具有模拟输出端的现场设备 【技术领域】
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、具有模拟输出端的现场设备，尤其是一种用于生产过程用检测仪表的测量变换器，其具有作为模拟输出端的4-20mA接口。
背景技术
一种这样的现场设备例如由DE 19930661A1公开。在生产过程用检测仪表中采用了具有4-20mA接口的测量变换器，以用于多种多样地测量物理的或化学的量值，例如压力、温度或PH-值。这些测量变换器通常具有传感器，其传感器信号被放大、数字化，并接着在微控制器中进行分析评估并且就线性特性和温度特性进行校正。这样提供的传感器信号在具有数字/模拟-转换器的输出电路中被转换成模拟输出信号，在此是在4-20mA范围之内的输出电流，并且通过双线电缆传输给分析评估装置，例如在自动化网络中的存储器可编程控制装置。
另一方面，存储器可编程控制装置作为现场设备具有模拟输出端，例如用于将调节参量转送至作为具有相应模拟输入端的控制元件的控制阀。
已知有具有不同工作方式的数字/模拟-转换器用来产生模拟输出信号。例如可以使用设计成集成的元件的、具有R2R-网络的数字/模拟-转换器。然而对于这些元件来说，不利的是与此相关的成本，还有其电流消耗大。尤其是对于通过一种4-20mA接口来供给为其运行所需电能的现场设备来说，这可能具有明显的缺点，这是因为供使用的电能收到很大限制。用于数字/模拟-转换的另外一种可能性可以是应用微控制器的计时器输出端，用来控制脉宽调制器，在该调制器上面引导高精度的基准电压，并且在该调制器的下游连接有低通滤波器，用于平滑输出信号。然而存在以下问题，即必须要在可达到的动态特性和模拟信号的调整精度之间做出平衡。脉宽调制信号的频率直接影响动态特性，因此该频率由数字/模拟-转换的位分辨率和微控制器的脉冲频率得出，并与这两个量值的乘积成比例。微控制器的同步直接影响其电力消耗并且不能被任意地提高。另一方面不能任意地减小脉宽调制过的信号的频率，以便达到较高的位分辨率，这是因为其是对于所产生的模拟输出信号的动态特性的决定性因素。
【发明内容】
本发明的目的在于，提出一种具有模拟输出端的现场设备，尤其是一种用于生产过程用检测仪表的测量变换器，其具有作为模拟输出端的4-20mA接口，其特征在于耗电少，而且用它可以以高分辨率和良好的动态特性产生模拟输出信号。
为了实现该目的，开头所述类型的新的现场设备具有在权利要求1的特征部分中所述的特征。在从属权利要求中说明了本发明的有利的改进方案。
本发明基于以下认识，即在模拟输出信号的动态特性和精度之间的矛盾可以通过逐级的数字/模拟-转换来解决。为此，在第一级中首先产生两个具有较低分辨率的模拟信号，它们位于所希望的模拟输出信号之上和之下。这些信号在连接在下游的第二级中被用作为电压电平，以用于产生脉宽调制的信号，信号的脉冲间隔比只需被设定具有一种精度，该精度相当于与粗略分辨率相比还要实现的进一步的分辨率。
因为每级接管一部分的分辨率，因此在应用微控制器来产生用于脉宽调制地时间信号时，在相同的同步时可以实现一种高得多的动态特性。另一方面，为了实现规定的动态特性，可以使微控制器以较小的频率同步，从而使微控制器的能耗下降并因此为测量变换器的真正的测量目的提供更多的电能。这可以用来改善测量变换器的测量精度。
因为在大多数的现场设备中无论如何都存在微控制器，因此在转换器根据适合的编程将数字值分成数字的粗略部分和数字的精度部分，并产生用于控制脉宽调制器所必需的时间信号时，就可以特别简单地实现该数字/模拟-转换器。
如果数/模-转换器的低通滤波器利用无源的元件实现并这样确定尺寸，即该低通滤波器的输入电阻与脉宽调制器的输出电阻相比高得多的话，那么数字/模拟-转换的特别高的精度可有利地实现。
为了使一级的较差的动态特性不会对整个数字/模拟-转换的动态特性产生消极影响，这些级的动态特性应该尽可能相同。
这可以简单地通过如下途径来实现，即粗略部分的分辨率和精细部分的分辨率对应于同样的位的数目。这就是说，数字粗略部分基本上对应于数字值的N个最高有效位，而数字精细部分基本上对应于数字值的m个最低有效位，而且N大致等于m。如果粗略部分滞后地产生，那么可以很大程度上避免模拟输出信号的噪声。
【附图说明】
附图中示出了本发明的一个实施例，以下根据附图对本发明以及设计方案和优点详细加以说明。图中示出：
图1是测量变换器的原理结构；
图2是数字/模拟-转换器的框图；
图3是用于说明其功能原理的时序图；
图4是数字/模拟-转换器的电路。
【具体实施方式】
根据图1，用于检测一个过程的物理的或化学的量值X的测量变换器1具有接收器2，其将该量值转换成测量信号3。该测量信号3在预处理级4中放大并数字化。将这样预处理过的测量信号以数字形式输送给微控制器5，该微控制器例如进行对非线性化和温度影响的补偿并计算要输出的测量值。在数字/模拟-转换器6中将在微控制器5中求得的数字测量值转换成模拟输出信号，该信号通过一个4-20mA接口7输出以便进一步应用在过程技术的设备中，在该设备中采用了测量变换器1。
为了进行数字/模拟-转换，微控制器μC根据图2产生三个时间信号PWM1，PWM2和PWM3。时间信号PWM1和PWM2根据数字值的粗略部分求出，而时间信号PWM3根据数字的精细部分求出。缓冲器BUF1具有脉宽调制器的功能，其产生对应于时间信号PWM1的脉宽调制过的信号，其上电平是基准电压Vref，其下电平是基准值GND。在低通滤波器TP1中平滑该信号，从而存在第一模拟信号V1，其位于所希望的模拟输出信号VOUT之上。以模拟的方式，借助于时间信号PWM2，利用缓冲器BUF2和低通滤波器TP2产生第二模拟信号V2，其电平处于所希望的输出信号VOUT之下。利用对应于数字值的数字精细部分的时间信号PWM3来控制转换器SW1，该转换器因此同样也具有脉宽调制器的功能。在转换器SW1上引导了第一模拟信号V1和第二模拟信号V2。通过连接在转换器SW1的下游的低通滤波器TP3来再次平滑脉宽调制过的信号，从而最终出现模拟输出信号VOUT。
以下说明一种具有17位分辨率的数字/模拟-转换的实例。粗略部分具有9位分辨率，精细部分同样如此。一个位的分辨率，在将粗略部分和精细部分的分辨率累加时，相比于数字值的分辨率保持不变，该一个位的分辨率正如以后要叙述的那样，必需要用来实现粗略部分的滞后。
第一模拟信号V1可以根据公式来计算：
V1=Vref·N129.]]>
N1基本相当于数字值的最高有效位，其值的范围在0和29-1之间。
第二模拟值V2的电平可以根据下面的公式来计算：
V2=Vref·N229.]]>
N2同样也在很大程度上相当于数字值的最高有效位，并具有与N1相同的数值范围。正如以后要详细叙述的那样，为了避免在模拟输出信号VOUT中的噪声而应用了一个滞后。为此规定：N1＝N2+2。
借助于转换器SW1，对应于在第一模拟信号V1和第二模拟信号V2之间的时间信号PWM3进行转换。模拟输出信号VOUT的电平可以根据下面的公式来计算：
VOUT=Vref218·(m·N1+29·N2-m·N2).]]>
值m对应于借助于微控制器μC所规定的精细部分，其用于设定定时器以便产生时间信号PWM3。其同样也具有在0至29-1之间的数值范围。如果在上面公式中用N2+2代替N1，以及用N代替N2，那么对于模拟输出信号VOUT的电平来说为：
VOUT=Vref217·(m+28·N).]]>
因此实现了一种具有17位分辨率的数字/模拟-转换，其中数值m相当于最低有效位，数值N相当于最高有效位。
在微控制器μC中求出的、用于粗略部分和精细部分的数字值不必每个时刻都精确地对应于数字值的最高有效位或最低有效位，而是在某些条件下被设定为与它们有偏差。借助于对应于数字精细部分的时间信号PWM3，根据第一模拟信号V1和第二模拟信号V2对模拟输出电压进行调整。如果9个最低有效位的数值接近于其极限，也就是说接近数值0或者接近数值29-1，那么当超出该极限时，在没有滞后时则发生以下情况：数字的粗略部分和进而两个模拟信号V1和V2总是来回转换。因而会产生模拟输出信号VOUT的一种不需要的噪声。
为了阻止这种情况，不将数值0和29-1考虑用来作为数字精细部分的转换点，而是在数字精细部分的总的数值范围的12.5％处的一个值，和87.5％处的一个值，也就是说例如在一个数值范围512时为数值64或者448。以下根据附图3对此详细加以说明。图3是一时序图，在此图中示出了模拟输出信号VOUT的变化曲线31、第一模拟信号V1的变化曲线32、第二模拟信号V2的变化曲线33和对应于各自的数字精细部分的变化曲线34，横坐标是时间。在t＜t1的左侧区域里，数字粗略部分设定为数值N。用于调整时间信号PWM2的数值N2等于N，用于调整时间信号PWM1的值N1为N+2。只要数字精细部分位于其极限之内，在数值范围的12.5％和87.5％之间，数字粗略部分的这种设定就保持不变。在时刻t1时，数字值如此下降，以至于数字精细部分小于12.5％的极限值，而且相应地模拟输出信号31接近于第二模拟信号33。因此，在时刻t1的转换点上，数值N1和N2减少1。同时使数字精细部分提高其数值范围的大约50％，从而在模拟输出信号31的变化曲线中绝对看不到转换突变。数字精细部分的新值mNEU根据下式求得：
mNEU＝mALT+28
因此，mNEU大约为62.5％并小于87.5％的极限，在该极限时又使值N1和N2增加1。因此实现了一种滞后，通过该滞后阻止了在转换点处的噪声。
根据变化曲线34，数字精细部分在第二转换时刻t2处超过其数值范围的87.5％的极限。接着直接在数值N1和N2上增加1，而数字精细部分减小28。紧接于转换之后，数字精细部分的值达到其数值范围的大约37.5％。
在微控制器μC中，根据其编程将对应于模拟输出信号VOUT的数字值分成数字粗略部分和带有粗略部分的滞后的数字精细部分。有利地不会产生附带的电路技术方面的费用。
图4示出了一种适用于实现数字/模拟-转换器的电路41。作为微控制器应用了一种MSP430型号的集成组件42，该组件具有三个定时器输出端43，44和45，它们用于实现脉宽调制的时间信号PWM1，PWM2或PWM3。时间信号PWM1和PWM2分别在型号为74LVC04的两个缓冲器46或47上引导，这两个缓冲器通过二极管48供应有高精度的基准电压。缓冲器46和47的下游分别连接有一个低通滤波器，该低通滤波器由电阻R1和电容C1或者由电阻R2和电容C2组成。电阻分别为51KΩ，电容分别为33nF。以此方式平滑的模拟信号在Texas仪表的3157型号的转换器49的两个输入端上引导。时间信号PWM3用于操纵转换器49。在这转换器49的下游又连接有一个低通滤波器，该低通滤波器具有150KΩ的电阻R3和100nF的电容C3。该低通滤波器最终提供一个对应于规定数字值的模拟输出信号50。为了实现低通滤波，有意地应用无源的RC滤波器，并且不应用具有有源元件的电路，这是因为该滤波器提供很高的精度。重要的是：缓冲器46和47的输出电阻以及转换器49的输出电阻与各自在下游连接的低通滤波器的输入阻抗相比是小的。
在根据图4的电路中特别明显的是，数字/模拟-转换器可以利用所示的电路41特别价廉地制成。尽管数字/模拟-转换器有高的总分辨率，但由于串联连接的级用于产生模拟的输出信号，还是可以应用具有相比来说高的频率的时间信号PWM1，PWM2和PWM3。这使数字/模拟-转换具有良好的动态特性。