EP2193339A1 - Field device having an analog output - Google Patents

Field device having an analog output

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EP2193339A1
EP2193339A1 EP08834820A EP08834820A EP2193339A1 EP 2193339 A1 EP2193339 A1 EP 2193339A1 EP 08834820 A EP08834820 A EP 08834820A EP 08834820 A EP08834820 A EP 08834820A EP 2193339 A1 EP2193339 A1 EP 2193339A1
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EP
European Patent Office
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digital
analog
signal
pulse width
output signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08834820A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Eric Chemisky
Michael Geppert
Ulrich Hahn
Simon Rohrbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2193339A1 publication Critical patent/EP2193339A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/02Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for altering or correcting the law of variation
    • G01D3/024Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for altering or correcting the law of variation for range change; Arrangements for substituting one sensing member by another
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/66Digital/analogue converters
    • H03M1/68Digital/analogue converters with conversions of different sensitivity, i.e. one conversion relating to the more significant digital bits and another conversion to the less significant bits
    • HELECTRICITY
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    • H03M1/66Digital/analogue converters
    • H03M1/82Digital/analogue converters with intermediate conversion to time interval
    • H03M1/822Digital/analogue converters with intermediate conversion to time interval using pulse width modulation

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Abstract

The invention relates to a field device having an analog output, especially a measuring transducer (1) for process instrumentation having a 4-20 mA interface as the analog output (7). For digital-to-analog conversion, a digital value is split into a digital coarse portion and a digital fine portion. Depending on the digital coarse portion, a first analog signal (V1) is generated using a pulse width modulator (BUF1) having a low path filter (TP1) mounted downstream thereof, which signal is above the analog output signal (VOUT), and a second output signal (V2) using a pulse width modulator (BUF2) having a low path filter (TP2) mounted downstream thereof, which signal is below the analog output signal(VOUT). Both analog signals (V1, V2) are guided to a third pulse width modulator (SW1) which is controlled depending on the digital fine portion, a low-pass filter (TP3) being mounted downstream thereof. The invention allows provision of an analog output signal (VOUT) having high resolution and good dynamic properties. The field device is further characterized by a digital-to-analog converter that can be produced with especially little complication.

Description

Beschreibungdescription
Feldgerät mit einem AnalogausgangField device with an analog output
Die Erfindung betrifft ein Feldgerät mit einem Analogausgang, insbesondere einen Messumformer zur Prozessinstrumentierung mit einer 4-20 mA-Schnittstelle als Analogausgang, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a field device with an analog output, in particular a transmitter for process instrumentation with a 4-20 mA interface as an analog output, according to the preamble of claim 1.
Ein derartiges Feldgerät ist beispielsweise aus derSuch a field device is for example from the
DE 199 30 661 Al bekannt. In der Prozessinstrumentierung werden Messumformer mit 4-20 mA-Schnittstelle vielfältig zur Messung physikalischer oder chemischer Größen, zum Beispiel eines Drucks, einer Temperatur oder eines pH-Werts, einge- setzt. Diese weisen üblicherweise einen Sensor auf, dessen Sensorsignal verstärkt, digitalisiert, und anschließend in einem MikroController ausgewertet und bezüglich Linearität und Temperaturverhalten korrigiert wird. Das so aufbereitete Sensorsignal wird in einer Ausgangsschaltung mit einem Digi- tal/Analog-Umsetzer in ein analoges Ausgangssignal, hier einen Ausgangsstrom im Bereich von 4-20 mA, umgeformt und über eine Zweidrahtleitung an eine Auswerteeinrichtung, beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung in einem Automatisierungsnetzwerk, übertragen.DE 199 30 661 Al known. In process instrumentation, transducers with a 4-20 mA interface are used in a variety of ways to measure physical or chemical parameters, such as pressure, temperature or pH. These usually have a sensor, the sensor signal amplified, digitized, and then evaluated in a microcontroller and corrected for linearity and temperature behavior. The thus processed sensor signal is converted in an output circuit with a digital / analog converter into an analog output signal, in this case an output current in the range of 4-20 mA, and via a two-wire line to an evaluation device, for example a programmable logic controller in an automation network. transfer.
Andererseits kann eine speicherprogrammierbare Steuerung als Feldgerät einen Analogausgang aufweisen, beispielsweise zur Übergabe einer Stellgröße an ein Regelventil als Stellglied mit entsprechendem Analogeingang.On the other hand, a programmable logic controller as a field device may have an analog output, for example for the transfer of a manipulated variable to a control valve as an actuator with a corresponding analog input.
Zur Erzeugung des analogen Ausgangssignals sind Digital/Ana- log-Umsetzer mit verschiedenen Arbeitsweisen bekannt. Beispielsweise sind als integrierte Bauelemente ausgeführte Di- gital/Analog-Umsetzer mit R2R-Netzwerk verfügbar. Nachteilig bei diesen Bauelementen sind jedoch die damit verbundenen Kosten und zudem ihre hohe Stromaufnahme. Insbesondere bei Feldgeräten, die über eine 4-20 mA-Schnittstelle mit ihrer zum Betrieb erforderlichen Energie versorgt werden, kann dies einen bedeutenden Nachteil darstellen, da die zur Verfügung stehende Energie sehr begrenzt ist. Eine weitere Möglichkeit zur Digital/Analog-Umsetzung kann darin gesehen werden, einen Timer-Ausgang des MikroControllers zur Ansteuerung eines Pulsweitenmodulators zu verwenden, auf welchen eine hochgenaue Referenzspannung geführt und dem zur Glättung des Ausgangssignals ein Tiefpassfilter nachgeschaltet ist. Dabei tritt jedoch das Problem auf, dass ein Kompromiss zwischen der erreichbaren Dynamik und der Einstellgenauigkeit des Ana- logsignals geschlossen werden muss. Die Frequenz des pulswei- tenmodulierten Signals, die sich direkt auf die Dynamik auswirkt, ergibt sich nämlich aus der Bitauflösung der Digital/Analog-Umsetzung und der Taktfrequenz des Mikrocontrol- lers und ist proportional dem Produkt dieser beiden Größen. Die Taktung des MikroControllers wirkt sich unmittelbar auf dessen Stromverbrauch aus und kann nicht beliebig erhöht werden. Andererseits kann die Frequenz des pulsweitenmodulierten Signals nicht beliebig verringert werden, um eine höhere Bitauflösung zu erreichen, da diese bestimmend für die Dynamik des erzeugten analogen Ausgangssignals ist.To generate the analog output signal, digital / analog converters with different modes of operation are known. For example, digital / analog converters with an R2R network implemented as integrated components are available. A disadvantage of these components, however, are the associated costs and also their high power consumption. Especially for field devices that are powered by a 4-20 mA interface with their power required for operation, this can represent a significant disadvantage, since the available energy is very limited. Another possibility for digital / analog conversion can be seen to use a timer output of the microcontroller to control a pulse width modulator on which a highly accurate reference voltage out and the smoothing of the output signal is followed by a low-pass filter. However, the problem arises that a compromise must be made between the achievable dynamics and the setting accuracy of the analog signal. The frequency of the pulse width modulated signal, which has a direct effect on the dynamics, results from the bit resolution of the digital / analog conversion and the clock frequency of the microcontroller and is proportional to the product of these two variables. The timing of the microcontroller has a direct effect on its power consumption and can not be increased arbitrarily. On the other hand, the frequency of the pulse width modulated signal can not be arbitrarily reduced in order to achieve a higher bit resolution, since this is decisive for the dynamics of the generated analog output signal.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feldgerät mit einem Analogausgang, insbesondere einen Messumformer zur Prozessinstrumentierung mit einer 4-20 mA-Schnittstelle als Ana- logausgang, zu schaffen, das sich durch geringen Stromverbrauch auszeichnet und mit welchem ein analoges Ausgangssignal in hoher Auflösung und mit großer Dynamik erzeugbar ist .The invention has for its object to provide a field device with an analog output, in particular a transmitter for process instrumentation with a 4-20 mA interface as analog output, which is characterized by low power consumption and with which an analog output signal in high resolution and can be generated with great dynamics.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Feldgerät der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.To solve this problem, the new field device of the type mentioned in the characterizing part of claim 1 features. In the dependent claims advantageous developments of the invention are described.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der Konflikt zwischen Dynamik und Genauigkeit des analogen Ausgangssignals durch eine stufenweise Digital/Analog-Umsetzung aufgelöst werden kann. Dazu werden in einer ersten Stufe zunächst zwei Analogsignale mit geringerer Auflösung erzeugt, die ober- und unterhalb des gewünschten analogen Ausgangssignals liegen. Diese werden in einer nachgeschalteten, zweiten Stufe als Spannungspegel zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Sig- nals genutzt, dessen Pulspausenverhältnis lediglich mit einer Genauigkeit eingestellt werden muss, die der gegenüber der Grobauflösung noch zu erzielenden weiteren Auflösung entspricht .The invention is based on the recognition that the conflict between dynamics and accuracy of the analog output signal can be resolved by a stepwise digital / analog conversion. For this purpose, in a first stage, two first Analog signals generated with lower resolution, which are above and below the desired analog output signal. These are used in a downstream, second stage as a voltage level for generating a pulse width modulated signal whose pulse pause ratio only has to be set with an accuracy which corresponds to the resolution to be achieved compared to the coarse resolution.
Da jede Stufe einen Teil der Auflösung übernimmt, ist beiSince each stage takes over a part of the resolution is at
Verwendung eines MikroControllers zur Erzeugung der Zeitsignale für die Pulsweitenmodulation bei gleicher Taktung eine wesentlich höhere Dynamik erreichbar. Andererseits kann zur Erzielung einer vorgegebenen Dynamik der MikroController nun mit einer geringeren Frequenz getaktet werden, so dass derUsing a microcontroller to generate the timing signals for the pulse width modulation at the same timing a much higher dynamics achievable. On the other hand, to achieve a given dynamic, the microcontroller can now be clocked at a lower frequency, so that the
Energieverbrauch des MikroControllers sinkt und infolgedessen mehr Energie für die eigentliche Messaufgabe eines Messumformers zur Verfügung steht. Diese kann zur Verbesserung der Messgenauigkeit des Messumformers genutzt werden.Energy consumption of the microcontroller decreases and as a result more energy is available for the actual measuring task of a transmitter. This can be used to improve the measurement accuracy of the transmitter.
Da ein MikroController in den meisten Feldgeräten ohnehin vorhanden ist, kann eine besonders einfache Realisierung des Digital/Analog-Umsetzers erreicht werden, wenn dieser aufgrund einer geeigneten Programmierung die Aufteilung des Di- gitalwerts in einen digitalen Grobanteil und einen digitalen Feinanteil vornimmt und die zur Steuerung der Pulsweitenmodulatoren erforderlichen Zeitsignale erzeugt.Since a microcontroller is present in most field devices anyway, a particularly simple implementation of the digital / analog converter can be achieved if, due to suitable programming, it divides the digital value into a digital coarse fraction and a digital fine fraction and controls it the pulse width modulators required time signals generated.
Eine besonders hohe Genauigkeit der Digital/Analog-Umsetzung ist in vorteilhafter Weise möglich, wenn die Tiefpässe desA particularly high accuracy of the digital / analog conversion is possible in an advantageous manner when the low passes of the
Digital/Analog-Umsetzers mit passiven Bauelementen realisiert und derart bemessen sind, dass ihr Eingangswiderstand im Vergleich zum Ausgangswidertand der Pulsweitenmodulatoren wesentlich höher ist.Realized digital / analog converter with passive components and are dimensioned such that their input resistance compared to the Ausgangswidertand the pulse width modulators is much higher.
Damit sich eine schlechte Dynamik einer Stufe nicht ungünstig auf die Dynamik der gesamten Digital/Analog-Umsetzung auswirkt, sollte die Dynamik der Stufen möglichst gleich sein. Dies kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass die Auflösung des Grobanteils und die Auflösung des Feinanteils derselben Bitanzahl entspricht. Das heißt, der digitale Grobanteil entspricht im Wesentlichen den N-höchstwertigen Bits und der digitale Feinanteil im Wesentlichen dem m-nied- rigstwertigen Bits des Digitalwerts und N ist etwa gleich m. Ein Rauschen des analogen Ausgangssignals kann weitgehend vermieden werden, wenn die Erzeugung des Grobanteils mit Hysterese erfolgt.In order for a poor dynamic of a stage not to adversely affect the dynamics of the entire digital / analog implementation, the dynamics of the stages should be as equal as possible. This can be achieved in a simple manner in that the resolution of the coarse fraction and the resolution of the fine fraction corresponds to the same number of bits. That is to say, the digital coarse part substantially corresponds to the N most significant bits and the digital fine part substantially to the m least significant bits of the digital value, and N is approximately equal to m. Noise of the analogue output signal can be largely avoided if the production of the coarse fraction occurs with hysteresis.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.With reference to the drawings, in which an embodiment of the invention is shown, the invention and refinements and advantages are explained in more detail below.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Messumformers,FIG. 1 shows a basic structure of a transmitter,
Figur 2 ein Blockschaltbild eines Digital/Analog-Umsetzers,FIG. 2 is a block diagram of a digital / analog converter;
Figur 3 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung seines Funktions- prinzips undFIG. 3 shows a timing diagram for explaining its functional principle and
Figur 4 eine Schaltung eines Digital/Analog-Umsetzers.4 shows a circuit of a digital / analog converter.
Gemäß Figur 1 weist ein Messumformer 1 zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe X eines Prozesses einen Aufnehmer 2 auf, der diese Größe in ein Messsignal 3 wandelt. In einer Vorverarbeitung 4 wird das Messsignal 3 verstärkt und digitalisiert. In digitaler Form wird das so vorverarbeitete Messsignal einem MikroController 5 zugeführt, der beispielsweise eine Kompensation von Nichtlinearitäten und Temperatureinflüssen vornimmt und den auszugebenden Messwert berechnet. In einem Digital/Analog-Umsetzer 6 wird der im Mik- rocontroller 5 ermittelte digitale Messwert in ein analogesAccording to FIG. 1, a measuring transducer 1 for detecting a physical or chemical quantity X of a process has a pick-up 2, which converts this quantity into a measuring signal 3. In a pre-processing 4, the measurement signal 3 is amplified and digitized. In digital form, the thus preprocessed measurement signal is supplied to a microcontroller 5 which, for example, carries out a compensation of non-linearities and temperature influences and calculates the measured value to be output. In a digital / analog converter 6, the digital measured value ascertained in the microcontroller 5 is converted into an analog
Ausgangssignal gewandelt, das über eine 4-20 mA-Schnittstelle 7 zur weiteren Verwendung in einer prozesstechnischen Anlage, in welcher der Messumformer 1 eingesetzt ist, ausgegeben wird.Converted output signal via a 4-20 mA interface 7 for further use in a process plant, in which the transmitter 1 is inserted, is output.
Zur Digital/Analog-Umsetzung generiert ein MikroController μC gemäß Figur 2 drei Zeitsignale PWM1, PWM2 und PWM3. Die Zeitsignale PWMi und PWM2 werden entsprechend einem Grobanteil des Digitalwerts ermittelt, das Zeitsignal PWM3 entsprechend einem digitalen Feinanteil. Ein Buffer BUFi, der die Funktion eines Pulsweitenmodulators hat, erzeugt ein entsprechend dem Zeitsignal PWMi pulsweitenmoduliertes Signal, dessen obererFor digital / analog conversion, a microcontroller μC according to FIG. 2 generates three time signals PWM 1 , PWM 2 and PWM 3 . The time signals PWMi and PWM 2 are determined according to a coarse fraction of the digital value, the time signal PWM 3 corresponding to a digital fine fraction. A buffer BUFi, which has the function of a pulse width modulator, generates a pulse width modulated signal corresponding to the time signal PWMi, the upper
Pegel einer Referenzspannung Vref und dessen unterer Pegel die Bezugsmasse GND ist. Das Signal wird in einem Tiefpassfilter TPi geglättet, so dass ein erstes Analogsignal Vi vorliegt, das oberhalb des gewünschten analogen Ausgangssignals VOuτ liegt. In analoger Weise wird mit Hilfe des Zeitsignals PWM2, mit einem Buffer BUF2 und mit einem Tiefpass TP2 ein zweites Analogsignal V2 generiert, dessen Pegel niedriger als das gewünschte Ausgangssignal VOuτ ist. Mit dem Zeitsignal PWM3, welches dem digitalen Feinanteil des Digitalwerts entspricht, wird ein Umschalter SWi gesteuert, der somit ebenfalls dieLevel of a reference voltage V re f and whose lower level is the reference ground GND. The signal is smoothed in a low-pass filter TPi, so that a first analog signal Vi is present, which is above the desired analog output signal V O uτ. In an analogous manner, with the aid of the time signal PWM 2 , with a buffer BUF 2 and with a low-pass filter TP 2, a second analog signal V 2 is generated whose level is lower than the desired output signal V O uτ. With the time signal PWM 3 , which corresponds to the digital fine fraction of the digital value, a switch SWi is controlled, which thus also the
Funktion eines Pulsweitenmodulators besitzt. Auf den Umschalter SWi sind das erste Analogsignal Vi und das zweite Analogsignal V2 geführt. Durch einen Tiefpass TP3, der dem Umschalter SWi nachgeschaltet ist, wird das pulsweitenmodulierte Signal wiederum geglättet, so dass schließlich das analoge Ausgangssignal VOuτ vorliegt.Function of a pulse width modulator has. On the switch SWi the first analog signal Vi and the second analog signal V 2 are performed. By a low pass TP 3 , which is the switch SWi downstream, the pulse width modulated signal is again smoothed, so that finally the analog output signal V O uτ is present.
Im Folgenden wird ein Beispiel einer Digital/Analog-Umsetzung mit 17 Bit-Auflösung beschrieben. Der Grobanteil besitzt eine Auflösung von 9 Bit, der Feinanteil ebenfalls. Eine Auflösung von einem Bit, die bei einer Summierung der Auflösungen von Grob- und Feinanteil gegenüber der Auflösung des Digitalwerts verbleibt, wird, wie später erläutert, zur Realisierung einer Hysterese des Grobanteils benötigt.The following is an example of 17-bit resolution digital-to-analog conversion. The coarse fraction has a resolution of 9 bits, the fines also. A resolution of one bit, which remains at a summation of the resolutions of coarse and fine fraction compared to the resolution of the digital value is, as explained later, needed to realize a hysteresis of the coarse fraction.
Das erste Analogsignal Vi kann berechnet werden nach der Formel N.The first analog signal Vi can be calculated according to the formula N.
Vi = V ref V i = V ref
Ni entspricht im Wesentlichen den höchstwertigen Bits des Digitalwerts und hat einen Wertebereich zwischen 0 und 29-l.Ni essentially corresponds to the most significant bits of the digital value and has a value range between 0 and 2 9 -1.
Der Pegel des zweiten Analogsignals V2 kann berechnet werden nach der Formel: The level of the second analog signal V 2 can be calculated according to the formula:
N2 entspricht ebenfalls weitgehend den höchstwertigen Bits des Digitalwerts und hat denselben Wertebereich wie Ni. Wie später näher erläutert, wird zur Vermeidung eines Rauschens im analogen Ausgangssignal VOuτ eine Hysterese verwendet. Dazu wird festgelegt,N 2 also largely corresponds to the most significant bits of the digital value and has the same value range as Ni. As explained in more detail below, a hysteresis is used to avoid noise in the analog output signal V O uτ. For this it is determined
Ni = N2 + 2.Ni = N 2 + 2.
Mit Hilfe des Umschalters SWl wird entsprechend dem Zeitsig- nal PWM3 zwischen dem ersten Analogsignal Vi und dem zweiten Analogsignal V2 umgeschaltet. Der Pegel des analogen Ausgangssignals V0UT kann berechnet werden nach der Formel: With the aid of the changeover switch SW1, switching takes place in accordance with the time signal PWM 3 between the first analog signal Vi and the second analog signal V 2 . The level of the analog output signal V 0U T can be calculated according to the formula:
Der Wert m entspricht dem mit Hilfe des MikroControllers μC festgelegten Feinanteil, der zur Einstellung des Timers zur Erzeugung des Zeitsignals PWM3 verwendet wird. Er hat ebenfalls einen Wertebereich zwischen 0 und 29-l. Substituiert man in der letzten Formel Ni durch N2 + 2 und N2 durch N, so erhält man für den Pegel des analogen Ausgangssignals VOuτ :The value m corresponds to the fine fraction determined with the aid of the microcontroller .mu.C, which is used to set the timer for generating the time signal PWM 3 . . It also has a range of values between 0 and 2 9 -l Substituting in the last formula Ni by 2 N + 2 and N 2 through N, is obtained for the level of the analog output signal V O uτ:
V V ref V V ref
OUT 217 • (m + 28 • N) . Es ergibt sich somit eine Digital/Analog-Umsetzung mit 17- Bit-Auflösung, wobei der Wert m den niedrigstwertigen Bits und der Wert N den höchstwertigen Bits entspricht.OUT 2 17 • (m + 2 8 • N). This results in a digital / analog conversion with 17-bit resolution, with the value m the least significant bits and the value N corresponds to the most significant bits.
Die im MikroController μC ermittelten digitalen Werte für den Grobanteil und dem Feinanteil müssen nicht zu jedem Zeitpunkt den höchstwertigen Bits bzw. den niedrigstwertigen Bits des Digitalwerts exakt entsprechen, sondern werden unter bestimmten Bedingungen abweichend von diesen eingestellt. Mit Hilfe des Zeitsignals PWM3, das dem digitalen Feinanteil entspricht, wird die analoge Ausgangsspannung in Abhängigkeit des ersten Analogsignals Vi und des zweiten Analogsignals V2 eingestellt. Befindet sich der Wert der neun niedrigstwertigen Bits nahe an seinen Grenzen, das heißt nahe an dem Wert 0 oder nahe an dem Wert 29-l, könnte es bei Überschreiten dieser Grenzen bei fehlender Hysterese vorkommen, dass der digitale Grobanteil und damit die beiden Analogsignale Vi und V2 ständig hin und herschalten. Dadurch würde ein unnötiges Rauschen des analogen Ausgangssignals VOuτ entstehen.The digital values for the coarse fraction and the fine fraction, which are determined in the microcontroller .mu.C, need not exactly correspond to the most significant bits or the least significant bits of the digital value at all times, but are set differently from them under certain conditions. With the aid of the time signal PWM3, which corresponds to the digital fine fraction, the analog output voltage is set as a function of the first analog signal Vi and of the second analog signal V2. If the value of the nine least significant bits is close to its limits, that is close to the value 0 or close to the value 2 9 -l, it might happen that the digital coarse fraction and thus the two analog signals when these limits are exceeded in the absence of hysteresis Vi and V 2 constantly switch back and forth. This would result in unnecessary noise of the analog output signal V O uτ.
Um dies zu verhindern werden nicht die Werte 0 und 29-l als Umschaltpunkte des digitalen Feinanteils herangezogen, sondern ein Wert bei 12,5% und ein Wert bei 87,5% des gesamten Wertebereichs des digitalen Feinanteils, also beispielsweise bei einem Wertebereich 512 die Werte 64 bzw. 448. Anhand Figur 3 wird dies im Folgenden näher erläutert. Bei Figur 3 handelt es sich um ein Zeitdiagramm, in welchem ein Verlauf 31 eines analogen Ausgangssignals VOuτ, ein Verlauf 32 eines ersten Analogsignals Vi, ein Verlauf 33 eines zweiten Analog- signals V2 und ein Verlauf 34, der dem jeweiligen digitalen Feinanteil entspricht, über der Zeit aufgetragen sind. Im linken Bereich für Zeiten t < ti ist der digitale Grobanteil auf den Wert N gesetzt. Der Wert N2 zur Einstellung des Zeitsignals PWM2 ist gleich N, der Wert Ni zur Einstellung des Zeitsignals PWMi beträgt N + 2. Diese Einstellung des digitalen Grobanteils bleibt konstant, solange sich der digitale Feinanteil innerhalb seiner Grenzen zwischen 12,5% und 87,5% des Wertebereichs befindet. Zum Zeitpunkt ti sinkt der Digi- talwert derart ab, dass der digitaler Feinanteil die 12,5%- Grenze unterschreitet und sich entsprechend das analoge Ausgangssignal 31 dem zweiten Analogsignal 33 nähert. Infolgedessen werden im Umschaltpunkt zum Zeitpunkt ti die Werte Ni und N2 um 1 dekrementiert . Gleichzeitig wird der digitale Feinanteil um etwa 50% seines Wertebereichs erhöht, so dass im Verlauf des analogen Ausgangssignals 31 keinerlei Umschaltsprung erkennbar ist. Der neue Wert mNEU des digitalen Feinanteils ergibt sich nach der Formel:To prevent this not the values 0 and 2 9 -l be used as the switching points of the digital fine fraction, but a value of 12.5% and a value of 87.5% of the total range of values of the digital fine fraction, thus for example in a range of values 512 the values 64 and 448. This is explained in more detail below with reference to FIG. FIG. 3 shows a time diagram in which a profile 31 of an analogue output signal V O uτ, a profile 32 of a first analogue signal Vi, a profile 33 of a second analogue signal V 2 and a profile 34 corresponding to the respective digital fine component corresponds, are plotted over time. In the left-hand area for times t <ti, the digital coarse fraction is set to the value N. The value N 2 for setting the time signal PWM 2 is equal to N, the value Ni for setting the time signal PWMi is N + 2. This setting of the digital coarse fraction remains constant as long as the digital fines within its limits between 12.5% and 87 , 5% of the value range is located. At time ti, the digi- Valley value such that the digital fine fraction falls below the 12.5% limit and correspondingly the analog output signal 31 approaches the second analog signal 33. As a result, at the switching point at time ti, the values Ni and N 2 are decremented by one. At the same time, the digital fine fraction is increased by about 50% of its value range, so that no switching jump can be detected in the course of the analogue output signal 31. The new value m NEW of the digital fine fraction results according to the formula:
mNEÜ = mALT + 28 • m NEÜ = m ALT + 2 8 •
Damit beträgt mNEU etwa 62,5% und liegt unter der 87,5%-Gren- ze, bei welcher die Werte Ni und N2 wieder um 1 erhöht werden würden. Es ist somit eine Hysterese realisiert, durch welche ein Rauschen an Umschaltpunkten verhindert wird.Thus, m NEW is about 62.5% and is below the 87.5% limit at which the values Ni and N 2 would again be increased by 1. It is thus realized a hysteresis, by which a noise is prevented at switching points.
Beim zweiten Umschaltzeitpunkt t2 überschreitet der digitale Feinanteil entsprechend dem Verlauf 34 die 87,5%-Grenze sei- nes Wertebereichs. Darauf folgt unmittelbar eine Inkrementie- rung der Werte Ni und N2 um 1 und eine Reduktion des digitalen Feinanteils um 28. Im direkten Anschluss der Umschaltung beträgt der Wert des digitalen Feinanteils etwa 37,5% seines Wertebereichs .At the second switch-over time t 2 , the digital fine fraction corresponding to the curve 34 exceeds the 87.5% limit of its value range. This is followed immediately by an increment of the values Ni and N 2 by 1 and a reduction of the digital fine fraction by 2 8 . In the direct connection of the switchover, the value of the digital fine fraction is approximately 37.5% of its value range.
Die Aufteilung des Digitalwerts, der dem analogen Ausgangsignal V0UT entspricht, in den digitalen Grobanteil und den digitalen Feinanteil mit Hysterese des Grobanteils wird im Mikro- controller μC aufgrund seiner Programmierung vorgenommen. Ein zusätzlicher schaltungstechnischer Aufwand ist in vorteilhafter Weise damit nicht verbunden.The division of the digital value, which corresponds to the analog output signal V 0U T, into the digital coarse fraction and the digital fines content with hysteresis of the coarse fraction is carried out in the microcontroller μC on the basis of its programming. An additional circuit complexity is advantageously not connected with it.
Figur 4 zeigt eine zur Realisierung des Digital/Analog-Umset- zers geeignete Schaltung 41. Als MikroController wird ein in- tegrierter Baustein 42 des Typs MSP430 verwendet, der drei Timerausgänge 43, 44 und 45 aufweist, die zur Realisierung pulsweitenmodulierter Zeitsignale PWMi, PWM2 bzw. PWM3 eingesetzt werden. Die Zeitsignale PWMi und PWM2 sind auf zwei Buffer 46 bzw. 47 des Typs 74LVC04 geführt, die durch eine Diode 48 mit einer hochgenauen Referenzspannung versorgt werden. Den Buffern 46 und 47 ist jeweils ein Tiefpass nachgeschaltet, der aus einem Widerstand Ri und einem Kondensator Ci bzw. aus einem Widerstand R2 und einem Kondensator C2 besteht. Die Widerstände haben jeweils 51 kΩ, die Kondensatoren jeweils 33 nF. Die auf diese Weise geglätteten Analogsignale sind auf zwei Eingänge eines Umschalters 49 des Typs 3157 von Texas Instruments geführt. Das Zeitsignal PWM3 dient zur Be- tätigung des Umschalters 49. Dem Umschalter 49 ist wiederum ist ein Tiefpass nachgeschaltet mit einem Widerstand R3 von 150 kΩ und einem Kondensator C3 von 100 nF. Dieser Tiefpass stellt schließlich ein dem vorgegebenen Digitalwert entsprechendes analoges Ausgangssignal 50 bereit. Zur Realisierung der Tiefpässe werden absichtlich passive RC-Filter verwendet und keine Schaltungen mit aktiven Bauelementen, da diese eine sehr gute Genauigkeit bieten. Dabei ist wichtig, dass der Ausgangswiderstand der Buffer 46 und 47 sowie der Ausgangswiderstand des Umschalters 49 im Vergleich zur Eingangsimpedanz des jeweils nachgeschalteten Tiefpasses klein ist.FIG. 4 shows a circuit 41 which is suitable for implementing the digital / analog converter. The microcontroller used is an integrated module 42 of the type MSP430 which has three timer outputs 43, 44 and 45 which are used to realize pulse width modulated time signals PWMi, PWM 2 and PWM 3 are used. The timing signals PWMi and PWM2 are at two Buffer 46 or 47 of the type 74LVC04 supplied, which are supplied by a diode 48 with a high-precision reference voltage. The buffers 46 and 47 are each followed by a low pass, which consists of a resistor Ri and a capacitor Ci or of a resistor R2 and a capacitor C 2 . The resistors each have 51 kΩ, the capacitors 33 nF each. The analog signals smoothed in this manner are fed to two inputs of a Texas Instruments 3157 type switch 49. The time signal PWM 3 is used to actuate the switch 49. The switch 49 is again followed by a low-pass filter with a resistor R3 of 150 kΩ and a capacitor C 3 of 100 nF. This low pass finally provides an analog output signal 50 corresponding to the predetermined digital value. For the realization of the low-pass filters are deliberately passive RC filters used and no circuits with active components, since they provide a very good accuracy. It is important that the output resistance of the buffers 46 and 47 and the output resistance of the switch 49 in comparison to the input impedance of the respective downstream low-pass filter is small.
An der Schaltung gemäß Figur 4 wird besonders deutlich, dass der Digital/Analog-Umsetzer mit der gezeigten Schaltung 41 besonders preisgünstig hergestellt werden kann. Trotz der ho- hen Gesamtauflösung des Digital/Analog-Umsetzers können aufgrund der hintereinander geschalteten Stufen zur Erzeugung des analogen Ausgangssignals Zeitsignale PWMi, PWM2 und PWM3 mit vergleichsweise hoher Frequenz verwendet werden. Dies führt zu einer hohen Dynamik der Digital/Analog-Umsetzung. It is particularly clear from the circuit according to FIG. 4 that the digital / analogue converter with the circuit 41 shown can be produced particularly inexpensively. Despite the high overall resolution of the digital-to-analog converter, time signals PWMi, PWM 2 and PWM 3 with a comparatively high frequency can be used because of the stages connected in series to generate the analog output signal. This leads to a high dynamic of the digital / analog conversion.

Claims

Patentansprüche claims
1. Feldgerät mit einem Analogausgang, insbesondere Messumformer (1) zur Prozessinstrumentierung mit einer 4-20 mA- Schnittstelle als Analogausgang (7), und mit einem Digi- tal/Analog-Umsetzer (6) zur Erzeugung eines analogen Ausgangssignals am Analogausgang, dadurch gekennzeichnet, dass der Digital/Analog-Umsetzer folgende Komponenten umfasst:1. field device with an analog output, in particular transmitter (1) for process instrumentation with a 4-20 mA interface as analog output (7), and with a digital / analog converter (6) for generating an analog output signal at the analog output, characterized in that the digital / analog converter comprises the following components:
- eine Einrichtung (μC) zur Aufteilung eines Digitalwerts in einem digitalen Grobanteil und einem digitalen Feinanteil,a device (μC) for dividing a digital value into a digital coarse fraction and a digital fines fraction,
- eine erste Schaltung mit einem in Abhängigkeit des Grobanteils einstellbaren ersten Pulsweitenmodulator (BUFi) , auf den eine Referenzspannung (Vref) geführt ist, mit nachgeschaltetem Tiefpass (TPi) zur Erzeugung eines ersten Ana- logsignals (Vi) , das oberhalb des analogen Ausgangssignals (VOUT) liegt,- A first circuit with a variable depending on the coarse fraction of the first pulse width modulator (BUFi) to which a reference voltage (V re f) is performed, with downstream low pass (TPi) for generating a first analog signal (Vi), the above the analog Output signal (VOUT) is
- eine zweite Schaltung mit einem in Abhängigkeit des Grobanteils einstellbaren zweiten Pulsweitenmodulator (BUF2) , auf den die Referenzspannung (Vref) geführt ist, mit nachge- schaltetem Tiefpass (TP2) zur Erzeugung eines zweiten Analogsignals (V2) , das unterhalb des analogen Ausgangssignals (VOUT) liegt,a second circuit having a second pulse width modulator (BUF2) which can be adjusted as a function of the coarse fraction and to which the reference voltage (V re f) is connected, with a downstream low pass filter (TP2) for generating a second analog signal (V 2 ) which is below the analog output signal (VOUT),
- eine dritte Schaltung mit einem in Abhängigkeit des Feinanteils einstellbaren dritten Pulsweitenmodulator (SWi) auf den das erste Analogsignal (Vi) und das zweite Analogsignal (V2) geführt sind und wobei der obere Pegel des Ausgangssignals des dritten Pulsweitenmodulators (SWi) dem ersten Analogsignal (Vi) und der untere Pegel des Ausgangssignals des dritten Pulsweitenmodulators (SWi) dem zweiten Analog- signal (V2) entspricht und dem dritten Pulsweitenmodulator (SWi) ein Tiefpass (TP3) zur Erzeugung des analogen Ausgangssignals (VOUT) nachgeschaltet ist.a third circuit having a third pulse width modulator (SWi) which can be set as a function of the fine fraction and to which the first analog signal (Vi) and the second analog signal (V 2 ) are fed, and wherein the upper level of the output signal of the third pulse width modulator (SWi) is the first analog signal (Vi) and the lower level of the output signal of the third pulse width modulator (SWi) corresponds to the second analog signal (V 2 ) and the third pulse width modulator (SWi) is followed by a low pass (TP 3 ) for generating the analog output signal (V OU T) ,
2. Feldgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Aufteilung des Digitalwerts ein Mikro- controller (μC) ist, durch welchen Zeitsignale (PWMi, PWM2, PWM3) zur Steuerung der Pulsweitenmodulatoren (BUFi, BUF2, SWi) erzeugbar sind. 2. Field device according to claim 1, characterized in that the means for dividing the digital value is a microcontroller (μC), by which time signals (PWMi, PWM 2 , PWM 3 ) for controlling the pulse width modulators (BUFi, BUF 2 , SWi) can be generated.
3. Feldgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefpässe (TPi, TP2, TP3) mit passiven Bauelementen realisiert sind derart, dass der Eingangswiderstand der Tief- passe groß ist im Vergleich zum Ausgangswiderstand der Pulsweitenmodulatoren (BUFi, BUF2, SWi) .3. Field device according to claim 1 or 2, characterized in that the low-pass filters (TPi, TP 2 , TP 3 ) are realized with passive components such that the input resistance of the low-pass is large compared to the output resistance of the pulse width modulators (BUFi, BUF 2 , SWi).
4. Feldgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Aufteilung des Digi- talwerts derart ausgebildet ist, dass der digitale Grobanteil im Wesentlichen den höchstwertigen Bits und der digitale Feinanteil im Wesentlichen den niedrigstwertigen Bits des Digitalwerts entspricht, wobei ihre Anzahl etwa gleich ist, und dass die Erzeugung des Grobanteils eine Hysterese aufweist. 4. Field device according to one of the preceding claims, characterized in that the means for dividing the digital tallyvalue is formed such that the digital coarse fraction substantially corresponds to the most significant bits and the digital fines substantially the least significant bits of the digital value, wherein their number is about the same, and that the generation of the coarse fraction has a hysteresis.
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