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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis zur Bestimmung einer Last mittels einer Lastzelle (auch Wägezelle oder Messzelle), sowie eine Vorrichtung mit einem derartigen Schaltkreis und einer Lastzelle.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Für die Verwendung eines Dehnungsmessstreifens in Wägezellen wird allgemein ein Schaltkreis verwendet, um die Spannungsversorgung des Dehnungsmessstreifens zu ermöglichen und Messsignale des Dehnungsmessstreifens verarbeiten zu können. Der Dehnungsmesstreifen kann dabei eine begrenzte Temperaturstabilität und eine begrenzte erreichbare Auflösung der ermittelten Messwerte aufweisen. Die Qualität des durch den Schaltkreis gewonnenen Messsignals kann einerseits auf Grund der vorgenannten Limitierungen und andererseits unter Störungen leiden, die beispielsweise durch elektromagnetische Störungen oder thermische Spannungen verursacht sein können.
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Die
DE 10 2005 047 971 B4 offenbart eine Belastungsmessvorrichtung, welche in Wägezellen eingesetzt wird, um ein Gewicht zu ermitteln. Dazu weißt die Belastungsmessvorrichtung einen integrierten Analog/Digital-Wandler auf, zur Umwandlung eines analogen Messsignals in ein digitales Signal, welches anschließend über eine Busschnittstelle auf einen digitalen Bus übertragen wird. Somit kann die Belastungsmessvorrichtung direkt an ein digitales Bussystem angeschlossen werden. Dadurch wird der Verkabelungsaufwand und der Einfluss von Störsignalen reduziert.
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Die
DE 10 2011 013 658 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Signalauswertung von Wägezellen mit Dehnungsmessstreifen, die aufgrund des kleinen Ausgangssignals eine elektronische Signalauswertung mit sehr kleinen Offset-Spannungen erfordern. Um auch kostengünstige Komponenten einsetzen zu können, werden bei zwei aufeinanderfolgenden Messungen zwei durch jeweils eine Spannungsreferenz bestimmte unterschiedliche Arbeitspunkte des Dehnungsmessstreifen eingestellt. Die Spannung im Nullzweig der Brückenschaltung des Dehnungsmessstreifens wird in einem Differenzverstärker verstärkt und mit einem Analog/Digital-Wandler digitalisiert. Dabei wird die Referenz für den Analog/Digital-Wandler aus dem Arbeitspunkt des DMS abgeleitet, der durch die jeweilige Spannungsreferenz bestimmt wird. In einem Rechenwerk wird aus den beiden Messwerten an der digitalisierte Offset und der Ausgangswert der Wägezelle ermittelt.
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Die
DE 197 25 455 C1 offenbart eine Signalverarbeitungsschaltung und ein Verfahren zur Verarbeitung eines Messsignals von einem Aufnehmer einer Waage, bei denen mittels einer Kompensationsschaltung und einer Steuereinheit die Verarbeitung des Messsignals an den Wandlerbereich eines Analog/DigitalWandlers angepasst wird, so dass eine möglichst gute digitale Auflösung des aus dem Messsignals erhaltenen Digitalsignals ermöglicht wird.
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Die
US 4 633 721 A beschreibt eine Wägezelle, wobei die lastabhängige Verformung dieser Wägezelle mit Dehnungsmesstreifen erfasst wird, die mittels Materialabtrags durch einen Laser justiert werden können.
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Die
US 5 777 235 A offenbart eine Modulationsverstärkungstechnik, bei der ein Trägerfrequenzgenerator ein Wechselspannungssignal (Rechteckwechselspannungssignal) erzeugt, das an eine Brückenschaltung gelegt wird. Das Brücken-Ausgangssignal wird über einen symmetrischen Differenzverstärker an einen Demodulator weitergeleitet. Der Demodulator in Form eines Umschalters wird dabei vom Trägerfrequenzgenerator gesteuert.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile bekannter Schaltkreise zur Bestimmung einer Last mit einer Lastzelle auszuräumen oder zumindest zu verringern.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Schaltkreis zur Bestimmung einer Last mittels einer Lastzelle bereitgestellt. Der Schaltkreis umfasst einen Analog-Digital-(A/D-)Wandler. Der A/D-Wandler hat einen differentiellen A/D-Wandler-Eingang für ein analoges A/D-Wandler-Eingangssignal. Er hat einen A/D-Wandler-Ausgang zur Ausgabe des digital gewandelten A/D-Wandler-Eingangssignals, einen Referenzeingang für ein Referenzspannungssignal und einen Steuerausgang zur Ausgabe eines periodisch wechselnden Steuersignals bzw. mehrerer periodisch wechselnder Steuersignale. Ferner hat der A/D-Wandler einen A/D-Wandler-Versorgungsspannungsanschluss und einen A/D-Wandler-Masseanschluss zum Anlegen der A/D-Wandler-Versorgungsspannung. Der Schaltkreis umfasst außerdem eine Lastzellen-Spannungsversorgungseinheit zum Bereitstellen einer Lastzellen-Versorgungsspannung für die Lastzelle, wobei die Lastzellen-Spannungsversorgungseinheit eingerichtet ist, um das A/D-Wandler-Steuersignal zu empfangen und eine Polarität der Lastzellen-Versorgungsspannung in Reaktion auf das Steuersignal periodisch umzuschalten. Der Schaltkreis umfasst außerdem einen digitalen Isolationsschaltkreis, der zwischen den A/D-Wandler-Ausgang und einer digitalen Ausgangsschnittstelle des Schaltkreises gekoppelt ist. Der digitale Isolationsschaltkreis ist ausgebildet, die digitalen Daten vom A/D-Wandler-Ausgang weiterzuleiten, und den A/D-Wandler-Ausgang von der Ausgangsschnittstelle des Schaltkreises galvanisch zu trennen. Außerdem umfasst der Schaltkreis eine Schaltkreis-Spannungsversorgungseinheit (bspw. einen DC-DC-Wandler mit interner galvanischer Trennung der Primär- und Sekundärseite), die eingerichtet ist, den Schaltkreis galvanisch isoliert mit Spannung zu versorgen, wobei die Schaltkreis-Spannungsversorgungseinheit eine symmetrische Versorgungsspannung bereitstellt. Die Schaltkreis-Spannungsversorgungseinheit kann verschiedene weitere Regler oder Wandler (bpsw. Linearregler) umfassen, die verschiedene symmetrische Spannungspegel für den Schaltkreis bereitstellen. Der A/D-Wandler-Versorgungsspannungsanschluss und der A/D-Wandler-Masseanschluss sind dann vorteilhaft mit einer dieser symmetrischen Versorgungsspannungen gekoppelt bzw. eine symmetrische Versorgungsspannung liegt zwischen dem A/D-Wandler-Versorgungsspannungsanschluss und dem A/D-Wandler-Masseanschluss an, obwohl der A/D-Wandler nur für eine asymmetrische Versorgung vorgesehen sind.
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Mit einem Schaltkreis gemäß den vorstehend genannten Merkmalen ist es möglich, ein hochgenaues Wägesystem, insbesondere für den industriellen Einsatz in gestörter Umgebung und bei großen Distanzen zwischen einer Lastzelle und dem Schaltkreis bereitzustellen. Aufgrund der galvanischen Isolierung und die dadurch mögliche symmetrische Versorgung des A/D-Wandlers, können die vom A/D-Wandler generierten Steuersignale zur Erzeugung der Lastzellen-Versorgungsspannung verwendet werden. Durch das periodische Umschalten der Polarität der symmetrischen Lastzellen-Versorgungsspannung in Reaktion auf das A/D-Wandler-Steuersignal (bzw. die Steuersignale) können insbesondere Thermospannungen, die an allen Verbindungen mit unterschiedlichen Materialien (z. B. Steckverbindern oder Lötanschlüssen) entstehen, eliminiert werden. Hierzu werden mehrere Messungen mit unterschiedlicher Polarität der Lastzellen-Versorgungsspannung an der Lastzelle berücksichtigt und ein Mittelwert errechnet. Dabei werden die Thermospannungen, die immer die gleiche Polarität besitzen, eliminiert. Durch den Betrieb des A/D-Wandlers mit einer symmetrischen Versorgungsspannung und die galvanische Isolierung des Schaltkreises durch den digitalen Isolationsschaltkreis und die Schaltkreis-Spannungsversorgungseinheit kann der A/D-Wandler insgesamt mit symmetrischer Versorgungsspannung betrieben werden, obwohl er nicht für eine symmetrische Versorgungsspannung vorgesehen ist. Durch den Betrieb mit symmetrischer Spannung können die differentiellen Messsignale von der Lastzelle mit geringeren Störungen und wesentlich genauer bestimmt werden.
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Gemäß einem Aspekt umfasst der Schaltkreis einen Buffer, der zwischen den A/D-Wandler-Ausgang und den digitalen Isolationsschaltkreis gekoppelt ist. Der Buffer kann ausgestaltet sein, mit einer Signalleitung eines Ausgabebusses, insbesondere der MISO-Leitung eines SPI-Busses, anzuzeigen, dass Daten im AD-Wandler vorliegen, und diese nur dann an den digitalen Isolationsschaltkreis weiterzuleiten, wenn eine externe Steuerung diese Daten anfordert. Das erleichtert es, den A/D-Wandler kontinuierlich zu betreiben und bspw. nicht selektiv für bestimmte Zeiträume aktivieren zu müssen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann der digitale Isolationsschaltkreis eingerichtet sein, um das Signal vom Buffer weiterzuleiten, das anzeigt, das digitale Ausgabedaten des A/D-Wandlers im Buffer bereitliegen. Wie der vorstehende Aspekt ermöglicht auch diese Maßnahme, dass die digitalen Ausgabedaten des A/D-Wandlers nur zu bestimmten Zeitpunkten bzw. in bestimmten Zeitintervallen abgerufen werden. Hierdurch wird die Nutzung von geteilten Ressourcen, wie beispielsweise einem Bus, wie bspw. einem Serial Peripheral Interface (SPI)-Bus zur Ausgabe der digitalen Daten, reduziert. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn mehrere Teilnehmer auf den Bus zugreifen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Schaltkreis einen Referenzspannungsverstärker (auch Sense-Verstärker) umfassen, die eingerichtet ist, um die Lastzellen-Versorgungsspannung an der Lastzelle zu empfangen und basierend auf der Lastzellen-Versorgungsspannung, also den Spannungspegeln, unmittelbar an der Lastzelle, die A/D-Wandler-Referenzspannung bereitzustellen. Insbesondere kann der Referenzspannungsverstärker eingerichtet sein, um die empfangene Lastzellen-Versorgungsspannung an der Lastzelle um einen festen (vorzugsweise hochgenauen) Faktor zu teilen und die geteilte Spannung als A/D-Wandler-Referenzspannungssignal auszugeben. Hierdurch wird eine ratiometrische Messung durch den A/D-Wandler möglich. Da bei typischen Lastzellen, die Änderung des relevanten Parameters für die gemessene Last häufig auch eine Funktion der Lastzellen-Versorgungsspannung ist (Einheit: Millivolt (mV) je Volt (V) Versorgungsspannung), wird dieser Umstand vorteilhaft unmittelbar innerhalb der Analog-Digital-Wandlung berücksichtigt. Dazu wird die Lastzellen-Versorgungsspannung unmittelbar an der Lastzelle abgegriffen und an den Referenzspannungsverstärker angelegt. Diese kann dann hochgenau aus dem ermittelten Lastzellen-Versorgungsspannungswert (also dem tatsächlichen an der Lastzelle anliegenden Versorgungsspannungswert/pegel) eine Referenzspannung für den A/D-Wandler bilden, welche die gleichen Schwankungen/Störungen wie die Versorgungsspannung an der Lastzelle wiederspiegelt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Lastzellen-Spannungsversorgungseinheit als H-Brücke ausgestaltet sein. Diese kann beispielsweise das Steuersignal vom A/D-Wandler empfangen und dieses nutzen, um die Polarität der Lastzellen-Versorgungsspannung periodisch umzuschalten. Hierdurch ergibt sich eine vorteilhafte Synchronität zwischen der Messung durch den A/D-Wandler und den periodischen Wechsel der Lastzellen-Versorgungsspannung. Die H-Brücke kann vorteilhaft beispielsweise vier Transistoren umfassen, die nach dem üblichen Prinzip einer H-Brücke zum Wechsel der Polarität in Reaktion auf das Steuersignal umgeschaltet werden. Das Steuersignal kann insbesondere aus mehreren Teilsignalen bestehen und auf mehreren Leitungen übertragen werden, um die Schaltsignale bspw. für mehrere Transistoren mit passenden relativen Phasen/Verzögerungen zu übertragen.
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Zwischen den Steuersignalausgang des A/D-Wandlers und die Lastzellen-Spannungsversorgungseinheit kann ein Pegelwandler gekoppelt sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Schaltkreis eine Lastzellen-Schnittstelle umfassen. Die Lastzellen-Schnittstelle kann mindestens die folgenden sechs Anschlüsse aufweisen:
- - einen positiven und einen negativen Lastzellen-Versorgungsspannungsanschluss, die jeweils mit einem positiven und einem negativen Ausgang der Lastzellen-Spannungsversorgungseinheit gekoppelt sind,
- - einen positiven und einen negativen Referenzspannungsverstärkeranschluss, die jeweils mit einem positiven und einem negativen Eingang des Referenzspannungsverstärkers gekoppelt sind und
- - einen positiven und einen negativen Messanschluss, die jeweils mit einem positiven und einem negativen Anschluss des A/D-Wandler-Eingangs gekoppelt sind.
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Hierdurch ergibt sich eine vorteilhafte mindestens 6-polige Anschlusskonfiguration zum Betrieb einer Lastzelle.
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Durch die Möglichkeit der galvanischen Isolierung mittels des digitalen Isolationsschaltkreises und die Schaltkreis-Spannungsversorgungseinheit ergibt sich ein galvanisch isolierter Bereich und ein galvanisch nicht isolierter Bereich. Im galvanisch isolierten Bereich befinden sich der A/D-Wandler, der digitale Buffer, die Lastzellen-Spannungsversorgungseinheit, der Referenzspannungsverstärker, die Lastzellen-Schnittstelle, sowie jeweils ein galvanisch isolierter Teil des digitalen Isolationsschaltkreises und der Schaltkreis-Spannungsversorgungseinheit.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Schaltkreis eine Hauptschnittstelle umfassen. Die Hauptschnittstelle befindet sich vorteilhaft nicht im galvanisch isolierten Bereich, sondern dem nicht galvanisch isolierten Bereich. Die Hauptschnittstelle kann Anschlüsse für die zuvor erwähnte digitale Anschlussschnittstelle, welche mit der nicht galvanisch isolierten Seite des digitalen Isolationsschaltkreises gekoppelt ist, und für symmetrische und asymmetrische Versorgungsspannungen aufweisen. Dabei kann die digitale Anschlussschnittstelle im Wesentlichen nach Art einer SPI (Serial Port Interface) ausgestaltet sein. Die Anschlüsse für die symmetrische Versorgungsspannung können an die nicht galvanisch isolierte Seite der Schaltkreis-Spannungsversorgungseinheit gekoppelt sein.
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Im nicht galvanisch isolierten Bereich kann sich ferner ein nicht flüchtiger Speicher, bspw. ein EE-PROM befinden, das ebenfalls an den digitalen Bus, bspw. SPI-Bus, gekoppelt ist. In diesem können sich Daten zur Identifikation des Schaltkreises (Leiterplatte) befinden, sowie Kenndaten der angeschlossenen Lastzelle. Diese können über die Hauptschnittstelle, bspw. von einem Mikrocontroller abgerufen werden.
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Insgesamt kann außerhalb des Schaltkreises ein Mikrocontroller vorgesehen sein, der die Steuerung des Schaltkreises über die Hauptschnittstelle vornimmt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann eine Vorrichtung bereitgestellt werden, die einen Schaltkreis gemäß einem der Aspekte der Erfindung umfasst und außerdem eine Lastzelle. Die Lastzelle kann über elektrische Leitungen mit der Lastzellen-Schnittstelle gekoppelt sein. Die Lastzelle kann beispielsweise als Brückenschaltung ausgestaltet sein. Die Lastzelle kann ferner ein Lastelement umfassen, das beispielsweise einen Widerstand basierend auf einer einwirkenden Last verändert. Bei dem Lastelement kann es sich typischerweise um einen Dehnmessstreifen handeln. Das Lastelement kann auf einen Körper/Objekt aufgebracht sein, und in Reaktion auf eine Kraft/Last-Einwirkung verformt werden, wodurch sich eine Veränderung bspw. des elektrischen Widerstandes des Lastelements ergibt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Brückenschaltung in der Lastzelle nach Art einer Wheatstone-Brücke aufgebaut sein. In dieser Ausgestaltung kann die Lastzelle zwei parallele Zweige mit Spannungsteilern aufweisen, wobei einer der Spannungsteiler das Lastelement umfasst. Der positive Messanschluss kann dann an einen Zwischenabgriff zwischen dem einen Spannungsteiler gekoppelt sein und der negative Messanschluss kann an einen Zwischenabgriff zwischen dem anderen Spannungsteiler gekoppelt sein. Ferner kann der positive Lastzellen-Versorgungsspannungsanschluss und der positive Referenzspannungsverstärkeranschluss an eine Seite der Brückenschaltung (Lastzelle) gekoppelt sein und der negative Lastzellen-Versorgungsspannungsanschluss und der negative Referenzspannungsverstärkeranschluss an eine andere Seite der Brückenschaltung (Lastzelle) gekoppelt sein.
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Figurenliste
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Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiel unter Berücksichtigung der beigefügten Figur, wobei
- - 1 eine vereinfachte schematische Darstellung des Schaltkreises und der Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 ist eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Schaltkreis 20 und eine Lastzelle 7.
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In einer ersten Betriebsart, weist der Schaltkreis 20 einen galvanisch isolierten Bereich 50 und einen nicht galvanisch isolierten Bereich 40 auf. Die Trennlinie zwischen den beiden Bereichen 40 und 50 ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Die zweite Betriebsart betrifft eine alternative Ausgestaltung (ALTERNATIVE, bspw. alternative Bestückung etc.) die weiter unten beschrieben wird. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich zunächst auf die erste Betriebsart, in der die vollständige galvanische Isolierung (Trennung) des Bereichs 50 vom Bereich 40 vorliegt.
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Der Schaltkreis 20 umfasst einen A/D-Wandler 1, der im galvanisch isolierten Bereich 50 angeordnet ist. Der A/D-Wandler 1 besitzt einen differentiellen Eingang mit einem positiven Anschluss ADIN+ und einem negativen Anschluss ADIN-. Der A/D-Wandler 1 weist ferner einen digitalen Ausgang ADAUS auf. Über diesen werden die digital gewandelten Signale, die als differentielle analoge Signal an den Anschlüssen ADIN+ und ADIN- anliegen, ausgegeben. Der Ausgang ADAUS ist an einen Bus B1 gekoppelt, der bspw. als SPI-Bus ausgestaltet sein kann bzw. ein gleiches oder ähnliches Protokoll verwendet. Der Bus B1 hat an dieser Stelle bspw. n1 Leitungen, wobei n1 gleich 3 sein kann. Ferner weist der A/D-Wandler 1 einen Referenzeingang REFIN auf, an den eine Referenzspannung angelegt wird.
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Außerdem besitzt der A/D-Wandler 1 einen Steuerausgang ST, über den der A/D-Wandler ein Steuersignal ausgeben kann. Dieses Steuersignal ist typischerweise ein über die Zeit periodisch wechselndes im wesentlich rechteckiges Signal. Das Steuersignal ST kann insbesondere aus mehreren Teilsignalen bestehen und auf mehreren Leitungen m (bspw. m=4) übertragen werden, um die Schaltsignale bspw. für mehrere Transistoren in einer Brückenschaltung mit passenden relativen Phasen/Verzögerungen zu übertragen.
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Ferner weist der A/D-Wandler einen Versorgungsspannungseingang VDD und einen Masseanschluss GND auf. Diese werden, entgegen der eigentlichen Bestimmung, mit einer symmetrischen Versorgungsspannung +V4 (an VDD) und -V4 (an GND) versorgt. Die beiden Anschlüsse VDD und GND stehen lediglich repräsentativ für eine typischerweise Vielzahl von Versorgungsspannungsanschlüssen und Masseanschlüssen. Typischerweise sind diese auch nach analogen und digitalen Versorgungsspannungsbereichen innerhalb des A/D-Wandlers getrennt. Die Art der Spannungsversorgung des A/D-Wandlers erfolgt jedoch für alle Masse- und Versorgungsspannungsanschlüsse gleich, nämlich entgegen der eigentlichen Verwendung mit der symmetrischen Versorgungsspannung +V4, -V4. +V4 kann vorteilhaft +2,5 V und -V4 kann -2,5 V betragen.
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Der A/D-Wandler 1 kann vorteilhaft ein ΣΔ-Wandler sein, bzw. ein A/D-Wandler, der nach dem ΣΔ-Prinzip arbeitet. Bei diesen nach dem Prinzip der Überabtastung arbeitenden A/D-Wandlern geht der momentane Pegel der Referenzspannung (bzw. Referenzspannungen bei differentiellem Aufbau) unmittelbar in die A/D-Wandlung ein, da dieser Wert innerhalb der Überabtastung bzw. bei der üblichen Rückkopplung innerhalb des Wandlers verwendet wird. Das ermöglicht eine ratiometrische Messung, wie sie hierin beschrieben ist. Ferner können die Steuersignale bzw. die Frequenz der Steuersignale vorteilhaft so auf den A/D-Wandler angepasst sein, dass dessen Abtastrate und Wandlungsvorgang die periodische Umschaltung der Lastzellen-Versorgungsspannung ohne weiteres bewältigen kann.
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Der Schaltkreis 20 umfasst im galvanisch isolierten Bereich 50 außerdem eine Lastzellen-Spannungsversorgungseinheit 2. Diese ist ausgestaltet, um eine differentielle und möglichst symmetrische Lastzellen-Versorgungsspannung an den Anschlüssen LVAUS+ und LVAUS- auszugeben. Die entsprechenden Spannungssignale der symmetrischen Lastzellen-Versorgungsspannung sind LV+ und LV-. Am Eingang STIN liegt das Steuersignal ST des A/D-Wandlers an, da der Eingang STIN an den entsprechenden Ausgang ST des A/D-Wandlers 1 gekoppelt ist (ST besteht aus vier Signalen in diesem Fall). Die Lastzellen-Spannungsversorgungseinheit 2 ist ausgestaltet, um in Reaktion auf das Steuersignal ST von dem A/D-Wandler, die Polarität der Lastzellen-Versorgungsspannung periodisch umzuschalten. Entsprechend weisen die Signale LV+ und LV- periodisch wechselnde Polarität auf. Die Lastzellen-Spannungsversorgungseinheit 2 wird beispielsweise mit einer symmetrischen Versorgungsspannung +V3, -V3 versorgt. Bei der Lastzellen-Spannungsversorgungseinheit 2 kann es sich vorteilhaft um eine H-Brücke handeln, die im Wesentlichen 4 Transistoren umfassen kann. Bei dieser Ausgestaltung werden die Versorgungsspannungspegel +V3, -V3 im Wesentlichen an die Anschlüsse LVAUS+ und LVAUS- nach Vorgabe des Steuersignals periodisch wechselnd durchgeschaltet. +V3, -V3 kann vorteilhaft +5 V, -5 V betragen.
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Der Schaltkreis 20 kann außerdem einen digitalen Isolationsschaltkreis 3 aufweisen. Dieser dient zur galvanischen Trennung des digitalen Ausgangs ADAUS des A/D-Wandlers 1 vom nicht galvanisch isolierten Bereich 40. Der im nicht galvanisch getrennten Bereich 40 liegenden Teil des digitalen Isolationsschaltkreises 3 wird mit der Spannung V5 betrieben, die von der Hauptschnittstelle bereitgestellt wird. V5 kann 3,3 V betragen. Der im galvanisch isolierten Bereich 50 liegende Teil des digitalen Isolationsschaltkreises 3 wird mit der symmetrischen Versorgungsspannung +V4, -V4 betrieben. Die nicht galvanisch isolierte Seite des digitalen Isolationsschaltkreises ist an einen Bus B3 gekoppelt. Dieses kann ein SPI-Bus mit n3 (bspw. n3=4) Leitungen sein. Die galvanisch isolierte Seite kann an einen Bus B2 gekoppelt sein. Dieser kann n2 (bspw. n2=5) Leitungen aufweisen. Die Busse B3 und B2 können im Wesentlichen oder genau gemäß einem SPI-Bus eingerichtet sein.
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Ferner kann der Schaltkreis 20 eine Schaltkreis-Spannungsversorgungseinheit 4 aufweisen (bspw. einen DC-DC-Wandler mit interner galvanischer Trennung der Primär- und Sekundärseite). Die Schaltkreis-Spannungsversorgungseinheit 4 kann ebenfalls vorteilhaft so eingerichtet sein, dass sie eine galvanische Trennung zwischen der Eingangsspannung +V1, -V1 aus dem nicht galvanisch isolierten Bereich 40 und der für den galvanisch isolierten Bereich 50 des Schaltkreis 20 zur Verfügung gestellten symmetrischen Versorgungsspannung +V2, -V2 bewirkt. +V1, -V1 kann +9 V, -9 V betragen und +V2, -V2 kann +7,2 V, -7,2 V betragen. Von der symmetrischen Versorgungspannung +V2, -V2 im galvanisch getrennten Bereich 50 können die weiteren symmetrischen Versorgungsspannungen +V3, - V3, +V4, -V4 und ggf. weiteren Versorgungsspannungen (bzw. weitere Spannungspegel) mittels Spannungsreglern oder Spannungswandlern, vorteilhaft mittels Linearreglern, abgeleitet werden, die vereinfachend im Block 11 zusammengefasst sind. Die optionalen weiteren Regler 11 befinden sich entsprechend auch im galvanisch getrennten Bereich 50. Die Regler 11 können vereinfachend auch als Bestandteil der Schaltkreis-Spannungsversorgungseinheit 4 verstanden werden.
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Der Schaltkreis 20 kann außerdem einen Buffer 5 enthalten, der die digitalen Ausgangsdaten des Ausgangs ADAUS des A/D-Wandlers 1 über den Bus B1 empfängt und diese dann über den Bus B2 an den digitalen Isolationsschaltkreis 3 weiterleitet. Dieser Buffer 5 befindet sich ebenfalls im galvanisch isolierten Bereich 50 und wird mit der symmetrischen Versorgungsspannung +V4, -V4 versorgt. Er kann vorteilhaft so ausgestaltet sein, dass er auf das Datenprotokoll der Busse B1 (Richtung A/D-Wandler 1) und B2 (Richtung digitale Isolationsschaltung 3) abgestimmt ist. Bspw. kann es sich bei den Protokollen bzw. Bussen jeweils um das SPI-Busprotokoll bzw. SPI-Busse handeln.
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Der Schaltkreis 20 kann vorteilhaft einen Referenzspannungsverstärker 6 (auch Sense-Verstärker) umfassen, welche dazu eingerichtet ist, differentielle Referenzspannungssignale SIN+, SIN- von der Lastzelle 7 zu empfangen. Diese Messwerte bzw.Referenzspannungssignale SIN+, SIN- entsprechen der Lastzellen-Versorgungsspannungspiegel VLZ+, VLZ- unmittelbar an der Lastzelle. Die Referenzspannungssignale SIN+, SIN- können vorteilhaft verstärkt bzw. geteilt werden, um daraus ein Ausgangssignal SAUS zu generieren, welches als Referenzspannung an den Referenzeingang REFIN des A/D-Wandlers 1 geben wird. Der Referenzspannungsverstärker 6 befindet sich ebenfalls im galvanisch isolierten Bereich 50 und wird mit der symmetrischen Versorgungsspannung +V2, -V2 versorgt. Der Referenzspannungsverstärker 6 kann unter anderem einen Instrumentenverstärker umfassen, bzw. im Wesentlichen nach Art eines Instrumentenverstärkers aufgebaut sein. Der Referenzspannungsverstärker 6 kann dadurch hochohmige Eingänge SIN+, SIN- für das differentielle Signal SIN+, SIN- aufweisen. Aus dem differentiellen Signal SIN+, SIN- kann in dem Referenzspannungsverstärker 6 das Referenzsignal hochgenau gebildet werden. Dazu kann der differentielle Spannungspegel SIN+, SIN- der Lastzellen-Versorgungsspannung wie er unmittelbar an der Lastzelle 7 (VLZ+, VLZ-) abgegriffen wird, durch einen festen Faktor, bspw. den Faktor 4 (oder einen anderen Wert) geteilt und als Pegel der Referenzspannung REFIN an den A/D-Wandler ausgegeben werden.
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Der Schaltkreis 20 kann im galvanisch isolierten Bereich 50 ferner eine Lastzellen-Schnittstelle 8 umfassen. Die Lastzellen-Schnittstelle 8 kann die folgenden sechs Anschlüsse umfassen.
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Die Lastzellen-Schnittstelle 8 kann einen positiven Lastzellen-Versorgungsspannungsanschluss LV+ und einen negativen Lastzellen-Versorgungsspannungsanschluss LV-, die jeweils mit einem positiven Ausgang LVAUS+ der Lastzellen-Spannungsversorgungseinheit 2 und einem negativen Ausgang LVAUS- der Lastzellen-Spannungsversorgungseinheit 2 gekoppelt sind.
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Ferner ist ein positiver Referenzspannungsverstärkeranschluss S+ und ein negativer Referenzspannungsverstärkeranschluss S- vorgesehen. Der positive Referenzspannungsverstärkeranschluss S+ ist mit einem positiven Eingang SIN+ des Referenzspannungsverstärkers 6 und einem negativen Eingang SIN- des Referenzspannungsverstärkers 6 gekoppelt.
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Schließlich weist die Lastzellen-Schnittstelle 8 einen positiven Messanschluss M+ auf, der mit einem positiven Anschluss ADIN+ des A/D-Wandler-Eingangs gekoppelt ist und einen negativen Messanschluss M-, der mit einem negativen Anschluss ADIN- des A/D-Wandler-Eingangs gekoppelt ist.
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Zwischen die differentiellen Anschlüsse S+, S- der Lastzellen-Schnittstelle 8 und dem differentiellen Eingang SIN+, SIN- des Referenzspannungsverstärkers 6 kann ein Tiefpass 12 gekoppelt sein. Ebenso kann ein Tiefpass 13 zwischen den Messanschluss M+, M- der Lastzellen-Schnittstelle 8 und den differentiellen Eingang ADIN+, ADIN- des A/D-Wandlers gekoppelt sein. Diese können vorteilhaft hochfrequente Störsignale reduzieren.
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Der Schaltkreis 20 kann im nicht galvanisch isolierten Bereich 40 ferner eine Hauptschnittstelle 9 umfassen. Diese kann eingerichtet sein, um die symmetrische Versorgungsspannung +V1, -V1 bereitzustellen. Diese symmetrische Versorgungsspannung kann an die nicht galvanisch isolierte Seite der Schaltkreis-Spannungsversorgungseinheit 4 gekoppelt sein. Ferner kann die Hauptschnittstelle 9 eine asymmetrische Versorgungsspannung V5, GND (Masse) bereitstellen, die für die weiteren Komponenten auf der nicht galvanische isolierten Seite verwendet werden kann. +V1, -V1 kann bspw. +/-9 V betragen und V5 kann 3,3 V betragen. Schließlich kann die Hauptschnittstelle 9 auch noch zahlreiche Anschlüsse (bspw. n4 mit n4=6) einer digitale Anschlussschnittstelle für den Schaltkreis 20 umfassen, beispielsweise in Form eines SPI-Busses B3, wobei dieser verschiedene zusätzliche Chip-Select (I) Signale umfassen kann, um einzelne Komponenten des Schaltkreises 20 zu aktivieren bzw. anzusprechen.
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Der Schaltkreis 20 kann im galvanisch nicht isolierten Bereich 40 auch noch einen weiteren Buffer 10 umfassen, der dazu dient, ein digitales Signal (MISO, entsprechend der gängigen SPI-Bus Nomenklatur: „Master In Slave Out“) zu buffern und weiterzuleiten, welches anzeigt, dass Daten vom A/D-Wandler zum Auslesen bereitstehen. Der Buffer 10 kann entsprechend das digitale Signal (MISO) nach Art eines Interrupt-Signals an einen übergeordneten Mikrocontroller (nicht gezeigt, weil außerhalb des Schaltkreises 20) weiterleiten und diesen dadurch veranlassen die digitalen Daten (A/D-Wandler Ausgabedaten) auszulesen bzw. über den Bus B3 (und in Folge auch Bus B2) abzuholen. Der Ausgang des Buffers 10 mit den Signalen MISO_B, CS kann mit der digitalen Anschlussschnittstelle der Hauptschnittstelle 9 gekoppelt sein.
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Schließlich kann ein nicht flüchtiger Speicher (EA-ROM oder EE-PROM) 14 im nicht galvanisch getrennten Bereich 40 vorgesehen sein. Diese kann ebenfalls an den Bus B3 gekoppelt sein. Er kann mit der Spannung V5 versorgt werden und dazu dienen Identifikationsdaten, Kennwerte etc. des Schaltkreises und der Lastzelle 7 zu speichern und auf Anfrage über den Bus B3 zu Hauptschnittstelle 9 auszugeben.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann eine Vorrichtung 100 den Schaltkreis 20 und eine Lastzelle 7 umfassen. Die Lastzelle 7 ist in der ersten Betriebsart des Schaltkreises 20 durch die alleinige Kopplung mit der Lastzellen-Schnittstelle 8 nur mit dem galvanisch getrennten Bereich 50 elektrisch verbunden, jedoch nicht mit dem galvanisch nicht isolierten Bereich 40. Die Lastzelle ist vorteilhaft als Wheatstone-Brücke aufgebaut und umfasst ein Lastelement LE sowie Widerstände R1, R2 und R3. Die Lastzellen-Schnittstelle 8 ist mit der 1 dargestellten Weise mit der Lastzelle 7 gekoppelt. Die Versorgungsspannungspegel unmittelbar an der Lastzelle 7 sind VLZ+ und VLZ-. Zur Versorgung sind die Lastzellen-Versorgungsspannungsanschlüsse LV+ und LV- an gegenüberliegenden Seiten der Lastzelle 7 angeschlossen. Zudem sind auch die Referenzspannungsverstärkeranschlüsse S+ und S- an die gegenüberliegenden Seiten der Lastzelle 7 angeschlossen. Die Lastzelle 7 kann in der gezeigten Form also eine Brückenschaltung aus zwei parallelen Spannungsteilern sein, nämlich einem ersten Spannungsteiler aus LE und R2 sowie einen zweiten Spannungsteiler aus R1 und R3. Der positive Messanschluss M+ kann dann an den ersten Zwischenabgriff ZA1 zwischen R1 und R3 gekoppelt sein und der negative Messanschluss M- kann an den zweiten Zwischenabgriff ZA2 zwischen LE und R2 gekoppelt sein.
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Es sind nicht gezeigte Leitungen zwischen den Anschlüssen LV+, LV-, S+, S-, und M+, M- der Lastzellen-Schnittstelle 8 und der Lastzelle 7 vorhanden. Diese Leitungen können beachtliche Längen erreichen, was das Risiko von Störungen bei der Messung deutlich erhöht. Das Lastelement LE kann bspw. ein Dehnmessstreifen sein. Es kommen jedoch auch andere Arten von Lastelementen in Betracht, die ihren Widerstandswert (oder Impendanzwert) als Funktion einer Veränderung einer einwirkenden Last (Kraft, Gewicht) verändern. Dadurch ergibt sich ein typischer Kennwert (Empfindlichkeit) in Form von Millivolt je Volt Versorgungsspannung VLZ+, VLZ-für diese Art von Lastzellen 7.
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Im Betrieb werden die Pegel LV+, LV- am Ausgang der Lastzellen-Spannungsversorgungseinheit 2, wie vom Steuersignal ST des A/D-Wandlers vorgegeben, periodisch umgeschaltet und an die Lastzelle 7 ausgegeben. Der A/D-Wandler 1 misst mit dem differentiellen Messeingang M+, M- (gefiltert durch Tiefpassfilter 13) kontinuierlich die Spannungsänderung in der Lastzelle 7, wobei hierbei ebenso die Änderung der Versorgungsspannungspegel VLZ+, VLZ- unmittelbar an der Lastzelle 7 eingehen, da diese über die hochohmigen Eingänge SIN+, SIN- des Referenzspannungsverstärkers 6 (gefiltert durch Tiefpassfilter 12) als hochgenaues Referenzsignal REFIN im A/D-Wandler vorliegen. Der A/D-Wandler 1 ist schnell genug bzw. eingerichtet, um Einschwingvorgänge durch das Umschalten der Versorgungsspannung etc. zu berücksichtigen bzw. zu eliminieren. Der A/D-Wandler 1 gibt die digital gewandelten Messdaten kontinuierlich über den Bus B1 an den Buffer 5 aus, der diese zwischenspeichert und über den Bus B2 an den digitalen Isolationsschaltkreis 3 ausgibt. Der digitale Isolationsschaltkreis 3 zeigt mittels des Signals MISO, das über den zusätzlichen Buffer 10 (MISO-Buffer) weitergeleitet wird, an, dass Daten bereitliegen, welche dann von einer übergeordneten Steuerung (bspw. Mikrocontroller, nicht gezeigt) in Intervallen sehr schnell über den Bus B3 für die weitere Verarbeitung abgerufen werden.
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Die Vorrichtung 100 ermöglicht, eine Vielzahl von Störungen zu unterdrücken. Durch die periodische Umschaltung der Pegel der Versorgungsspannung LV+, LV- können konstante Störungen, wie bspw. Thermospannungen unterdrückt werden. Ferner ermöglicht die Verwendung des Referenzspannungsverstärkers 6 zur Erfassung der tatsächlich an der Lastzelle 7 anliegenden Versorgungsspannungspegeln VLZ+, VLZ- mittels der Referenzspannungssignale S+, S- bzw. SIN+, SIN- und der daraus ermittelten hochgenauen Referenzspannung REFIN für den A/D-Wandler eine ratiometrische Messung, durch welche die Spannungsschwankungen etc. unmittelbar an der Lastzelle 7 berücksichtigt und direkt sehr stark unterdrückt werden.
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Der Schaltkreis 20 bzw. die Vorrichtung 100 kann auch in einer zweiten Betriebsart betrieben werden. Dafür werden die als ALTERNATIVE gekennzeichneten Schaltungsteile verwendet. Hierbei handelt es sich um drei Möglichkeiten, die galvanische Trennung durch die Schaltkreis-Spannungsversorgungseinheit 4 elektrisch leitend zu überbrücken, wobei die Schaltkreis-Spannungsversorgungseinheit 4 dann natürlich weggelassen wird. Entsprechend sind hier Widerstandswerte von 0 Ohm zwischen +V1 und +V2, -V1 und -V2 sowie GND und GNDA angegeben, wodurch diese Knoten unmittelbar elektrisch verbunden sind. Dann ist der Bereich 50 nicht mehr vom Bereich 40 galvanisch isoliert. In der zweiten Betriebsart wird der A/D-Wandler vorteilhaft mit einer zu GND symmetrischen Spannung zwischen +/- 7,2 V und bis zu +/- 12 V betrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- A/D-Wandler
- ADIN+
- Positiver Anschluss A/D-Wandler
- ADIN-
- Negativer Anschluss A/D-Wandler
- ADAUS
- Digitaler Ausgang A/D-Wandler
- GND
- Masseanschluss des A/D-Wandlers
- REFIN
- Referenzeingang des A/D-Wandlers
- ST
- Steuerausgang des A/D-Wandlers
- m
- Anzahl der Leitungen des Steuersignals ST
- VDD
- Versorgungsspannungseingang des A/D-Wandlers
- 2
- Lastzellenspannungsversorgungseinheit
- STIN
- Steuersignaleingang der Lastzellen-Spannungsversorgu ngseinheit
- 3
- Digitaler Isolationsschaltkreis
- 4
- Schaltkreis-Spannungsversorgungseinheit
- +V1, -V1
- Eingangsspannungen der Schaltkreis-Spannungsversorgu ngsein heit
- +V2, -V2
- Symmetrische Versorgungsspannung für den galvanisch isolierten Bereich an der Schaltkreis-Spannungsversorgu ngsein heit
- +V3, -V3
- Symmetrische Versorgungsspannungen
- +V4, -V4
- Versorgungsspannung
- 5
- Buffer
- 6
- Referenzspannungsverstärker
- S+, S-
- Differentielle Referenzspannungsverstärkeranschlüsse
- SAUS
- Ausgangssignal des Referenzspannungsverstärkers
- SIN+, SIN-
- Differentielle Referenzspannungssignale
- 7
- Lastzelle
- LE
- Lastelement der Lastzelle
- LV+, LV-
- Lastzellen-Versorgungsspannung (symmetrisch, Pegel)
- LVAUS+, LVAUS-
- Anschlüsse für Lastzellen-Versorgungsspannung (symmetrisch)
- R1, R2, R3
- Widerstände der Lastzelle
- VLZ+, VLZ-
- Lastzellen-Versorgungsspannungspegel unmittelbar an der Lastzelle
- ZA1
- Erster Zwischenabgriff an der Lastzelle
- ZA2
- Zweiter Zwischenabgriff an der Lastzelle
- 8
- Lastzellenschnittstelle
- M+, M-
- Positiver und negativer Messanschluss der Lastzellen-Schnittstelle
- 9
- Hauptschnittstelle
- n4
- Anzahl der Anschlüsse der digitalen Anschlussschnittstelle der Hauptschnittstelle
- 10
- Buffer
- MISO
- ein „Master In Slave Out“ des SPI-Bus
- MISO_B
- Ausgang des Buffers
- 11
- Regler, Spannungsregler, Spannungswandler, Linearregler
- 12
- (erster) Tiefpass
- 13
- (zweiter) Tiefpass
- 14
- EA-ROM oder EE-PROM
- 20
- Schaltkreis
- 40
- Nicht-galvanisch isolierter Bereich
- V5
- Versorgungsspannung des digitalen Isolationsschaltkreises im nicht-galvanisch getrennten Bereich
- 50
- Galvanisch isolierter Bereich
- 100
- Vorrichtung
- B1
- Bus zwischen A/D-Wandler und Buffer
- n1
- Anzahl der Bus-Leitungen von Bus B1
- B2
- Bus zwischen Buffer und digitalem Isolationsschaltkreis
- B3
- Bus an der nicht-galvanisch isolierten Seite des digitalen Isolationsschaltkreises
- CS
- Chip-Select
