der ersten Masse verbunden ist, ändert sich somit auch die Ausgangsspannung des Spannungsfolgers. Der Ausgang des Spannungsfolgers wiederum ist mit der zweiten Masse verbunden, genauso wie die Spannungsreglermasse. Somit regelt auch der Spannungsregler nach, wobei die Differenz von Versorgungsspannung zu zweiter Masse konstant bleibt, während sich die Differenz von Versorgungsspannung zu erster Masse ändert. An die nachfolgende Entscheidereinheit wird das Referenzsignal als Eingangssignal zugeführt.
Am ersten Eingang der Entscheidereinheit, insbesondere des Komparators, liegt die zweite, insbesondere tiefpassgefilterte, Halbwelle des Trägersignals an, wobei am zweiten Eingang der Entscheidereinheit, insbesondere des Komparators, das Referenzsignal (bezogen auf die erste Masse) anliegt, und an die positive bzw. negative Versorgungsspannung der Entscheidereinheit, insbesondere des Komparators, der Ausgang des Spannungsreglers bzw. die zweite Masse angeschlossen werden.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Feldgerät, umfassend eine elektronische Schaltung wie vorstehend beschrieben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Feldgerät eine galvanisch trennende Schnittstelle, insbesondere eine induktive Schnittstelle, und die galvanisch trennende Schnittstelle entspricht dem Eingang der elektronischen Schaltung.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zum Demodulieren eines Trägersignals, wobei das Trägersignal am Eingang einer elektronischen Schaltung anliegt, wobei das Trägersignal zumindest zeitweise ein digital codiertes Nutzsignal enthält, wobei das Trägersignal elektrische Energie zum Versorgen zumindest eines Verbrauchers, insbesondere einer Sensoreinheit, enthält, umfassend die Schritte: Entnehmen von Energie aus dem Trägersignal; Entnehmen des Nutzsignals aus dem Trägersignal; wobei das Trägersignal mit einem Referenzsignal verglichen wird und so auf eine digitale 1 oder eine digitale 0 entschieden wird, wobei Strom zum Eingang zurückfließt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal durch eine Änderung, insbesondere durch den Verbraucher, insbesondere durch die Sensoreinheit, des zurückfließenden Stroms verändert wird.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
2 ein erfindungsgemäßes Feldgerät,
3 eine erfindungsgemäße elektronische Schaltung,
4 Anschlusskonfiguration des Komparators, und
5 einen zeitlichen Ablauf von Signalen, die mit der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung gewonnen werden.
In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Zunächst soll auf ein erfindungsgemäßes Feldgerät 20 eingegangen werden bei dem die erfindungsgemäße elektronische Schaltung 1 angewendet werden kann. Dies ist in 2 dargestellt. Über eine erste Schnittstelle 24 kommuniziert ein Verbraucher, etwa eine Sensoreinheit 22 mit einer übergeordneten Einheit, etwa direkt mit einem Leitsystem oder mit einem Transmitter 21. Ohne Einschränkung soll im Folgenden davon ausgegangen werden, dass der Sensor an einen Transmitter 21 angeschlossen ist. Am Transmitter 21 ist ein Kabel 25 vorgesehen, an dessen anderem Ende eine zur ersten Schnittstelle 24 komplementäre zweite Schnittstelle 23 vorgesehen ist. Die Schnittstellen 23, 24 sind als galvanisch getrennte, insbesondere als induktive Schnittstellen ausgestaltet, die mittels einer mechanischen Steckverbindung miteinander koppelbar sind. Über die Schnittstellen 23, 24 werden Daten (bidirektional) und Energie (unidirektional, d.h. von Transmitter 21 zum Sensor 22) gesendet.
Die Übertragung der Daten erfolgt in digitaler Form. Im Beispiel erfolgt die binäre Übertragung dadurch, dass ein zweistufiges Rechtecksignal verwendet wird. Es wird zwischen zwei Amplituden umgeschaltet. Das zu übertragende Signal ist also amplitudenmoduliert, wie erwähnt spricht man bei digitalen Signalen dann von einer Amplitudentastung oder englisch amplitude shift keying. In den folgenden Figuren ist dies mit dem Bezugszeichen V_dig gekennzeichnet.
Das Feldgerät 20 wird überwiegend in der Prozessautomatisierung angewendet. Bei der Sensoreinheit 22 handelt es sich deswegen etwa um einen pH-, Redoxpotential-, auch ISFET-, Temperatur-, Leitfähigkeit-, Druck-, Sauerstoff-, insbesondere gelöster Sauerstoff-, oder Kohlenstoffdioxidsensor; um einen ionenselektiven Sensor; um einen optischen Sensor, insbesondere einen Trübungssensor, einen Sensor zur optischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, oder einen Sensor zur Bestimmung der Anzahl von Zellen und Zellstrukturen; um einen Sensor zur Überwachung bestimmter organischer oder metallischer Verbindungen; um einen Sensor zur Bestimmung einer Konzentration einer chemischen Substanz, beispielsweise eines bestimmten Elements oder einer bestimmten Verbindung; oder um einen Biosensor, z.B. einen Glukosesensor.
Die erfindungsgemäße elektronische Schaltung 1 befindet sich in einer ersten Ausgestaltung in der Sensoreinheit 22. Grundsätzlich kann die Schaltung 1 auch im Transmitter 21, beispielsweise am sensorseitigen Endes des Kabels 25 verwendet werden; im Folgenden soll aber – wenn nicht anders beschrieben – davon ausgegangen werden, dass die Schaltung 1 sensorseitig angewendet wird.
Die erfindungsgemäße elektronische Schaltung in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 3 dargestellt.
Der Eingang 1.in der elektronischen Schaltung 1 ist in 3 links dargestellt. Am Eingang 1.in liegt das Trägersignal als Trägerspannung an. Wie bereits erwähnt umfasst das Trägersignal zumindest zeitweise ein Nutzsignal, hier als Datensignal V_dig bezeichnet.
Die elektronische Schaltung 1 umfasst im Wesentlichen eine erste Unterschaltung 2 und eine zweite Unterschaltung 3. Die erste Unterschaltung 2 entnimmt das Datensignal V_dig aus dem Trägersignal. Die zweite Unterschaltung 3 entnimmt Energie aus dem Trägersignal.
Sowohl der Eingang 2.in der ersten Unterschaltung, als auch der Eingang 3.in der zweiten Unterschaltung 3 sind mit dem Eingang 1.in der elektronischen Schaltung 1 verbunden. Es sind jeweils, entsprechend anders herum angeordnet, eine Gleichrichtereinheit D1, D3 zum Gleichrichten des Trägersignals in eine erste Halbwelle V₊ bzw. zweite Halbwelle V_– vorgesehen. Beispielsweise wird aus der ersten Halbwelle V₊ Energie zur Versorgung der Sensoreinheit 22 und aus der zweiten Halbwelle V_– das Nutzsignal entnommen. Für den letztgenannten Fall ist dazu etwa ein Demodulator vorgesehen, beispielsweise ein Hüllkurvendemodulator. Der Hüllkurvendemodulator wird im einfachsten Fall mittels der Diode D3 als Gleichrichter umgesetzt. Die Diode D3 lässt nur eine Polarität des hochfrequenten Signales passieren, sodass nur noch die untere Hälfte der Hochfrequenzschwingungen verbleibt. Danach folgt ein Tiefpass zur Entfernung des hochfrequenten Trägersignals. Als Ergebnis entsteht wieder das ursprüngliche Modulationssignal. Das erhaltene Signal ist lediglich von einer Gleichspannung überlagert, die etwa durch einen nachfolgenden Koppelkondensator entfernt werden kann. Das hier erhaltene Signal soll als Empfangssignal RxD der Sensoreinheit 22 bezeichnet werden. Entsprechend kann die Sensoreinheit 22 über ein Sendesignal TxD mit dem Transmitter kommunizieren, beispielsweise die Messwerte.
Weiter dem Empfangssignal RxD nachfolgend kann eine Entscheidereinheit geschaltet sein. Die Entscheidereinheit ist beispielsweise ein Komparator 6 (siehe 4). Der Komparator 6 hat als ersten Eingang das eben beschriebene Signal RxD, als zweiten Eingang ein Referenzsignal. Das Referenzsignal kann auf vielfältige Weise gewonnen werden. Als erste Möglichkeit kann die Spannung am Spannungsreglerausgang 4.out (Spannungsregler 4 siehe unten) verwendet werden. Bevorzugt wird jedoch die Trägerspannung, besonders bevorzugt die positive Halbwelle V₊ der Trägerspannung verwendet. Es kann auch nur ein Teil der positiven Halbwelle V₊ verwendet werden, beispielsweise über einen Spannungsteiler veränderte Spannung. Das Referenzsignal V_ref ist jedoch immer auf erste Masse GND1 bezogen. An die positive bzw. negative Versorgungsspannung des Komparators 6, wird der Ausgang 4.out des Spannungsreglers bzw. die zweite Masse GND2 angeschlossen. Der Spannungsregler 4 und die zweite Masse GND2 sollen weiter unten näher beschrieben werden, und sind an dieser Stelle der Vollständigkeitshalber erwähnt.
Ist das Signal oberhalb des Referenzsignals wird beispielsweise auf eine digitale 1 entschieden, ist das Signal unterhalb des Referenzsignals wird auf eine digitale 0 entschieden. Der Komparator 6 schaltet auf positive oder negative Versorgungsspannung, je nachdem welches der beiden Eingangssignale größer ist.
Die zweite Unterschaltung 3 umfasst einen ersten Teil 3.1 und einen zweiten Teil 3.2. Der erste Teil 3.1 hat eine erste Masse GND1, der zweite Teil 3.2 hat eine zweite Masse GND2.
Der Ausgang 3.out der zweiten Unterschaltung 3 soll hier als Zweipol mit den Klemmen Versorgungsspannung VCC und zweite Masse GND2 verstanden werden. An diesen Ausgang 3.out kann beispielsweise der Verbraucher, also die Sensoreinheit 22 angeschlossen werden.
Das Verständnis als Zweipol soll analog – wenn nicht anders beschrieben – für alle beschriebenen Ein- und Ausgänge gelten, wobei dies der Übersicht halber nur für den Ausgang 3.out der zweiten Unterschaltung 3 in den Figuren eingezeichnet ist.
Es fließt ein Strom ICC von der zweiten Unterschaltung 3 über seinen Ausgang 3.out, d.h. über den Verbraucher, also die Sensoreinheit 22, über die zweite Masse GND2 und weiter zurück in den Eingang 1.in der elektronischen Schaltung 1 (Details siehe unten).
Um den Strom ICC möglichst kontinuierlich zu erfassen und darauf aufbauend eine Regelung des Referenzsignals V_ref vorzunehmen, wird nicht die eigentliche Schaltschwelle verändert, sondern die Pegel der Sensoreinheit 22 in Relation zum aufmodulierten Signal. Dies soll nun erläutert werden.
Über die Sekundärspule L1 wird die Schaltung mit Energie und der aufmodulierten Information versorgt. Die Spule L1 entspricht der bereits diskutierten ersten Schnittstelle 24.
Die Diode D1 und der Kondensator C1 bilden einen Gleichrichter mit Energiespeicher zur Erzeugung der positiven Trägerspannung V₊. Der Spannungsregler 4 erzeugt die Versorgungsspannung VCC für die Sensoreinheit 22. Im Allgemeinen sind Spannungsregler elektronische Schaltungen, die elektrische Spannungen stabilisieren und die Schwankungen in weiten Grenzen ausgleichen können. Der Spannungsregler 4 umfasst einen Eingang 4.in, einen Ausgang 4.out und seinen Massepol 4.GND. Der Spannungsregler 4 regelt die gleichgerichtete und geglättete positive Trägerspannung V₊ (als eine sich leicht ändernde Spannung) an seinem
Eingang 4.in auf eine konstante Spannung an seinem Ausgang 4.out in Bezug zu seinem Massepotential 4.GND. Das Massepotential 4.GND ist mit der zweiten Masse GND2, und damit auch dem Ausgang 2.out der zweiten Unterschaltung 2, verbunden.
Der Strom ICC, welcher von der Sensoreinheit 22 benötigt wird, fließt nicht direkt zurück in die Sekundärspule L1, sondern durch den Spannungsfolger 5, über die negative Versorgungsspannung 5.VSS und über den Shunt-Widerstand R2. Die positive Versorgungsspannung 5.VDD liegt an der Trägerspannung. Der Spannungsfolger 5 ist im Beispiel als Operationsverstärker ausgestaltet, Ausführungsformen mit einem oder mehreren Transistoren sind denkbar. Der Widerstand R1 dient zur Strombegrenzung durch die Diode D2. Widerstand R1 und Diode D2 erzeugen eine konstante Spannung, welche dem Spannungsfolger 5 am positiven Terminal 5.in zugeführt wird. Für die Diode D2 kann statt einer Zener-Diode (wie gezeigt) auch eine normale Diode verwendet werden.
Der Spannungsfolger 5 regelt seinen Ausgang 5.out (entspricht der zweiten Masse GND2) auf einen Wert, der ca. 0,7 V über der ersten Masse GND1 liegt. Erhöht sich der Strom ICC, vergrößert sich simultan der Spannungsabfall über dem Widerstand R2 (negative Versorgungsspannung 5.VSS des Spannungsfolgers 5). Dadurch erhöht sich der Pegel der zweiten Masse GND2 relativ zur ersten Masse GND1. Der Spannungsreger 4 gleicht diese Änderung dynamisch aus, sodass VCC in Bezug auf die zweite Masse GND2 gleich bleibt. Damit hat die Regelung keinen Einfluss auf den Betrag von VCC–GND2. VCC verändert sich jedoch im absoluten Wert, bezogen auf die erste Masse GND1. Da das Referenzsignal V_ref bevorzugt aus der Trägerspannung bzw. der ersten Halbwelle V₊ der Trägerspannung abgeleitet ist, ändert sich – betrachtet vom Komparator 6 bzw. von der zweiten Masse GND2 aus – die Referenzschwelle in Abhängigkeit des Laststromes ICC, welcher über die zweite Masse GND2 zur ersten Masse GND1 zurückfließt.
4 zeigt je ein Schaltungsbeispiel für die nachfolgende Entscheidereinheit, beispielsweise einen Komparator 6. In 4 sind die Eingänge des Komparators 6 wie oben bereits beschrieben mit den Empfangssignal RxD bzw. dem Referenzsignal V_ref beschaltet. Als Referenzsignal V_ref kommt dabei etwa wie bereits erwähnt die Spannung am Spannungsreglerausgang 4.out in Betracht. Bevorzugt wird aber die Trägerspannung V₊, und besonders bevorzugt die erste Halbwelle V₊ der Trägerspannung, verwendet. Alternativ zur ersten Halbwelle V₊ der Trägerspannung kann etwa auch die Spannung über der Diode D2 als Eingang für den Komparator 6 fungieren. Darüber hinaus kann ein Spannungsteiler, etwa für die gerade beschriebenen Spannungen, verwendet werden um die Spannung am Komparator 6 einzustellen. So kann etwa die halbe oder ein Viertel der Trägerspannung bzw. der ersten Halbwelle V₊ der Trägerspannung, oder der Versorgungsspannung VCC bezogen auf die erste Masse GND1 verwendet werden. Die Referenzspannung V_ref ist in allen Fällen auf erste Masse GND1 bezogen.
Der Komparator 6 wird über die Spannungsversorgung VCC bzw. über die zweite Masse GND2 mit Energie versorgt. Wie im letzten Abschnitt beschrieben, ändert sich der Betrag VCC–GND2 nicht, jedoch verändert sich V₊ bzw. VCC in Bezug zur ersten Masse GND1, so dass sich somit das Referenzsignal und damit die Schaltschwelle ändern. Ist das Signal oberhalb des Referenzsignals wird beispielsweise auf eine digitale 1 entschieden, ist das Signal unterhalb des Referenzsignals wird auf eine digitale 0 entschieden, so dass der Komparator 6 das demodulierte Datensignal V_dig,demod ausgibt.
Es ist somit eine erfolgreiche Demodulation durch die dynamische Anpassung der Schaltschwelle möglich. 5 zeigt den veränderten Verlauf der Signale. In 5e erkennt man, dass sich das Referenzsignal V_ref mit der Stromaufnahme ICC ändert und somit eine erfolgreiche Demodulation möglich ist.
Bezugszeichenliste

1: Elektronische Schaltung
1.in: Eingang von 1
2: Erste Unterschaltung
2.in: Eingang von 2
2.out: Ausgang von 2
3.1: Erster Teil von 3
3.2: Zweiter Teil von 3
3: Zweite Unterschaltung
3.in: Eingang von 3
3.out: Ausgang von 3
4: Spannungsregler
4.in: Eingang von 4
4.GND: Masse von 4
4.out: Ausgang von 4
5: Spannungsfolger
5.VDD: Versorgungsspannung von 5
5.VSS: Versorgungsspannung von 5
5.in: Eingang von 5
5.out: Ausgang von 5
6: Komparator
20: Feldgerät
21: Transmitter 55
22: Sensoreinheit
23: Erste Schnittstelle
24: Zweite Schnittstelle
25: Kabel
GND1: Erste Masse
GND2: Zweite Masse
ICC: Zurückfließender Strom
VCC: Versorgungsspannung
TxD: Sendesignal von 22
RxD: Empfangssignal von 22
D1: Diode
D2: Diode
D3: Diode
R1: Widerstand
R2: Widerstand
C1: Kapazität
C2: Kapazität
L1: Spule, entspricht 24
V_dig: Datensignal
V_dig,demod: Demoduliertes Datensignal
V_ref: Referenzsignal
V₊: Erste Halbwelle der Trägerspannung
V_–: Zweite Halbwelle der Trägerspannung

Claims

Elektronische Schaltung (1) zum Demodulieren eines Trägersignals, wobei das Trägersignal am Eingang (1.in) der elektronischen Schaltung (1) anliegt, wobei das Trägersignal zumindest zeitweise ein digital codiertes Nutzsignal enthält, wobei das Trägersignal elektrische Energie in Form einer Trägerspannung und eines Trägerstroms zum Versorgen zumindest eines Verbrauchers (22), insbesondere einer Sensoreinheit, enthält, umfassend – eine erste Unterschaltung (2) mit einem Eingang (2.in) und einem Ausgang (2.out), insbesondere umfassend einen Demodulator, wobei der Eingang (2.in) der ersten Unterschaltung mit dem Eingang (1.in) der elektronischen Schaltung verbunden ist, und wobei die erste Unterschaltung (2) das Nutzsignal aus dem Trägersignal entnimmt, indem die erste Unterschaltung (2) eine Entscheidereinheit (6), insbesondere einen Komparator, umfasst, und die Entscheidereinheit (6) das Trägersignal mit einem Referenzsignal (V_ref) vergleicht und so entscheidet ob im Trägersignal eine digitale 0 oder eine digitale 1 vorliegt, und – eine zweite Unterschaltung (3) mit einem Eingang (3.in) und einem Ausgang (3.out), wobei der Eingang (3.in) der zweiten Unterschaltung mit dem Eingang (1.in) der elektronischen Schaltung verbunden ist, und wobei die zweite Unterschaltung (3) Energie aus dem Trägersignal entnimmt, wobei der Ausgang (3.out) der zweiten Unterschaltung mit dem Verbraucher (22), insbesondere der Sensoreinheit, verbunden ist und darüber ein Strom (ICC) zum Eingang (1.in) der elektronischen Schaltung zurückfließt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung, insbesondere eine durch den Verbraucher (22), insbesondere durch die Sensoreinheit, verursachte Änderung, des zurückfließenden Stroms (ICC) das Referenzsignal (V_ref) ändert.
Elektronische Schaltung (1) nach Anspruch 1, wobei die zweite Unterschaltung (3) einen ersten Teil (3.1) mit einer ersten Masse (GND1) und einen zweiten Teil (3.2) mit einer zweiten Masse (GND2) umfasst, wobei der Ausgang (2.out) der ersten Unterschaltung und der Ausgang (3.out) der zweiten Unterschaltung mit der zweiten Masse (GND2) verbunden sind, wobei eine Änderung des zurückfließenden Stroms (ICC) die zweite Masse (GND2) ändert, und das Referenzsignal (V_ref) gegen die erste Masse (GND1) bezogen ist.
Elektronische Schaltung (1) nach Anspruch 2, wobei der zweite Teil (3.2) der zweiten Unterschaltung einen Spannungsregler (4) umfasst, wobei der Spannungsregler (4) einen Spannungsreglereingang (4.in), einen Spannungsreglerausgang (4.out) und eine Spannungsreglermasse (4.GND) umfasst, wobei die Trägerspannung dem Spannungsreglereingang (4.in), die zweite Masse (GND2) der Spannungsreglermasse (4.GND) und der Spannungsreglerausgang (4.out) dem Verbraucher (22), insbesondere der Sensoreinheit, zugeführt wird.
Elektronische Schaltung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die elektronische Schaltung (1) eine erste Gleichrichtereinheit (D1) zum Gleichrichten des Trägersignals in eine erste Halbwelle (V₊) und eine zweite Gleichrichtereinheit (D3) zum Gleichrichten des Trägersignals in eine zweite Halbwelle (V_–) umfasst, wobei die erste Unterschaltung (2) das Nutzsignal aus der zweiten Halbwelle entnimmt, und wobei die zweite Unterschaltung (3) Energie aus der ersten Halbwelle entnimmt.
Elektronische Schaltung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Referenzsignal (V_ref) vom Spannungsreglerausgang (4.out) oder von der Trägerspannung, insbesondere von der ersten Halbwelle (V₊), insbesondere von einem Teil der ersten Halbwelle (V₊), insbesondere über einen Spannungsteiler, abhängt, und auf die erste Masse (GND1) bezogen ist.
Elektronische Schaltung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zurückfließende Strom (ICC) aus der zweiten Unterschaltung (3) über einen Spannungsfolger (5) zum Eingang (1.in) der elektronischen Schaltung zurückfließt, wobei der zurückfließende Strom (ICC) in den Ausgang (5.out) des Spannungsfolgers fließt, wobei der Ausgang (5.out) des Spannungsfolgers mit der zweiten Masse (GND2) verbunden ist und der Eingang des Spannungsfolgers (5.in), insbesondere über einen Spannungsteiler, mit der Trägerspannung, insbesondere der ersten Halbwelle (V₊) der Trägerspannung, beziehungsweise der ersten Masse (GND1) verbunden ist.
Elektronische Schaltung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der zurückfließende Strom (ICC) aus der zweiten Unterschaltung (3) über den Spannungsfolger (5) durch ein Messglied (R2), insbesondere einen Widerstand, zum Eingang (1.in) der elektronischen Schaltung fließt, wobei das Messglied (R2), insbesondere der Widerstand, mit einer, insbesondere der negativen, Versorgungsspannung (5.VSS) des Spannungsfolgers (5) verbunden ist.
Elektronische Schaltung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei am ersten Eingang (6.+) der Entscheidereinheit (6), insbesondere des Komparators, die zweite Halbwelle (V_–) des Trägersignals anliegt, wobei am zweiten Eingang (6.–) der Entscheidereinheit (6), insbesondere des Komparators, das Referenzsignal anliegt, und an die positive bzw. negative Versorgungsspannung der Entscheidereinheit (6), insbesondere des Komparators, der Ausgang (4.out) des Spannungsreglers und die zweite Masse (GND2) angeschlossen werden.
Feldgerät (20), insbesondere Sensor, umfassend eine elektronische Schaltung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8.
Feldgerät (20), insbesondere Sensor, nach Anspruch 9, wobei das Feldgerät (20) eine galvanisch trennende Schnittstelle (24), insbesondere eine induktive Schnittstelle, umfasst und die galvanisch trennende Schnittstelle (24) dem Eingang (1.in) der elektronischen Schaltung entspricht.
Verfahren zum Demodulieren eines Trägersignals, wobei das Trägersignal am Eingang einer elektronischen Schaltung anliegt, wobei das Trägersignal zumindest zeitweise ein digital codiertes Nutzsignal enthält, wobei das Trägersignal elektrische Energie zum Versorgen zumindest eines Verbrauchers, insbesondere einer Sensoreinheit, enthält, umfassend die Schritte – Entnehmen von Energie aus dem Trägersignal, – Entnehmen des Nutzsignals aus dem Trägersignal, wobei das Trägersignal mit einem Referenzsignal verglichen wird und so auf eine digitale 1 oder eine digitale 0 entschieden wird, wobei Strom über den Verbraucher zum Eingang zurückfließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal durch eine Änderung, insbesondere durch den Verbraucher, insbesondere durch die Sensoreinheit, des zurückfließenden Stroms verändert wird.