WO2014095474A1 - Field device with an analogue output - Google Patents

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WO2014095474A1
WO2014095474A1 PCT/EP2013/076019 EP2013076019W WO2014095474A1 WO 2014095474 A1 WO2014095474 A1 WO 2014095474A1 EP 2013076019 W EP2013076019 W EP 2013076019W WO 2014095474 A1 WO2014095474 A1 WO 2014095474A1
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digital
pulse
analog
digital value
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Inventor
Patrick Balle
Eric Chemisky
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • GPHYSICS
    • 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
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/66Digital/analogue converters
    • H03M1/661Improving the reconstruction of the analogue output signal beyond the resolution of the digital input signal, e.g. by interpolation, by curve-fitting, by smoothing

Definitions

  • 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.
  • a transmitter for process instrumentation with a 4-20 mA interface as an analog output, according to the preamble of claim 1.
  • the process instrumentation transmitter with 4-20 mA interface are versatile to Measurement of physical or chemical quantities, for example, a pressure, a temperature or a pH used. These usually have a sensor whose sensor signal is 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, here an output current in the range of 4-20 mA, and transmitted via a two-wire line to an evaluation device, such as a programmable logic controller in an automation network.
  • 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.
  • digital / analog converters with different modes of operation are known.
  • digital / analog converter with R2R network available.
  • a disadvantage of these components are the associated costs and also their high power consumption. This can be a significant disadvantage, especially for field devices that are supplied with their power required for operation via a 4-20 mA interface, since the available energy is very limited.
  • a field device with an analog output is known in which a microcontroller is used to generate a pulse width modulated signal, which is guided on a low-pass filter for signal smoothing.
  • the pulse-width-modulated signal is obtained by means of a timer integrated in the microcontroller and a buffer, on which a highly accurate reference voltage is guided for accurate level adjustment.
  • a compromise between the achievable dynamics and the setting accuracy of the analog signal must be concluded.
  • 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.
  • 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.
  • a stepwise digital / analog conversion is carried out with a first stage in which first two analog signals with a lower resolution are generated, which are above and below the desired analog output signal lie, and with a downstream, second stage, in which the two analog signals generated in the first stage are used as the level of another pulse width modulated signal whose pulse-pause ratio must be set only with an accuracy that compared to the coarse resolution corresponds to the first stage still to be achieved further resolution.
  • the microcontroller can now be clocked at a lower frequency, so that the power consumption of the microcontroller As a result, more energy is available for the actual measuring task of the transmitter and, for example, for diagnostic functions. This can increase the measurement accuracy and reliability of the transmitter.
  • the invention has for its object to further improve the dynamics of an analog output for a field device with relatively little overhead.
  • the new field device of the type mentioned in the characterizing part of claim 1 features.
  • advantageous developments of the invention are described.
  • the invention is based on the finding that the dynamics of a high-resolution digital-to-analog converter can be increased in a particularly simple manner if, at times of otherwise insufficient dynamics, namely the occurrence of sudden changes in the analog signal to be converted Digital value, by applying a pulse to the output of a low-pass filter used for smoothing in the digital / analog converter, the change tracking is accelerated.
  • the PulsaufSclien In normal operation, that is, when no jumps in the measured value and thus the digital value occur in the stationary case, however, the PulsaufSclien is disabled so that it does not distort the output of the high-precision converter.
  • the invention thus has the advantage that the accuracy of the analog output signal can be maintained, but at the same time the reaction time is significantly increased at sudden changes.
  • highly accurate digital / analog converters of any type can be combined with the pulse-on circuit to increase the dynamics of the high-precision digital / analog converter.
  • a microcontroller for detecting a sudden change in the digital value is provided.
  • the same microcontroller generates a pulse-width-modulated signal as a function of the high-resolution digital value, which in a subsequent Switched RC second-order low-pass filter is smoothed. Furthermore, the microcontroller delivers the pulse for rapid change tracking on a tristate output.
  • Tristate output is activated for the predetermined period of the pulse immediately after the detection of sudden changes in the digital value and switched back into the high-impedance state after their expiration.
  • the charge state of a capacitor in an RC low-pass connected downstream of the tristate output is therefore changed only after the occurrence of discontinuous changes of the digital value by the pulse signal. Since both the first RC low-pass and the second at their output each have a capacitor and the two outputs of the low-pass filters are connected, there is a parallel connection of the two capacitors and it can be used to further reduce the manufacturing cost of the digital / analog converter the two capacitors are omitted.
  • a significant improvement in the dynamics is achieved even with different, strongly divergent jump heights of the detected changes in the digital value, if the respective duration of the pulse is predetermined in dependence of the respectively determined jump height.
  • the time duration is advantageously predetermined in such a way that after renewed deactivation of the tristate output, the signal level at the analog output corresponds at least approximately to the digital value. This can be done, for example, by calculating an analytical function which describes the relationship between detected jump height and suitable time duration, or by means of a characteristic curve or a characteristic field.
  • microcontroller Since a microcontroller is present in most field devices anyway, a particularly simple realization of the high-precision digital / analog converter with improved dynamics can be achieved if the microcontroller detects a sudden change in the digital value due to suitable programming, depending on the respective step.
  • height determines a suitably predetermined period of time for activating the tristate output of the pulse timer, using two integrated timer generates the pulse width modulated signal and the pulse for rapid change tracking and the
  • Tristate output of the second timer which provides the pulse, activated for the determined period of time after the detection of a step change.
  • Figure 2 is a functional block diagram for explaining the
  • 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.
  • the measurement signal 3 is amplified and digitized.
  • the thus preprocessed measurement signal is fed to a microcontroller 5, which makes, for example, a compensation of non-linearities and temperature influences and calculates the measured value to be output.
  • the digital measured value ascertained by the microcontroller 5 is converted into an analog output signal which is transmitted via a 4-20 mA interface 7 for further use in a process plant in which the measuring transducer 1 is used. is issued.
  • the block diagram according to FIG. 2 shows the essential functional components which are connected to the digital / analogue Implementation are involved.
  • the digital value D is fed to a digital / analog converter whose essential components form a first timer 21 and a first RC low-pass filter 22.
  • a pulse width modulated signal Ul is generated in a known manner, the frequency of which is 16 hertz, for example, due to the high resolution and the clock frequency of the microcontroller 20.
  • the pulse-width-modulated signal U1 is smoothed and, in the stationary case, an analog output signal U0 is generated at the output, which is characterized by high accuracy due to the high resolution of the digital / analogue converter.
  • the first RC low-pass filter 22 consists of two first-order delay elements 23 and 24.
  • means for connecting a pulse to the output of the first RC low-pass filter 22 are additionally present essential components are a second timer 25 and a downstream, second RC low pass 26.
  • the second RC low-pass filter 26 consists in the embodiment shown only of a first-order delay element.
  • the first RC low-pass filter 22, like the second RC low-pass filter 26, has a capacitor at its output. Both capacitors are in a real circuit to reduce the
  • the analog output signal U0 is used to implement a 4-20 mA
  • Interface as an analog output of a field device, for example, as an analog voltage with a voltage level corresponding to the digital value on the basis of a field effect transistor. tor, which serves in a known manner for adjusting the loop current on the 4-20 mA interface.
  • any converter principles can be used.
  • the already known from the aforementioned DE 10 2007 046 560 AI known converter is used, which is characterized by high accuracy with already comparatively good dynamics.
  • the coarse fraction determined there can then be used simultaneously as a digital coarse part G for the second timer 25.
  • the second timer 25 has a tristate output 27, which in the stationary case, that is to say when no jumps of the digital value D occur which significantly exceed the resolution of the digital coarse part G, is switched to high-resistance state by programming the microcontroller 20.
  • the second timer does not have a tristate output
  • the tristate output can be implemented in a simple manner by means of a tristate buffer connected downstream of the second timer.
  • the stationary case in which the tristate output 27 of the second timer 25 is switched to high-impedance state.
  • the stepwise change of the digital value D from the initial voltage ul to the final voltage u2 is detected and, in order to achieve a rapid response to the change, the pulse lock is activated by activating the tristate output 27 and one of the End voltage u2 corresponding pulse signal U2 is generated with a high level on, for example, a reference voltage.
  • a possibly existing tristate output of the first timer 21 still remains in the active state, so that the pulse width modulated signal U1 is also generated corresponding to the new digital value for the final voltage u2.
  • the time period Atl is predetermined in such a way that, after its expiry, the signal level at the analog output corresponds approximately to the final voltage u2 and thus to the new digital value.
  • the microcontroller 20 calculates the time period Atl as a function of the respective jump height and in dependence on the position of the initial voltage ul and / or the final voltage u2 in such a way that the level accuracy reached at the time of the deactivation of the tristate output 27 is already approximately equal to the resolution of the digital coarse fraction G. of the digital value D corresponds.
  • the steady state case again sets in, in which the signal level at the analogue output is determined solely by the digital / analogue converter 21, 22.
  • the sequence controlled by the microcontroller 20 upon detection of a sudden change in the negative direction at the time t2 largely corresponds to that of the positive jump at the time t1. Only the time duration At2 and the level of the pulse signal U2, which is now switched to low level, for example GND, differ, since they correspond here to the sudden change from the voltage u2 to the voltage ul to be readjusted.
  • the invention was exemplified with a digital / analog converter, which based on
  • Pulse width modulation works. However, it is equally applicable to other types of converters. Depending on the requirements, in addition to the described embodiment, in which the digital coarse fraction G has half the bit width of the digital value D, any other bit width ratios can be selected.

Abstract

The invention relates to a field device with an analogue output, particularly a measuring transducer (1) used for process instrumentation with a 4-20 mA interface as an analogue output (7). In the steady-state, a highly precise digital/analogue converter (21, 22) sets only a signal level smoothed by a first RC lowpass filter (22) at the analogue output on the basis of a digital value (D). If an abrupt change in the digital value (D) occurs, a pulse is additionally applied to the output of the first RC lowpass filter (22). The application (25, 26) of the pulse is again deactivated after the level is provided. Thus a digital/analogue converter that provides an analogue output signal with high resolution and improved dynamics is made available with relatively low production costs.

Description

Beschreibung description
Feldgerät mit einem Analogausgang 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. 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, eingesetzt. Diese weisen üblicherweise einen Sensor auf, dessen Sensorsignal verstärkt, digi- talisiert und anschließend in einem MikroController ausgewertet und bezüglich Linearität und Temperaturverhalten korrigiert wird. Das so aufbereitete Sensorsignal wird in einer Ausgangsschaltung mit einem Digital/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. 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. In the process instrumentation transmitter with 4-20 mA interface are versatile to Measurement of physical or chemical quantities, for example, a pressure, a temperature or a pH used. These usually have a sensor whose sensor signal is 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, here an output current in the range of 4-20 mA, and transmitted via a two-wire line to an evaluation device, such as a programmable logic controller in an automation network.
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 Digital/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. Aus der DE 10 2007 046 560 AI ist ein Feldgerät mit einem Analogausgang bekannt, in welchem ein MikroController zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Signals verwendet wird, welches auf ein Tiefpassfilter zur Signalglättung geführt ist. Das pulsweitenmodulierte Signal wird mittels eines in den MikroController integrierten Timers und eines Buffers erhalten, auf welchen zur genauen Pegeleinstellung eine hochgenaue Referenzspannung geführt ist. Dabei tritt jedoch das Problem auf, dass ein Kompromiss zwischen der erreichbaren Dynamik und der Einstellgenauigkeit des Analogsignals geschlossen werden muss. Die Frequenz des pulsweitenmodulierten Signals, die sich direkt auf die Dynamik auswirkt, ergibt sich nämlich aus der Bitauflösung der Digital/Analog-Umset- zung und der Taktfrequenz des MikroControllers und ist pro- portional 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. Um dennoch ein analoges Ausgangssignal mit feiner Auflösung und hoher Dynamik zu erzeugen, wird eine stufenweise Digital/Analog-Umsetzung vorgenommen mit einer ersten Stufe, in welcher zunächst zwei Ana- logsignale mit geringerer Auflösung erzeugt werden, die ober- und unterhalb des gewünschten analogen Ausgangssignals liegen, und mit einer nachgeschalteten, zweiten Stufe, in welcher die beiden in der ersten Stufe erzeugten Analogsignale als Pegel eines weiteren pulsweitenmodulierten Signals ge- nutzt werden, dessen Puls-Pausen-Verhältnis lediglich mit einer Genauigkeit eingestellt werden muss, die der gegenüber der Grobauflösung der ersten Stufe noch zu erzielenden weiteren Auflösung entspricht. Da jede Stufe einen Teil der Auflösung übernimmt, ist bei 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 der Energieverbrauch des MikroControllers sinkt und infolgedessen mehr Energie für die eigentliche Messaufgabe des Messumformers und beispielsweise für Diagnosefunktionen zur Verfügung steht. Dadurch können Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit des Messumformers gesteigert werden. To generate the analog output signal, digital / analog converters with different modes of operation are known. For example, implemented as integrated components digital / analog converter with R2R network available. A disadvantage of these components, however, are the associated costs and also their high power consumption. This can be a significant disadvantage, especially for field devices that are supplied with their power required for operation via a 4-20 mA interface, since the available energy is very limited. From DE 10 2007 046 560 AI a field device with an analog output is known in which a microcontroller is used to generate a pulse width modulated signal, which is guided on a low-pass filter for signal smoothing. The pulse-width-modulated signal is obtained by means of a timer integrated in the microcontroller and a buffer, on which a highly accurate reference voltage is guided for accurate level adjustment. However, the problem arises that a compromise between the achievable dynamics and the setting accuracy of the analog signal must be concluded. 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. In order nevertheless to produce an analog output signal with fine resolution and high dynamics, a stepwise digital / analog conversion is carried out with a first stage in which first two analog signals with a lower resolution are generated, which are above and below the desired analog output signal lie, and with a downstream, second stage, in which the two analog signals generated in the first stage are used as the level of another pulse width modulated signal whose pulse-pause ratio must be set only with an accuracy that compared to the coarse resolution corresponds to the first stage still to be achieved further resolution. Since each stage takes over a part of the resolution, when using a microcontroller to generate the time signals for the pulse width modulation at the same timing much higher dynamics can be achieved. On the other hand, to achieve a given dynamic, the microcontroller can now be clocked at a lower frequency, so that the power consumption of the microcontroller As a result, more energy is available for the actual measuring task of the transmitter and, for example, for diagnostic functions. This can increase the measurement accuracy and reliability of the transmitter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dynamik eines Analogausgangs für ein Feldgerät mit vergleichsweise geringem Zusatzaufwand weiter zu verbessern. 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. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Dynamik eines hochauflösenden Digital/Analog-Umsetzers in besonders einfacher Weise gesteigert werden kann, wenn zu den Zeiten ansonsten nicht ausreichender Dynamik, nämlich bei Auftreten von sprunghaften Änderungen des in ein Analog-Signal zu wan- delnden Digitalwerts, durch Aufschalten eines Pulses auf den Ausgang eines Tiefpasses, der zur Glättung im Digital/Analog- Umsetzer eingesetzt ist, die Änderungsnachführung beschleunigt wird. Im Normalbetrieb, das heißt wenn im stationären Fall keine Sprünge des Messwerts und damit des Digitalwerts auftreten, wird dagegen die PulsaufSchaltung deaktiviert, damit diese das Ausgangssignal des hochgenauen Umsetzers nicht verfälscht. Die Erfindung hat damit den Vorteil, dass die Genauigkeit des analogen Ausgangssignals beibehalten werden kann, aber zugleich die Reaktionszeit bei sprungförmigen Änderungen deutlich erhöht wird. Zudem können in vorteilhafter Weise hochgenaue Digital/Analog-Umsetzer beliebigen Typs mit der PulsaufSchaltung zur Steigerung der Dynamik des hochgenauen Digital/Analog-Umsetzers kombiniert werden. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein MikroController zur Detektion einer sprungförmigen Änderung des Digitalwerts vorgesehen. Derselbe Mikrocontrol - ler erzeugt in Abhängigkeit des Digitalwerts hoher Auflösung ein pulsweitenmoduliertes Signal, welches in einem nachge- schalteten RC-Tiefpass zweiter Ordnung geglättet wird. Weiterhin liefert der MikroController den Puls zur schnellen Änderungsnachführung auf einem Tristate-Ausgang . Dieser The invention has for its object to further improve the dynamics of an analog output for a field device with relatively little overhead. 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. The invention is based on the finding that the dynamics of a high-resolution digital-to-analog converter can be increased in a particularly simple manner if, at times of otherwise insufficient dynamics, namely the occurrence of sudden changes in the analog signal to be converted Digital value, by applying a pulse to the output of a low-pass filter used for smoothing in the digital / analog converter, the change tracking is accelerated. In normal operation, that is, when no jumps in the measured value and thus the digital value occur in the stationary case, however, the PulsaufSchaltung is disabled so that it does not distort the output of the high-precision converter. The invention thus has the advantage that the accuracy of the analog output signal can be maintained, but at the same time the reaction time is significantly increased at sudden changes. In addition, advantageously, highly accurate digital / analog converters of any type can be combined with the pulse-on circuit to increase the dynamics of the high-precision digital / analog converter. In a particularly advantageous embodiment of the invention, a microcontroller for detecting a sudden change in the digital value is provided. The same microcontroller generates a pulse-width-modulated signal as a function of the high-resolution digital value, which in a subsequent Switched RC second-order low-pass filter is smoothed. Furthermore, the microcontroller delivers the pulse for rapid change tracking on a tristate output. This
Tristate-Ausgang wird für die vorbestimmte Zeitdauer des Pul- ses unmittelbar nach der Detektion sprungförmiger Änderungen des Digitalwerts aktiviert und nach deren Ablauf wieder in den hochohmigen Zustand geschaltet. Der Ladungszustand eines Kondensators in einem dem Tristate-Ausgang nachgeschalteten RC-Tiefpass wird daher nur nach Auftreten sprungförmiger Än- derungen des Digitalwerts durch das Pulssignal verändert. Da sowohl der erste RC-Tiefpass als auch der zweite an ihrem Ausgang jeweils einen Kondensator aufweisen und die beiden Ausgänge der Tiefpässe miteinander verbunden sind, liegt eine Parallelschaltung der beiden Kondensatoren vor und es kann zur weiteren Verringerung der Herstellungskosten des Digital/Analog-Umsetzers einer der beiden Kondensatoren weggelassen werden. Tristate output is activated for the predetermined period of the pulse immediately after the detection of sudden changes in the digital value and switched back into the high-impedance state after their expiration. The charge state of a capacitor in an RC low-pass connected downstream of the tristate output is therefore changed only after the occurrence of discontinuous changes of the digital value by the pulse signal. Since both the first RC low-pass and the second at their output each have a capacitor and the two outputs of the low-pass filters are connected, there is a parallel connection of the two capacitors and it can be used to further reduce the manufacturing cost of the digital / analog converter the two capacitors are omitted.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine deutliche Verbesserung der Dynamik auch bei verschiedenen, stark voneinander abweichenden Sprunghöhen der detektierten Veränderungen des Digitalwerts erreicht, wenn die jeweilige Zeitdauer des Pulses in Abhängigkeit der jeweils ermittelten Sprunghöhe vorbestimmt ist. In Kenntnis der Dynamik des Digital/Analog-Umsetzer ist die Zeitdauer vorteilhaft derart vorbestimmt, dass nach erneuter Deaktivierung des Tristate-Ausgangs der Signalpegel am Analogausgang zumindest näherungsweise dem Digitalwert entspricht. Dies kann beispielsweise durch Berechnung einer analytischen Funktion, welche den Zusammenhang zwischen detektierter Sprunghöhe und geeigneter Zeitdauer beschreibt, oder anhand einer Kennlinie oder eines Kennlinienfeldes erfolgen. In a further advantageous embodiment of the invention, a significant improvement in the dynamics is achieved even with different, strongly divergent jump heights of the detected changes in the digital value, if the respective duration of the pulse is predetermined in dependence of the respectively determined jump height. With knowledge of the dynamics of the digital / analog converter, the time duration is advantageously predetermined in such a way that after renewed deactivation of the tristate output, the signal level at the analog output corresponds at least approximately to the digital value. This can be done, for example, by calculating an analytical function which describes the relationship between detected jump height and suitable time duration, or by means of a characteristic curve or a characteristic field.
Da ein MikroController in den meisten Feldgeräten ohnehin vorhanden ist, kann eine besonders einfache Realisierung des hochgenauen Digital/Analog-Umsetzers mit verbesserter Dynamik erreicht werden, wenn der MikroController aufgrund einer geeigneten Programmierung eine sprungförmige Änderung des Digitalwerts detektiert, in Abhängigkeit der jeweiligen Sprung- höhe eine geeignet vorbestimmte Zeitdauer zur Aktivierung des Tristate-Ausgangs des Pulstimers ermittelt, mit Hilfe zweier integrierter Timer das pulsweitenmodulierte Signal sowie den Puls zur schnellen Änderungsnachführung erzeugt und den Since a microcontroller is present in most field devices anyway, a particularly simple realization of the high-precision digital / analog converter with improved dynamics can be achieved if the microcontroller detects a sudden change in the digital value due to suitable programming, depending on the respective step. height determines a suitably predetermined period of time for activating the tristate output of the pulse timer, using two integrated timer generates the pulse width modulated signal and the pulse for rapid change tracking and the
Tristate-Ausgang des zweiten Timers, welcher den Puls liefert, für die ermittelte Zeitdauer nach der Detektion einer sprungförmigen Änderung aktiviert. Tristate output of the second timer, which provides the pulse, activated for the determined period of time after the detection of a step change.
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: Figur 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Messumformers, 1 shows a basic structure of a transmitter,
Figur 2 ein Funktionsblockschaltbild zur Erläuterung der Figure 2 is a functional block diagram for explaining the
Digital/Analog-Umsetzung und Figur 3 Zeitdiagramme zur Erläuterung deren Funktionsprinzips .  Digital / analog conversion and Figure 3 timing diagrams to explain their principle of operation.
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 Tem- peratureinflüssen vornimmt und den auszugebenden Messwert berechnet. In einem Digital/Analog-Umsetzer 6 wird der vom Mik- rocontroller 5 ermittelte digitale Messwert in ein analoges 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 . According 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 fed to a microcontroller 5, which makes, for example, 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 by the microcontroller 5 is converted into an analog output signal which is transmitted via a 4-20 mA interface 7 for further use in a process plant in which the measuring transducer 1 is used. is issued.
In dem Blockschaltbild gemäß Figur 2 sind die wesentlichen Funktionskomponenten dargestellt, die an der Digital/Analog- Umsetzung beteiligt sind. Ein MikroController 20, in welchem der zu wandelnde Digitalwert D mit einer Auflösung von beispielsweise 16 Bit berechnet wurde, ermittelt aus dem Digitalwert D zusätzlich einen Grobanteil G, der beispielsweise den höherwertigen 8 Bit des Digitalwerts D entspricht. Der Digitalwert D ist einem Digital/Analog-Umsetzer zugeführt, dessen wesentliche Komponenten ein erster Timer 21 und ein erster RC-Tiefpass 22 bilden. Mittels des Timers 21 wird in bekannter Weise ein pulsweitenmoduliertes Signal Ul erzeugt, dessen Frequenz aufgrund der hohen Auflösung und der Taktfrequenz des MikroControllers 20 beispielsweise 16 Hertz beträgt. In dem nachgeschalteten ersten RC-Tiefpass 22 wird das pulsweitenmodulierte Signal Ul geglättet und im stationären Fall am Ausgang ein analoges Ausgangssignal U0 erzeugt, wel- ches sich aufgrund der hohen Auflösung des Digital/Analog- Umsetzers durch eine hohe Genauigkeit auszeichnet. Um eine gute Glättungswirkung zu erhalten, besteht der erste RC- Tiefpass 22 aus zwei Verzögerungsgliedern 23 und 24 erster Ordnung . The block diagram according to FIG. 2 shows the essential functional components which are connected to the digital / analogue Implementation are involved. A microcontroller 20, in which the digital value D to be converted has been calculated with a resolution of, for example, 16 bits, additionally determines from the digital value D a coarse fraction G corresponding, for example, to the more significant 8 bits of the digital value D. The digital value D is fed to a digital / analog converter whose essential components form a first timer 21 and a first RC low-pass filter 22. By means of the timer 21, a pulse width modulated signal Ul is generated in a known manner, the frequency of which is 16 hertz, for example, due to the high resolution and the clock frequency of the microcontroller 20. In the downstream first RC low-pass filter 22, the pulse-width-modulated signal U1 is smoothed and, in the stationary case, an analog output signal U0 is generated at the output, which is characterized by high accuracy due to the high resolution of the digital / analogue converter. In order to obtain a good smoothing effect, the first RC low-pass filter 22 consists of two first-order delay elements 23 and 24.
Da die Dynamik des Digital/Analog-Umsetzers ohne weitere Maßnahmen noch vergleichsweise gering ist, das heißt, da er vergleichsweise langsam auf Veränderungen des Digitalwerts D reagiert, sind zusätzlich Mittel zur Aufschaltung eines Pulses auf den Ausgang des ersten RC-Tiefpasses 22 vorhanden, deren wesentliche Komponenten ein zweiter Timer 25 und ein diesem nachgeschalteter, zweiter RC-Tiefpass 26 sind. Der zweite RC- Tiefpass 26 besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich aus einem Verzögerungsglied erster Ordnung. Der erste RC-Tiefpass 22 hat ebenso wie der zweite RC-Tiefpass 26 an seinem Ausgang einen Kondensator. Beide Kondensatoren sind in einer realen Schaltung zur Verringerung des Since the dynamics of the digital / analog converter is still relatively low without further measures, that is, since it reacts comparatively slowly to changes in the digital value D, means for connecting a pulse to the output of the first RC low-pass filter 22 are additionally present essential components are a second timer 25 and a downstream, second RC low pass 26. The second RC low-pass filter 26 consists in the embodiment shown only of a first-order delay element. The first RC low-pass filter 22, like the second RC low-pass filter 26, has a capacitor at its output. Both capacitors are in a real circuit to reduce the
Bauelementeaufwands zu einem Glättungskondensator für das analoge Ausgangssignal U0 zusammengefasst . Das analoge Aus- gangssignal U0 wird zur Realisierung einer 4-20 mA-Component overhead to a smoothing capacitor for the analog output signal U0 summarized. The analog output signal U0 is used to implement a 4-20 mA
Schnittstelle als Analogausgang eines Feldgeräts beispielsweise als Analogspannung mit einem dem Digitalwert entsprechenden Spannungspegel auf die Basis eines Feldeffekttransis- tors geführt, der in bekannter Weise zur Einstellung des Schleifenstroms auf der 4-20 mA-Schnittstelle dient. Interface as an analog output of a field device, for example, as an analog voltage with a voltage level corresponding to the digital value on the basis of a field effect transistor. tor, which serves in a known manner for adjusting the loop current on the 4-20 mA interface.
Zur Realisierung des hochauflösenden Digital/Analog-Umsetzers mit dem ersten RC-Tiefpass 22 an seinem Ausgang können prinzipiell beliebige Wandlerprinzipien zum Einsatz kommen. Vorzugsweise wird jedoch der bereits aus der eingangs genannten DE 10 2007 046 560 AI bekannte Umsetzer verwendet, der sich durch hohe Genauigkeit bei bereits vergleichsweise guter Dy- namik auszeichnet. Der dort ermittelte Grobanteil kann dann gleichzeitig als digitaler Grobanteil G für den zweiten Timer 25 genutzt werden. Der zweite Timer 25 verfügt über einen Tristate-Ausgang 27, der im stationären Fall, das heißt wenn keine Sprünge des Digitalwerts D auftreten, welche die Auflö- sung des digitalen Grobanteils G deutlich übersteigen, durch Programmierung des Mikrocontrollers 20 in hochohmigen Zustand geschaltet ist. Dadurch wird verhindert, dass die ergänzten Mittel zur PulsaufSchaltung im stationären Fall die Genauigkeit des hochgenauen Digital/Analog-Umsetzers beeinträchti - gen. Die statische Genauigkeit des Digital/Analog-Umsetzers bleibt damit erhalten. Falls der zweite Timer abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel über keinen Tristate- Ausgang verfügt, kann der Tristate-Ausgang in einfacher Weise durch einen dem zweiten Timer nachgeschalteten Tristate- Buffer realisiert werden. To implement the high-resolution digital / analog converter with the first RC low-pass filter 22 at its output, in principle any converter principles can be used. Preferably, however, the already known from the aforementioned DE 10 2007 046 560 AI known converter is used, which is characterized by high accuracy with already comparatively good dynamics. The coarse fraction determined there can then be used simultaneously as a digital coarse part G for the second timer 25. The second timer 25 has a tristate output 27, which in the stationary case, that is to say when no jumps of the digital value D occur which significantly exceed the resolution of the digital coarse part G, is switched to high-resistance state by programming the microcontroller 20. This prevents the supplemented means for pulse switching in the stationary case from impairing the accuracy of the high-precision digital / analog converter. The static accuracy of the digital / analog converter thus remains the same. If, unlike the illustrated embodiment, the second timer does not have a tristate output, the tristate output can be implemented in a simple manner by means of a tristate buffer connected downstream of the second timer.
Tritt nun eine sprungförmige Änderung des Digitalwerts D auf, so wird dies durch geeignete Programmierung des Mikrocontrollers 20 detektiert und der Tristate-Ausgang 27 des zweiten Timers 25 für eine vorbestimmte Zeitdauer unmittelbar nach Detektion des Sprungs in aktiven Zustand geschaltet. If a sudden change of the digital value D occurs, this is detected by suitable programming of the microcontroller 20 and the tristate output 27 of the second timer 25 is switched to the active state for a predetermined period of time immediately after the jump has been detected.
Im Zeitdiagramm gemäß Figur 3, in welchem das Pulssignal U2 , das Signal U0 am Analogausgang und ein fiktives analoges Aus- gangssignal U0 ' über der Zeit t dargestellt sind, geschieht dies für eine Zeitdauer Atl nach der Detektion einer sprung- förmigen Änderung des Digitalwerts D zu einem Zeitpunkt tl sowie für eine Zeitdauer At2 nach der Detektion eines negativen Sprungs des Digitalwerts D zu einem Zeitpunkt t2. Die Höhe der beiden Sprünge von einer AusgangsSpannung ul zu einer Endspannung u2 bzw. umgekehrt ist identisch. In the timing diagram according to FIG. 3, in which the pulse signal U2, the signal U0 at the analogue output and a fictitious analogue output signal U0 'are shown over the time t, this happens for a period of time Atl after the detection of a sudden change in the digital value D. at a time t1 and for a period of time At2 after the detection of a negative jump of the digital value D at a time t2. The Height of the two jumps from an output voltage ul to a final voltage u2 or vice versa is identical.
Da die Ablaufsteuerung durch den Mikrocontroller 20 nach bei- den Sprüngen weitgehend gleich ist, genügt es, im Folgenden lediglich den Ablauf für den ersten Sprung zum Zeitpunkt tl anhand der Figuren 2 und 3 zu erläutern: Since the sequence control by the microcontroller 20 is largely the same after both jumps, it suffices to explain in the following only the sequence for the first jump at the time t 1 on the basis of FIGS. 2 and 3:
Bis zum Zeitpunkt tl liegt der stationäre Fall vor, in welchem der Tristate-Ausgang 27 des zweiten Timers 25 in hochoh- migen Zustand geschaltet ist. Zum Zeitpunkt tl wird die sprungförmige Änderung des Digitalwerts D von der Anfangs- Spannung ul auf die Endspannung u2 detektiert und, um eine schnelle Reaktion auf die Änderung zu erreichen, die Pulsaufschaltung aktiviert, indem der Tristate-Ausgang 27 aktiv ge- schaltet und ein der Endspannung u2 entsprechendes Pulssignal U2 mit einem High-Pegel auf beispielsweise einer Referenzspannung erzeugt wird. Dabei verbleibt ein evtl. vorhandener Tristate-Ausgang des ersten Timers 21 weiterhin im aktiven Zustand, so dass auch das pulsweitenmodulierte Signal Ul ent- sprechend dem neuen Digitalwert für die Endspannung u2 erzeugt wird. Abweichend davon wäre es jedoch auch möglich, für die vorbestimmte Zeitdauer Atl der Aktivierung der Pulsaufschaltung den Digital/Analog-Umsetzer 21, 22 zu deaktivieren, falls die Auslegung des nachgeschalteten Tiefpasses 22 da- durch keine unzulässige Verzögerung bei der Einstellung des Signalpegels am Analogausgang verursacht. Die nun zusätzlich mit der PulsaufSchaltung erfolgende Einstellung des Pegels des Signals U0 am Analogausgang auf die Endspannung u2 reagiert wegen deren hoher Dynamik sehr schnell auf die Änderung des Digitalwerts D zum Zeitpunkt tl . Dies ist an der steilen Flanke im Verlauf des Signals U0 in Figur 3 nach dem Zeitpunkt tl erkennbar. Für einen qualitativen Vergleich mit einer herkömmlichen Ausführung eines Digital/Analog-Umsetzers ist in Figur 3 zusätzlich mit durchbrochenen Linien ein Ver- lauf eines analogen Ausgangssignals U0' eingezeichnet, der sich einstellen würde, wenn der Signalpegel am Analogausgang nicht nur im stationären Fall sondern auch bei Auftreten von Sprüngen des Digitalwerts alleine in Abhängigkeit des Digi- tal/Analog-Umsetzers 21, 22 eingestellt würde, der hochgenau jedoch mit vergleichsweise geringer Dynamik arbeitet. Until the time t1, the stationary case is present, in which the tristate output 27 of the second timer 25 is switched to high-impedance state. At time t1, the stepwise change of the digital value D from the initial voltage ul to the final voltage u2 is detected and, in order to achieve a rapid response to the change, the pulse lock is activated by activating the tristate output 27 and one of the End voltage u2 corresponding pulse signal U2 is generated with a high level on, for example, a reference voltage. In this case, a possibly existing tristate output of the first timer 21 still remains in the active state, so that the pulse width modulated signal U1 is also generated corresponding to the new digital value for the final voltage u2. Deviating from this, however, it would also be possible to deactivate the digital / analog converter 21, 22 for the predetermined period of time Atl of activation of the pulse input, if the design of the downstream low-pass filter 22 does not cause an inadmissible delay in the setting of the signal level at the analog output , The adjustment of the level of the signal U0 at the analogue output to the final voltage u2, which now additionally takes place with the pulse-up circuit, reacts very quickly to the change of the digital value D at the time t1 because of its high dynamics. This can be seen on the steep flank in the course of the signal U0 in Figure 3 after the time tl. For a qualitative comparison with a conventional embodiment of a digital / analog converter, in FIG. 3, broken lines additionally show an output of an analogue output signal U0 ', which would be set if the signal level at the analogue output not only in the stationary case but also in the event of jumps in the digital value solely as a function of the digital tal / analog converter 21, 22 would be set, which works with high accuracy but with relatively low dynamics.
Die Zeitdauer Atl ist derart vorbestimmt, dass nach ihrem Ab- lauf der Signalpegel am Analogausgang etwa der Endspannung u2 und damit dem neuen Digitalwert entspricht. Dazu berechnet der MikroController 20 die Zeitdauer Atl in Abhängigkeit der jeweiligen Sprunghöhe und in Abhängigkeit der Lage von Anfangsspannung ul und/oder Endspannung u2 derart, dass die zum Zeitpunkt der erneuten Deaktivierung des Tristate-Ausgangs 27 erreichte Pegelgenauigkeit schon etwa der Auflösung des digitalen Grobanteils G des Digitalwerts D entspricht. Nach Ablauf der Zeitdauer Atl stellt sich wieder der stationäre Fall ein, in dem der Signalpegel am Analogausgang alleine durch den Digital/Analog-Umsetzer 21, 22 bestimmt ist. The time period Atl is predetermined in such a way that, after its expiry, the signal level at the analog output corresponds approximately to the final voltage u2 and thus to the new digital value. For this purpose, the microcontroller 20 calculates the time period Atl as a function of the respective jump height and in dependence on the position of the initial voltage ul and / or the final voltage u2 in such a way that the level accuracy reached at the time of the deactivation of the tristate output 27 is already approximately equal to the resolution of the digital coarse fraction G. of the digital value D corresponds. After expiration of the period of time Atl, the steady state case again sets in, in which the signal level at the analogue output is determined solely by the digital / analogue converter 21, 22.
Der durch den MikroController 20 bei Detektion einer sprung- förmigen Änderung in negativer Richtung zum Zeitpunkt t2 gesteuerte Ablauf entspricht weitgehend demjenigen des positi- ven Sprungs zum Zeitpunkt tl . Lediglich die Zeitdauer At2 und der Pegel des Pulssignals U2 , das nun auf Low-Pegel, beispielsweise GND, geschaltet ist, unterscheiden sich, da diese hier der sprungförmigen Änderung von der Spannung u2 auf die neu einzustellenden Spannung ul entsprechen. The sequence controlled by the microcontroller 20 upon detection of a sudden change in the negative direction at the time t2 largely corresponds to that of the positive jump at the time t1. Only the time duration At2 and the level of the pulse signal U2, which is now switched to low level, for example GND, differ, since they correspond here to the sudden change from the voltage u2 to the voltage ul to be readjusted.
Erläutert wurde die Erfindung beispielhaft mit einem Digital/Analog-Umsetzer, welcher auf Basis von The invention was exemplified with a digital / analog converter, which based on
Pulsweitenmodulation arbeitet. Sie ist jedoch ebenso bei anderen Umsetzertypen anwendbar. Je nach Anforderungen können zudem abweichend von der beschriebenen Ausführung, in welcher der digitale Grobanteil G die halbe Bitbreite des Digitalwerts D besitzt, beliebige andere Bitbreitenverhältnisse gewählt werden.  Pulse width modulation works. However, it is equally applicable to other types of converters. Depending on the requirements, in addition to the described embodiment, in which the digital coarse fraction G has half the bit width of the digital value D, any other bit width ratios can be selected.

Claims

Patentansprüche claims
1. Feldgerät mit einem Analogausgang, insbesondere Messumformer (1) zur Prozessinstrumentierung mit einer 4-20 mA- Schnittstelle als Analogausgang, 1. Field device with an analog output, in particular transmitter (1) for process instrumentation with a 4-20 mA interface as analog output,
mit einem Digital/Analog-Umsetzer (21, 22), auf welchen ein Digitalwert (D) geführt ist und in dessen Abhängigkeit im stationären Fall ein durch einen ersten RC-Tiefpass (22) geglätteter Signalpegel am Analogausgang einstellbar ist, da- durch gekennzeichnet, with a digital / analog converter (21, 22), to which a digital value (D) is guided and in whose dependency, in the stationary case, a signal level smoothed by a first RC low-pass filter (22) is adjustable at the analog output, characterized .
dass Mittel (20) vorhanden sind zur Detektion einer sprung- förmigen Änderung des Digitalwerts (D) und Mittel (25, 26) zur Aufschaltung eines Pulses auf den Ausgang des ersten RC- Tiefpasses (22) zur schnellen Änderungsnachführung unmittel- bar nach einer Detektion einer sprungförmigen Änderung. in that means (20) are present for detecting a sudden change in the digital value (D) and means (25, 26) for applying a pulse to the output of the first RC low-pass filter (22) for rapid change tracking immediately after a detection a jump-like change.
2. Feldgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Detektion einer sprungförmigen Änderung ein MikroController (20) vorgesehen ist und 2. Field device according to claim 1, characterized in that a microcontroller (20) is provided as the means for detecting a step change and
dass als Mittel zur Aufschaltung des Pulses ein Timer (25) des MikroControllers (20) mit Tristate-Ausgang (27) vorgesehen ist, der derart angesteuert ist, dass er nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer (Atl, At2) in hochohmigen Zustand geschaltet wird und in that a timer (25) of the microcontroller (20) with tristate output (27) is provided as means for switching on the pulse, which is controlled in such a way that it is switched to high-resistance state after the predetermined time period (Atl, At2) has elapsed and
dass dem Ausgang (27) des Timers ein RC-Tiefpass (26) nachgeschaltet ist. that the output (27) of the timer, an RC low pass (26) is connected downstream.
3. Feldgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer (Atl, At2) des Pulses abhängig von der de- tektierten Sprunghöhe derart vorbestimmt ist, dass nach 3. Field device according to claim 2, characterized in that the time duration (Atl, At2) of the pulse depending on the detected jump height is predetermined in such a way that after
Schalten des Tristate-Ausgangs (27) in den hochohmigen Zustand der Signalpegel am Analogausgang zumindest näherungs- weise dem Digitalwert entspricht.  Switching the tristate output (27) in the high-impedance state of the signal level at the analog output at least approximately corresponds to the digital value.
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