用于處理模擬輸入信號的輸入電路和其操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種下面簡稱為輸入電路的模擬-數(shù)字變換電路，用于處理具有調(diào)制的附加信號的模擬測量信號形式的模擬輸入信號，特別涉及具有集成的對調(diào)制的附加信號、例如HART信號形式的附加信號的解調(diào)、由此具有集成的HART解調(diào)的這種輸入電路。
【背景技術(shù)】
[0002]這種輸入電路已經(jīng)公知，并且迄今具有許多測量轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行器，它們經(jīng)由4-20mA接口和經(jīng)由集成的HART接口連接到模擬檢測和輸出組件。由此產(chǎn)生這樣的需要:既借助模擬-數(shù)字變換將通過4-20mA電流傳輸?shù)膶嶋H的測量值數(shù)字化，還對調(diào)制到該電流上的HART信號進行解調(diào)并且接收由此傳輸?shù)碾妶蟆?br>[0003]圖1中的視圖示出了這種輸入電路。
[0004]可以看出，這種公知的輸入電路開銷比較大，因為它包括模擬-數(shù)字變換器、帶通濾波器和HART解調(diào)器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]從該現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供具有集成的HART解調(diào)的模擬輸入電路的另一種實施方式，特別是更簡單地構(gòu)造、由此能夠以更低的成本制造的這種輸入電路。本發(fā)明要解決的另一個技術(shù)問題是，提供一種用于操作這種模擬輸入電路的方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明，關(guān)于設(shè)備方面，上述技術(shù)問題通過具有本發(fā)明的特征的模擬輸入電路來解決。對此，在下面有時也僅簡稱為輸入電路的模擬輸入電路中，該模擬輸入電路被確定和設(shè)計用于處理具有調(diào)制的附加信號的模擬測量信號形式的模擬輸入信號，以及用于將輸入信號變換為串行的位流，該位流具有與輸入信號、由此也與測量信號成比例的高電平的頻率分布，設(shè)置為，所述輸入電路包括用于比較輸入信號的瞬時電壓值與可變的比較值的部件以及用于使比較值適應(yīng)所產(chǎn)生的位流的瞬時值的部件。
[0007]這樣的輸入電路的優(yōu)點在于，代替迄今為止需要的單元、即模擬-數(shù)字變換器、帶通濾波器和解調(diào)器、特別是HART解調(diào)器，其僅需要用于比較輸入信號的瞬時電壓值與可變的比較值的部件以及用于使比較值適應(yīng)所產(chǎn)生的位流的瞬時值的部件。
[0008]在輸入電路的一種特別的實施方式中，比較器用作用于比較輸入信號的相應(yīng)的瞬時電壓值與可變的比較值的部件。
[0009]在輸入電路的另一種特別的實施方式中，在其輸出端上輸出分別產(chǎn)生的位流的D觸發(fā)器和將該D觸發(fā)器的輸出端連接到比較器的輸入端中的一個的電阻，用作使比較值適應(yīng)所產(chǎn)生的位流的相應(yīng)的瞬時值的部件。
[0010]關(guān)于方法，根據(jù)本發(fā)明，上述技術(shù)問題通過本發(fā)明的并列的方法的特征來解決。對此，在用于操作在這里和下面說明的類型的輸入電路的方法中設(shè)置為，比較輸入信號的相應(yīng)的瞬時電壓值與由輸入電路提供的可變的比較值，使所述比較值適應(yīng)所產(chǎn)生的位流的瞬時值，并且將輸入信號與由該輸入信號包括的調(diào)制的附加信號一起變換為串行的位流，該位流具有與輸入信號成比例的高電平的頻率分布。
[0011]在輸入電路的一種特別的實施方式中，其中比較器用作用于比較輸入信號的相應(yīng)的瞬時電壓值與可變的比較值的部件，可以向比較器的第一輸入端供給輸入信號，其中，在該比較器的第二輸入上連接電容器，并且電容器上的電壓用作比較值，并且其中，輸入電路包括D觸發(fā)器和連接在該D觸發(fā)器的輸出端和電容器之間的電阻，作為用于使比較值適應(yīng)所產(chǎn)生的位流的瞬時值的部件。
[0012]電容器用作電荷存儲器，并且電容器上的電壓用作比較值。電容器的相應(yīng)的充電狀態(tài)、由此比較值經(jīng)由連接到D觸發(fā)器的輸出端的電阻而依賴于分別產(chǎn)生的位流，亦即依賴于位流的分別產(chǎn)生的電平的瞬時值。這是一種通過電路技術(shù)特別容易實現(xiàn)、然而仍然有效的用于產(chǎn)生具有與輸入信號和由其包括的測量信號成比例的頻率分布的高電平和低電平的位流的方式方法。
[0013]在輸入電路的另一種特別的實施方式中，其包括處理單元和作為處理單元的功能實現(xiàn)的自動裝置，其中，能向處理單元供給串行的位流，并且其中，借助自動裝置能夠確定位流中的高和/或低電平的頻率分布。這種處理單元、例如所謂的FPGA形式的處理單元，是比較簡單、但是特別有效的用于實現(xiàn)用于確定位流中的高和/或低電平的頻率分布的功能/自動裝置的可能性。這種功能原則上也可以例如主要利用兩個計數(shù)器離散地構(gòu)成，其中，兩個計數(shù)器中的一個對位流中的高和/或低電平進行計數(shù)，直到另一個計數(shù)器達到預(yù)先給定的閾值為止，或者從預(yù)先給定的閾值開始向下計數(shù)直到零為止。于是，所產(chǎn)生的第一計數(shù)器的計數(shù)器讀數(shù)是頻率分布的量度，由此是作為基礎(chǔ)的輸入信號的值和由其包括的測量信號的值的量度。
[0014]在上面概括的用于操作輸入電路的方法的一種實施方式中，在包括具有這種自動裝置的處理單元的輸入電路中設(shè)置為，自動裝置包括輸入電路的第一和第二模型的一種實現(xiàn)，用于重構(gòu)輸入信號，第一和第二模型提供輸入信號的第一和第二重構(gòu)結(jié)果，并且根據(jù)這兩個重構(gòu)結(jié)果的比較來確定調(diào)制的附加信號。兩個重構(gòu)結(jié)果的這樣的比較例如可以以從第一重構(gòu)結(jié)果中減去第二重構(gòu)結(jié)果的形式進行。總之，兩個這樣的重構(gòu)結(jié)果的形成和隨后它們的比較是一種相對簡單、然而有效的用于恢復(fù)調(diào)制到測量信號上的附加信號、從而恢復(fù)由輸入信號包括的附加信號的可能性。
[0015]在用于操作具有這樣的處理單元和這樣的自動裝置的輸入電路的方法的另一種實施方式中，借助處理單元產(chǎn)生用于控制輸入電路、特別是用于對D觸發(fā)器進行定時的時鐘信號。這具有這樣的優(yōu)點:同一個時鐘信號可以用于控制輸入電路，也可以用于對輸入電路的第一和第二模型進行定時。
[0016]在所述方法的又一種實施方式中，借助自動裝置確定在相應(yīng)于電網(wǎng)周期的持續(xù)時間的時間段期間的位流中的高或低電平的平均的頻率分布。這具有這樣的優(yōu)點:可能的電網(wǎng)交流聲被消除，并且根據(jù)該方法工作的輸入電路在不作為具體的構(gòu)件包括電網(wǎng)濾波器的情況下，像具有電網(wǎng)濾波器的輸入電路一樣動作。
[0017]這里介紹的輸入電路和這里介紹的用于操作這樣的輸入電路的方法特別地考慮其中調(diào)制的附加信號是HART信號的模擬輸入信號。
[0018]總之，本發(fā)明還是一種自動化設(shè)備，具有如在這里和在下面所說明的輸入電路或者具有根據(jù)在這里和在下面所說明的方法工作的輸入電路，也就是說例如一種自動化設(shè)備，其形式為具有至少一個模擬輸入和用于至少一個模擬輸入的至少一個這樣的輸入電路的模擬輸入組件，或者其形式為同樣具有用于由模擬輸入組件包括的至少一個模擬輸入的至少一個這樣的輸入電路的數(shù)字/模擬輸入組件。
【附圖說明】
[0019]下面根據(jù)附圖詳細說明本發(fā)明的實施例?；ハ鄬?yīng)的內(nèi)容或者元素在所有的圖中都具有相同的附圖標記。
[0020]所述或者每一個實施例都不應(yīng)該理解為是對本發(fā)明的限制。相反，在本公開的范圍內(nèi)完全還能夠進行補充和修改，特別是那些補充和修改，它們例如通過組合或者修改結(jié)合在一般的或者特定的說明部分中說明的、以及在權(quán)利要求和/或附圖中包含的各個特征或者方法步驟對于專業(yè)人員考慮到上述技術(shù)問題的解決可提取，并且通過可組合的特征產(chǎn)生新的主題或者新的方法步驟或方法步驟序列。
[0021]附圖中:
[0022]圖1示出了公知的模擬輸入電路，
[0023]圖2示出了根據(jù)這里提出的方式的模擬輸入電路，以及
[0024]圖3示出了自動裝置的圖示，該自動裝置用于評估由根據(jù)圖2的模擬輸入電路產(chǎn)生的位流。
【具體實施方式】
[0025]圖1中的圖示以示意的簡化的形式示出了在現(xiàn)有技術(shù)中公知的、具有集成的HART解調(diào)的模擬輸入電路10的原理圖。下面有時也僅簡稱為輸入電路10的模擬輸入電路10包括模擬-數(shù)字變換器(A/D變換器)12、帶通濾波器14和HART解調(diào)器16。
[0026]借助輸入電路10記錄的、具有調(diào)制的附加信號、例如HART信號的模擬測量信號形式的輸入信號18，借助A/D變換器12被變換為數(shù)字值，并且其為了例如作為調(diào)節(jié)器的實際值進一步進行處理，借助串行或者并行的連接(串行或者并行的傳輸線20)向微控制器、FPGA、ASIC等形式的處理單元22傳輸。
[0027]并行地向帶通濾波器14供給輸入信號18，帶通濾波器14從輸入信號18中濾出調(diào)制的HART信號。帶通濾波器14的輸出借助HART解調(diào)器16被變換為數(shù)字的HART電報24，并且其同樣被供給處理單元22。
[0028]為了能更好地理解本說明，但是不失廣泛的一般性，本說明在下面使用調(diào)制的HART信號作為附加信號的例子繼續(xù)。
[0029]圖2中的視圖示出了這里提出的類型的輸入電路10的一種實施方式。該輸入電路10不包括A/D變換器12 (圖1)、帶通濾波器14 (圖1)，也不包括解調(diào)器，特別不包括HART解調(diào)器16 (圖1)。這些迄今需要的功能單元通過比較器26、以高頻定時的D觸發(fā)器28和由處理單元22包括的自動裝置30來代替。
[0030]比較器26比較對地連接的電容器32的電壓與輸入信號18的相應(yīng)的電壓值。分別產(chǎn)生的比較器26的輸出信號被引導(dǎo)到以高頻定時的D觸發(fā)器28的通常稱為D輸入端的數(shù)據(jù)輸入端。為了對D觸發(fā)器28進行高頻定時，處理單元22產(chǎn)生具有例如一微秒的時鐘周期的時鐘信號34。該時鐘信號34被供給D觸發(fā)器28的時鐘輸入端。D觸發(fā)器28的輸出通過電阻36反饋到電容器32。
[0031]在適當?shù)剡x擇時鐘信號34的時鐘頻率及電阻值和電容器值的情況下，以及通過對D觸發(fā)器28的精確的電壓供給，例如使得產(chǎn)生的高電平和低電平相應(yīng)于+5V或者0V的電壓值，則使用該輸入電路10產(chǎn)生位流38，從它的單時間間隔(Einsintervall)的相對的頻率分布中，既能夠?qū)С鲚斎胄盘?8在分別考慮的時間區(qū)間內(nèi)的精確的平均值，也能夠?qū)С稣{(diào)制的HART信號的頻率。這借助作為處理單元22的功能實現(xiàn)的自動裝置30進行。作為單時間間隔，這里在以時鐘信號34的時鐘頻率對位流38進行采樣時，理解為所有這樣檢測到的高電平。
[0032]對此，這里首先說明借助比較器26和D觸發(fā)器28的位流38的生成。這里假定，電容器32首先未充電或者僅具有少量的初始電荷，并且為簡化說明，假定模擬輸入信號18具有在很大程度上恒定的值，例如2.5V。比較器26比較輸入信號的瞬時電壓值(亦即例如2.5V)與電容器32上的電壓，其根據(jù)假設(shè)很小，從而至少低于2.5V。相應(yīng)地在比較器26的輸出端上出現(xiàn)邏輯“1”，它由D觸發(fā)器28以時鐘信號34的上升沿連接到D觸發(fā)器28的輸出端。由于對D觸發(fā)器28的精確的電壓供給，該邏輯“1”相應(yīng)于例如5V的電壓水平，從而電容器32用該電壓充電。該充電過程在時鐘信號34的后續(xù)周期期間進行，直到電容器32上的電壓達到超過輸入信號18的瞬時