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DE102009001863A1 - Verfahren und Schaltung zur Signalübertragung über eine Stromschleife - Google Patents

Verfahren und Schaltung zur Signalübertragung über eine Stromschleife Download PDF

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DE102009001863A1
DE102009001863A1 DE102009001863A DE102009001863A DE102009001863A1 DE 102009001863 A1 DE102009001863 A1 DE 102009001863A1 DE 102009001863 A DE102009001863 A DE 102009001863A DE 102009001863 A DE102009001863 A DE 102009001863A DE 102009001863 A1 DE102009001863 A1 DE 102009001863A1
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DE
Germany
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signal
data stream
current
current loop
electrical
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102009001863A
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English (en)
Inventor
Björn HAASE
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.)
Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG filed Critical Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
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Priority to PCT/EP2010/053787 priority patent/WO2010108924A2/de
Priority to US13/258,086 priority patent/US8885760B2/en
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
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    • G05B19/042Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
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    • G05B19/0425Safety, monitoring
    • GPHYSICS
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Signalübertragung zwischen einem ersten und einem zweiten System (S1, S2), wobei das erste und das zweite System (S1, S2) über eine Stromschleife (L) miteinander in Verbindung stehen, wobei ein Gleichstromsignal in einem ersten Frequenzbereich (AB) und ein Wechselstromsignal in einem zweiten Frequenzbereich (DB) über die Stromschleife (L) übertragen werden, wobei sich das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal überlagern, wobei das Wechselstromsignal zur digitalen Signalübertragung und das Gleichstromsignal zur analogen Signalübertragung verwendet werden, wobei mittels einer Steuereinheit (CPU) ein erster Datenstrom (U1) erzeugt wird, in welchem das in der Stromschleife (L) einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal digital verschlüsselt werden, wobei der erste Datenstrom (U1) an eine Stromausgangsschaltung (S) übermittelt wird, wobei der übermittelte erste Datenstrom (U1) von der Stromausgangsschaltung (S) in ein Stromsignal umgesetzt wird, welches Stromsignal aus dem sich überlagernden Gleichstromsignal und dem Wechselstromsignal besteht, oder dass der übermittelte erste Datenstrom (U1) die Stromausgangsschaltung (S) in das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal umgesetzt wird, und wobei das Stromsignal bzw. das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal in der Stromschleife (L) eingestellt werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zu Signalübertragung zwischen einem ersten und einem zweiten System, wobei das erste und das zweite System über eine Stromschleife miteinander in Verbindung stehen, wobei ein Gleichstromsignal in einem ersten Frequenzbereich und ein Wechselstromsignal in einem zweiten Frequenzbereich über die Stromschleife übertragen werden, wobei sich das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal überlagern, wobei das Wechselstromsignal zur digitalen Signalübertragung und das Gleichstromsignal zur analogen Signalübertragung verwendet werden.
  • Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine elektrische und/oder elektronische Schaltung zur Signalübertragung zwischen einem ersten und einem zweiten System, wobei das erste und das zweite System über eine Stromschleife miteinander in Verbindung stehen, wobei die Stromschleife dazu dient, in einem ersten Frequenzbereich ein Gleichstromsignal und in einem zweiten Frequenzbereich ein Wechselstromsignal zu übertragen, wobei sich das Wechselstromsignal und das Gleichstromsignal überlagern, wobei das Gleichstromsignal zur analogen Signalübertragung und das Wechselstromsignal zur digitalen Signalübertragung dient.
  • In der Prozessautomatisierungsindustrie werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, pH-Messgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, Ventilsteuerungen usw., welche als Sensoren oder Aktoren Prozessvariablen wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert oder Leitfähigkeit erfassen oder steuern.
  • Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser© hergestellt und vertrieben.
  • Häufig sind Feldgeräte mit übergeordneten Einheiten, z. B. Prozessleitsystemen oder Steuerungen verbunden. Diese übergeordneten Einheiten dienen zur Prozessüberwachung, Prozesssteuerung oder Prozessvisualisierung.
  • Die Signalübertragung zwischen Feldgeräten und übergeordneten Einheiten erfolgt häufig nach dem 4 bis 20 mA Standard über eine Zweileiter-Stromschleife. Handelt es sich bei den Feldgeräten um Sensoren, so werden die von ihnen erfassten Messwerte als Gleichstromsignal über die Zweileiter-Stromschleife an die übergeordneten Einheiten übertragen. Der Messbereich der Sensoren wird dabei linear auf einen 4 bis 20 mA Gleichstrom abgebildet. Normalerweise wird dieses Gleichstromsignal nicht in der übergeordneten Einheit sondern in einem getrennten Messumformerspeisegerät, welches mit der Zweileiter-Stromschleife verbunden ist, erzeugt.
  • Intelligente Feldgeräte besitzen teilweise umfangreiche Diagnose- oder Konfigurationsmöglichkeiten, die z. B. Informationen über den Wartungszustand von Sensoren betreffen, Parametrierungen der Messbereiche ermöglichen oder den Anwender auf baldigen Ausfall des Gerätes hinweisen.
  • Derartige Diagnoseinformationen können nicht auf einfache Weise in einem 4 bis 20 mA Gleichstromsignal kodiert werden. Eine Lösung, welche ermöglicht, derartige Diagnose oder Konfigurationsmöglichkeiten, bei Beibehaltung der physikalischen Zweileiter-Stromschleifen-Verdrahtung, zu erschließen, besteht in der Nutzung einer digitalen Kommunikation. Ein verbreiteter Standard für die digitale Kommunikation über eine Zweileiter-Stromschleife ist der sogenannte „HART” Standard (Akronym für „Highway Addressable Remote Transducer”).
  • Bei diesem Standard wird die Signalübertragung über die Stromschleife in einem Frequenz F-Multiplex-Betrieb betrieben (siehe auch 2). Im Frequenzband unter 30 Hz, dem so genannten „Analogband”, wird die Messgröße analog über ein Gleichstromsignal zwischen 4 und 20 mA kodiert. Damit ist die Kompatibilität mit bestehenden reinen Analogsensoren ohne Diagnose- oder Wartungsfunktionalität gewahrt. Das Frequenzband zwischen 100 Hz und rund 10 kHz wird für die Übertragung digitaler Daten genutzt. Diese Frequenzen werden durch ein das Gleichstromsignal überlagerndes Wechselstromsignal erreicht. Zwei Standards für die Nutzung dieses Frequenzbandes sind verbreitet: Bell 202 mit einer Baudrate von 1200 Hz und eine PSK-Modulation mit einer Baudrate von 4800 Hz. Die PSK-Modulation wird aufgrund von der höheren technischen Schwierigkeit bei der Modulation und Demodulation trotz der höheren physikalischen Übertragungsrate heute vielfach nicht eingesetzt.
  • Für den Einsatz von Feldgeräten in einem explosionsgefährdeten Bereich, in dem Vorkehrungen gegen Zündfunken zwingend sind, sind Maßnahmen im Hinblick auf die Betriebssicherheit erforderlich. Eine Maßnahme zur Gewährleistung der Betriebssicherheit besteht darin, die elektrischen Schaltungen im Messaufnehmer oder Messumformer galvanisch zu trennen.
  • Den Vorteilen einer galvanischen Trennung steht ein erhöhter Schaltungsaufwand entgegen. Insbesondere ist es erforderlich, die Messgröße vom Messaufnehmer über die galvanische Barriere in die Stromschleife, welche mit der übergeordneten Einheit galvanisch gekoppelt ist, zu übertragen. Für diese Übertragung sind aus dem Stand der Technik z. B. aus der DE 698 35 808 T2 bereits Vorrichtungen bekannt.
  • Den Vorteilen der galvanischen Barriere steht entgegen, dass diese auch für Diagnoseinformationen ein Hindernis bildet. So kann z. B. ein in der Stromschleife auftretender Fehler nicht mehr ohne weiteres mit dem Feldgerät kommuniziert werden. Soll z. B. der in der Stromschleife fließende Strom von der Elektronik des Feldgerätes überwacht werden, ist es erforderlich, Vorrichtungen zur Übertragung einer Kontrollgröße über die galvanische Barriere vorzusehen, welche Rückschlüsse auf den tatsächlich in der Stromschleife fließenden Strom gestattet. Derartige Kontrollfunktionen sind insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen von hoher Bedeutung, bei denen das Feldgerät Fehlfunktionen erkennen muss. Solche Kontrollfunktionen werden unter anderem durch Normen wie SIL2 (Akronym für „Safety Integrity Level 2”) für sicherheitskritische Anwendungen vorgeschrieben.
  • Werden zwischen galvanisch getrennten Bereichen analoge Messsignale übertragen, so können diese durch Alterung der Kopplungselemente verfälscht werden. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, ausschließlich digitale Signale zwischen den galvanisch getrennten Bereichen zu übertragen. Die durch die galvanische Trennung verursachten Kosten steigen mit der Anzahl der dafür benötigten Leitungen. Eine Minimierung der Anzahl der die galvanische von einander getrennten Bereiche verbindenden Leitungen ist daher anzustreben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfachere Signalübertragung vorzuschlagen.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels einer Steuereinheit ein erster Datenstrom erzeugt wird, in welchem das in der Stromschleife einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal digital verschlüsselt sind, dass der erste Datenstrom an eine Stromausgangsschaltung übermittelt wird, dass der übermittelte erste Datenstrom von der Stromausgangsschaltung in eine Stromsignal umgesetzt wird, welches Stromsignal aus dem sich überlagernden Gleichstromsignal und Wechselstromsignal besteht, oder dass der übermittelte erste Datenstrom von der Stromausgangsschaltung in das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal umgesetzt wird, und dass das Stromsignal bzw. das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal in der Stromschleife eingestellt werden.
  • Bei dem ersten System kann es sich, wie bereits erwähnt, um ein Feldgerät der Prozessautomatisierungstechnik handeln. Ein solches Feldgerät ist oftmals über eine Stromschleife, insbesondere über eine Zweileiter Stromschleife, mit einem zweiten System, bspw. einer übergeordneten Einheit, etwa einem Leitsystem oder einer Prozesssteuerung, verbunden.
  • Über die Stromschleife kann ein Gleichstromsignal, das bspw. einen von einem Messaufnehmer/Sensor Sensor aufgenommenen Messwert repräsentiert und ein Wechselstromsignal, das bspw. anderweitige prozessrelevante Daten wie bspw. Parametereinstellungen enthält, von dem ersten System an das zweite System, oder umgekehrt, übertragen werden. Das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal überlagern sich in der Stromschleife und das resultierende in der Stromschleife eingestellte Stromsignal ist ein Mischstrom mit einem Gleichstromanteil und einem Wechselstromanteil.
  • Mittels der Steuereinheit, die bspw. dem ersten System angehören kann, und der Stromausgangsschaltung, die bspw. ebenfalls dem ersten System angehören kann, können das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal erzeugt und in der Stromschleife eingestellt werden. Der erste Datenstrom kann bspw. mittels der Steuereinheit erzeugt und ausgegeben werden. Bei der Steuereinheit kann es sich um ein digitales, insbesondere programmgesteuertes, Rechenwerk handeln. Eine solche Steuereinheit, bspw. eine Central Processing Unit oder ein Field Programmable Gate Array, ist oftmals ohnehin in einem Feldgerät vorhanden, um eine Funktionalität des Feldgerätes zu gewährleisten – insbesondere um eine Kommunikation mit dem Feldgerät zu ermöglichen. Die Steuereinheit kann auch aus mehreren Komponenten, wie z. B. einem Rechenwerk und einem daran angeschlossenen Register oder weiteren elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen bestehen.
  • In dem ersten Datenstrom sind das in der Stromschleife einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal digital, vorzugsweise binär, verschlüsselt. Der erste Datenstrom kann bspw. aus einer Folge von Bits, einem sog. Bitstream, bestehen. Die in dem ersten Datenstrom verschlüsselte Information weist bspw. eine zeitlich geordnete Reihenfolge auf und kann fortlaufend erzeugt und weiterverarbeitet werden. Überdies besteht die Möglichkeit, den ersten Datenstrom sequentiell zu verarbeiten.
  • Die Stromausgangsschaltung dient bspw. dazu, den übermittelten ersten Datenstrom in das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal umsetzen. Der erste Datenstrom kann bspw. unmittelbar von der Stromausgangsschaltung in das in der Stromschleife einzustellende Stromsignal umgesetzt werden, welches Stromsignal aus dem sich überlagernden Gleichstromsignal und Wechselstromsignal besteht.
  • Alternativ besteht die Möglichkeit einen Anteil des ersten Datenstroms, der das Gleichstromsignal (in digital verschlüsselter Form) enthält, von einem anderen Anteil des ersten Datenstroms zu trennen, der das Wechselstromsignal (in digital verschlüsselter Form) enthält, und den Anteil, der das Gleichstromsignal enthält, getrennt von dem anderen Anteil, der das Wechselstromsignal enthält, in das analoge Gleichstromsignal bzw. das analoge Wechselstromsignal umzusetzen. Anschliessend kann das Wechselstromsignal auf das Gleichstromsignal gekoppelt und in der Stromschleife eingestellt werden.
  • Mithilfe des ersten Datenstroms, der das in der Stromschleife einzustellende Wechselstromsignal und Gleichstromsignal in digital verschlüsselter Form enthält, können die beiden Signale nunmehr über eine einzige Signalleitung bzw. Datenleitung an die Stromausgangsschaltung übermittelt werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass eine solche Übermittlung mit einer geringen Anzahl von elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen realisiert werden kann und dadurch die Signalübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten System als auch die Übermittlung von Signalen zwischen der Steuereinheit und der Stromausgangsschaltung vereinfacht wird.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird wenigstens ein Steuersignal von der Steuereinheit erzeugt, in welchem das in der Stromschleife einzustellende Wechselstromsignal und Gleichstromsignal digital verschlüsselt wird. Der erste Datenstrom kann bspw. aus dem von der Steuereinheit erzeugten Steuersignal gebildet werden oder das Steuersignal kann in den ersten Datenstrom zusammengefasst und/oder umgewandelt werden. Der Datenstrom kann bspw. aus dem Streuersignal bestehen, wobei das Steuersignal das einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal in digital verschlüsselter Form enthält. Hilfsweise kann der erste Datenstrom mittels des von der Steuereinheit erzeugt Steuersignals erzeugt, bzw. daraus abgeleitet, werden. In einer Variante wird das wenigstens eine Steuersignal von der Steuereinheit an eine elektrische und/oder elektronische Hilfseinheit gesendet, die aus dem Steuersignal den ersten Datenstrom ableitet und/oder erzeugt. Von der Steuereinheit können insbesondere auch mehrere Steuersignale erzeugt werden, die zur Erzeugung des ersten Datenstroms dienen.
  • In einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird wenigstens ein erstes Steuersignal von der Steuereinheit erzeugt, in welchem das in der Stromschleife einzustellende Wechselstromsignal digital verschlüsselt wird und wenigstens ein zweites Steuersignal wird von der Steuereinheit erzeugt, in welchem das in der Stromschleife einzustellende Gleichstromsignal digital verschlüsselt wird. Das erste und das zweite Steuersignal können zusammengefasst und/oder in den ersten Datenstrom umgewandelt werden. Dadurch kann die zur Signalübertragung benötigte Hardware reduziert werden. Weiterhin können dadurch das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal unabhängig voneinander erzeugt werden.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens werden das in der Stromschleife eingestellte Gleichstromsignal und Wechselstromsignal in einen zweiten Datenstrom umgewandelt, in welchem zweiten Datenstrom das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal digital verschlüsselt werden, und der zweite Datenstrom wird von der Stromausgangsschaltung an die Steuereinheit rückübermittelt. Das in der Stromschleife eingestellte Stromsignal bzw. Gleichstromsignal und Wechselstromsignal können zu Überwachungszwecken zurückgelesen werden. Dadurch kann die Funktion der Steuereinheit und der Stromausgangsschaltung überwacht werden. Dies wird in einfacher Weise durch die vorgeschlagene Weiterbildung erreicht, indem für die Rückübermittlung der zweite Datenstrom erzeugt wird, der das in der Stromschleife eingestellte Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal in digital, insbesondere binär, verschlüsselter Form enthält. Die in dem zweiten Datenstrom enthaltenen Anteile des Gleichstromsignals und des Wechselstromsignals können in einfacher Weise voneinander getrennt und überprüft werden. Zudem kann aufgrund des digitalen Charakters des ersten und des zweiten Datenstroms zur Erzeugung und zum Empfang des ersten und des zweiten Datenstroms bspw. eine Steuereinheit mit ausschließlich digitalen Ein-/Ausgängen oder zur Erzeugung bzw. zum Empfang des ersten und zweiten Datenstroms ausschließlich digitale Eingänge und Ausgänge der Steuereinheit verwendete werden.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens werden der erste Datenstrom und/oder der zweite Datenstrom über eine galvanische Barriere übermittelt. Durch die galvanische Barriere wird bspw. ein die Steuereinheit umfassender Primärkreis von einem wenigstens die Stromausgangsschaltung umfassenden Sekundärkreis elektrisch isoliert. Werden zwischen den galvanisch getrennten Bereichen bspw. analoge Signale, insbesondere Messsignale, übertragen, so können diese durch Alterung der Kopplungselemente verfälscht werden. Es ist daher vorteilhaft, ausschließlich digitale Signale zwischen den galvanisch getrennten Systemen zu übertragen.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens wird mittels der Steuereinheit ein Wert des in der Stromschleife eingestellten und rückübermittelten Gleichstromsignals und/oder Wechselstromsignals mit einem Sollwert verglichen. Im Fehlerfall kann aufgrund der verwendeten digitalen Übermittlung somit zuverlässig ein entsprechendes Fehlersignal von der Steuereinheit ausgegeben werden.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens ist ein Betriebsmodus vorgesehen, in welchem Betriebsmodus mittels des ersten Datenstroms ein maximaler Wert des in der Stromschleife einstellbaren Gleichstromsignals vorgegeben wird, in welchem Betriebsmodus weiterhin der Wert des Gleichstromsignals in der Stromschleife von einer in dem zweiten System vorgesehenen Einheit auf einen Wert kleiner oder gleich dem maximalen Wert begrenzt wird, und in welchem Betriebsmodus der in der Stromschleife eingestellte Wert des Gleichstromsignals über den zweiten Datenstrom an die Steuereinheit übermittelt wird. Beispielsweise enthält das zweite System als zur Begrenzung des Gleichstromsignals vorgesehene Einheit eine Stromquelle, welche den in der Stromschleife fließenden Strom auf einen Stellwert begrenzt. Das im ersten digitalen Datenstrom übermittelte einzustellende Gleichstromsignal kann dann auf einen Wert größer als der maximal von dem zweiten System zu erwartende Wert gesetzt werden, so dass der in der Stromschleife fließende Strom nicht durch die Stromausgangsschaltung des ersten Systems sondern durch die dafür vorgesehene Einheit des zweiten Systems begrenzt wird. In dem vorgeschlagenen Betriebsmodus enthält der an die Steuereinheit rückübermittelte zweite digitale Datenstrom somit Informationen über den von der zur Begrenzung des Gleichstromsignals vorgesehenen Einheit im zweiten System eingestellten Stellwert des Gleichstromsignals.
  • Hinsichtlich der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, welche zur Erzeugung eines ersten Datenstroms dient, in welchem ersten Datenstrom das in der Stromschleife einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal digital verschlüsselt sind, dass eine erste Übermittlungseinheit vorgesehen ist, welche dazu dient, den ersten Datenstrom an eine Stromausgangsschaltung zu übermitteln, und dass eine Stromausgangsschaltung vorgesehen ist, und dass die Stromausgangsschaltung dazu dient, den übermittelten ersten Datenstrom in ein Stromsignal umzusetzen, welches Stromsignal aus dem sich überlagernden Gleichstromsignal und Wechselstromsignal besteht, oder das die Stromausgangsschaltung dazu dient, den übermittelten ersten Datenstrom in das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal umzusetzen.
  • Mithilfe der Steuereinheit kann ein erster Datenstrom erzeugt werden, in welchem das einzustellende Gleichstromsignal und ein Wechselstromsignal digital verschlüsselt sind. Das Gleichstromsignal kann dabei einem von bspw. einem Messaufnehmer/Sensor Sensor aufgenommenen Messwert und das Wechselstromsignal prozessrelevanten Daten, wie bspw. einem Statussignal für die Wartung oder Parametrierung entsprechen. Insbesondere handelt es sich bei dem Wechselstromsignal um ein gemäß dem HART-Protokoll moduliertes Signal. Zur Übermittlung des Datenstroms ist die Übermittlungseinheit vorgesehen. Die Übermittlungseinheit kann aus einer Kabel-, Draht- oder Wellenleitung oder andersartigen elektrischen und/oder elektromagnetischen, insbesondere optischen, Verbindung bestehen. Von der Stromausgangsschaltung kann der übermittelte erste Datenstrom in das Stromsignal, welches aus dem sich überlagernden Gleichstromsignal und Wechselstromsignal zusammensetzt, umgesetzt werden. Ein Vorteil der vorgeschlagenen Schaltung besteht wie bereits erwähnt darin, dass das einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal in einem einzigen Datenstrom, nämlich dem ersten Datenstrom digital verschlüsselt sind.
  • In einer Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung wird von der Steuereinheit wenigstens ein digitales Steuersignal erzeugt und/oder ausgegeben, welches zur Erzeugung des Gleichstromsignals und des Wechselstromsignals, insbesondere des ersten Datenstroms, dient. Die Steuereinheit kann ein Steuersignal ausgeben, welches Steuersignal bereits das einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal in digital verschlüsselter Form enthält und den ersten Datenstrom bildet. Der Aufbau der vorgeschlagenen Ausgestaltung ist besonders einfach und kann mit wenigen Bauteilen realisiert werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung gibt die Steuereinheit wenigstens ein erstes digitales Steuersignal aus, welches zur Erzeugung des Gleichstromsignals dient und weiterhin wenigstens ein zweites digitales Steuersignal aus, welches zur Erzeugung des Wechselstromsignals dient. In einer Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung ist eine erste Signalverarbeitungseinheit vorgesehen, welche dazu dient, das erste und das zweite digitale Steuersignal oder daraus abgeleitete Signale in den ersten Datenstrom zusammenzufassen und/oder umzuwandeln. In dieser Ausgestaltung wird das Zusammenfassen und/oder Umwandeln des ersten und des zweiten Steuersignals in den ersten Datenstrom von der ersten Signalverarbeitungseinheit übernommen. Dadurch können den jeweiligen Anforderungen entsprechende elektrische und/oder elektronische aufeinander abstimmbare Standartbauteile verwendet werden. Die digitalen Steuersignale können bspw. mittels eines Addierwerks, das z. B. Teil der Signalverarbeitungseinheit ist, zusammengefasst werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung umfasst die erste Signalverarbeitungseinheit einen digitalen Delta-Sigma-Modulator, der dazu dient, den ersten Datenstrom zu erzeugen. Der digitale Delta-Sigma-Modulator wandelt ein eingangsseitig anliegendes digitales Signal ausgangsseitig in ein ebenfalls digitales Signal um.
  • Eingangsseitig kann dem digitalen Delta-Sigma-Modulator das mindestens eine Steuersignal oder das zusammengefasste erste und zweite Steuersignal zugeführt werden. Der ausgangsseitig ausgegebene erste Datenstrom kann bspw. aus einem sog. Bitstrom bestehen. Alternativ ist auch die Verwendung eines andersartigen Digital-Digital-Wandlers möglich. Die Funktion der Signalverarbeitungseinheit kann bspw. in die Steuereinheit integriert sein, sodass von der Steuereinheit lediglich der erste Datenstrom ausgegeben wird.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung ist eine Synchronisierungseinheit vorgesehen, die dazu dient, den übermittelten ersten Datenstrom mit einem vorgegebenen Takt zu synchronisieren. Die Synchronisierungseinheit kann bspw. aus einem Flip-Flop, insbesondere einem D-Flip-Flop, bestehen und den an die Stromausgangsschaltung übermittelten ersten Datenstrom mit einem vorgegebenen Takt synchronisieren. Dadurch wird ein von Jitter ansatzweise befreites Signal erzeugt.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung weist die Stromausgangsschaltung einen ersten Filter mit einer Tiefpasscharakteristik auf, welcher den übermittelten ersten Datenstrom in eine analoge Spannung verarbeitet. Um den Frequenzbereich des Wechselstromsignals nicht zu begrenzen, kann die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters höher gewählt werden, als die Frequenz des in der Stromschleife einzustellenden Wechselstromsignals. Der Frequenzbereich des Wechselstromsignals wird dann nicht durch den Tiefpassfilter unterdrückt – vielmehr wird lediglich Rauschen unterdrückt, welches von Frequenzen herrührt, welche größer sind als die des Wechselstromsignals.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung umfasst die Stromausgangsschaltung einen Spannungs-Strom-Wandler, welcher zur Umsetzung der analogen Spannung in das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal dient. Mittels des Spannungs- Strom-Wandlers kann das als Spannungssignal vom Tiefpassfilter ausgegebene Ausgangssignal in das in der Zweileiter-Stromschleife einzustellende Stromsignal umgesetzt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung sind elektrische und/oder elektronische Bauteile der Stromausgangsschaltung räumlich von elektrischen Leiterbahnen umgeben, welche Leiterbahnen aktiv auf dem im Wesentlichen gleichen Gleichspannungspotential gehalten werden wie die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile. Damit kann der Abfluss von Leckströmen effektiv verhindert oder verringert werden. Insbesondere die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile z. B. einem RC-Glieds des ersten Filters können dabei von elektrischen Leiterbahnen umgeben sein, welche auf dem im Wesentlichen gleichen Gleichspannungspotential wie die Bauteile selbst gehalten werden, um das Abfließen von Leckströmen zu verhindern und ein unverfälschtes Spannungssignal an den Spannungs-Strom-Wandler weiterzuleiten.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung weist die Stromausgangschaltung eine zweite Signalverarbeitungseinheit auf, welche das in der Stromschleife eingestellte Gleichstromsignal und/oder Wechselstromsignal in einen zweiten Datenstrom umwandelt, in welchem zweiten Datenstrom das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal digital verschlüsselt sind.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung weist die zweite Signalverarbeitungseinheit einen analogen Delta Sigma-Modulator auf, der dazu dient, den zweiten Datenstrom zu erzeugen. Der analoge Delta-Sigma-Modulator kann wandelt ein eingangsseitig anliegendes analoges Signal ausgangsseitig in ein digitales Signal um. Eingangsseitig liegt an dem analogen Delta-Sigma-Modulator dann bspw. das in der Stromschleife eingestellte Stromsignal an, welches ausgangsseitig in einen zweiten Datenstrom umgewandelt wird. Auch hier kann alternativ ein anderweitiger Analog-Digital-Wandler anstelle des analogen Delta-Sigma-Modulators verwendet werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung ist ein für die Modulation verwendetes Schleifenfilter des analogen Delta-Sigma-Modulators ein zeitkontinuierliches Filter. Der zeitkontinuierliche Filter hat bspw. gegenüber einem zeitdiskreten Filter einen größeren Signal/Rausch Abstand. Zudem wird bei einem zeitdiskreten Filter kein Integrierter Schaltkreis zum Schalten von bspw. Switched Capacitor-Schaltungen benötigt.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung ist das für die Modulation verwendete Schleifenfilter mittels eines einzigen Operationsverstärkers realisiert, wobei ein Pol der Übertragungsfunktion durch ein RC-Glied realisiert ist. Das zeitkontinuierliche Filter weist wenigstens ein. RC-Glied, d. h. ein aus wenigstens einem Widerstand und wenigstens einem Kondensator aufgebautes System, auf, welches einen bei einem zeitdiskreten Filter bspw. zum Schalten der Kondensatoren verwendeten Integrierten Schaltkreis ersetzt. Dies vereinfacht die Schaltung und verringert dadurch die Herstellungskosten des analogen Delta-Sigma-Modulators. Die Polstellen einer solchen Übertragungsfunktion bestimmen maßgeblich das Übertragungsverhalten bspw. des ersten Filters mit Tiefpasscharakteristik.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung ist eine zweite Übermittlungseinheit vorgesehen, die dazu dient, den zweiten Datenstrom an die Steuereinheit zu übermitteln. Die zweite Übermittlungseinheit kann dabei ebenso wie die erste Übermittlungseinheit aus einer Signal- und/oder Datenleitung bestehen oder bspw. eine Einheit zur Signalübertragung über eine galvanische Barriere sein. Bei der ersten und/oder zweiten Übermittlungseinheit kann es sich insbesondere um einen Optokoppler oder um einen Übertrager handeln.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der elektrischen und/oder elektronischen Schaltung ist ein zweites Filter vorgesehen, welches zweite Filter den über die zweite Übermittlungseinheit übermittelten zweiten Datenstrom in ein erstes dem Gleichstromsignal entsprechendes Signal und in ein zweites dem Wechselstromsignal entsprechendes Signal trennt. Bei dem zweiten Filter kann es sich insbesondere um ein Dezimationsfilter handeln und bei dem ersten Signal und dem zweiten Signal kann es sich um digitale Signale handeln. Dieses erste und zweite Signal können bspw. zu Überwachungszwecken an die Steuereinheit rückübermittelt werden.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein Feldgerät der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik mit einer elektrischen und/oder elektronischen Schaltung in einer der vorgenannten Ausgestaltungen. Insbesondere Feldgeräte, die zur Erfassung und/oder Steuerung von Prozessvariablen dienen, kommunizieren über eine Stromschleife mit einem zweiten System, insbesondere einer übergeordneten Einheit. Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht ebenso eine zuverlässigere Signalübermittlung über die galvanische Barriere sowie eine einfachere Signalübertragung über die Stromschleife. Zudem wird die Diagnose der Feldgeräteelektronik, d. h. der Steuereinheit und der Stromausgangsschaltung erleichtert.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
  • 1: eine schematische Darstellung eines ersten Systems, das über eine Stromschleife mit einem zweiten System verbunden ist,
  • 2: eine schematische Darstellung des Frequenzspektrums des in der Stromschleife einstellbaren Stromsignals,
  • 3: eine schematische Darstellung der Steuereinheit und der Stromausgangsschaltung aus dem Stand der Technik,
  • 4: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung,
  • 5: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung,
  • 6: ein Ersatzschaltbild eines ersten Filters mit Tiefpasscharakteristik,
  • 7: ein Ersatzschaltbild eines weiteren ersten Filters mit Tiefpasscharakteristik, und
  • 8: ein Ersatzschaltbild eines analogen Delta-Sigma-Modulators,
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung des ersten Systems S1 und des zweiten Systems S2, die über eine Stromschleife L, hier ein zweiadriges Kabel, miteinander verbunden sind. Das erste System S1 ist bspw. ein Feldgerät der Prozessautomatisierungstechnik. Bei dem Feldgerät kann es sich insbesondere um einen Aktor oder um einen Messaufnehmer/Sensor handeln.
  • Über die Stromschleife L kann durch einen Wert des Gleichstromsignals des in der Stromschleife L eingestellten Stroms eine Mess- und/oder Regelgröße übertragen werden. Über die Stromschleife L kann auch ein Wechselstromsignal, z. B. mittels des HART-Protokolls übertragen und für die digitale Signalübertragung genutzt werden. Das zweite System S2 kann eine übergeordnete Einheit, insbesondere eine Prozessleitstelle oder eine Prozesssteuerung, sein. Eine Steuereinheit CPU zum Erzeugen eines ersten Datenstroms U1, der das einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal enthält und eine Stromausgangsschaltung S zur Umwandlung des ersten Datenstrom U1 in das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal können in dem ersten System S1 integriert sein.
  • Exemplarisch zeigt 2 das Frequenzspektrum des in der Stromschleife L nachdem 4–20 mA Standard und dem HART-Protokoll übertragenen analogen Stromsignals. Das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal, überlagern sich in der Stromschleife L und bilden das analoge Stromsignal. Die Signalübertragung erfolgt in zwei verschiedenen Frequenzbändern AB, DB. Um dieses Frequenz-Multiplexing hardwaremäßig zu realisieren, sind somit Bandpass und/oder Tiefpassfilter, insbesondere einer höheren Ordnung, erforderlich, um das Wechselstromsignal von dem Gleichstromsignal zu trennen.
  • Das Gleichstromsignal kann z. B. ein 4–20 mA Signal sein. Ein solches Signal ist besonders niederfrequent (z. B. 0–30 Hz) und unterscheidet sich damit von den für die Digitalübertragung verwendeten Frequenzen f des Wechselstromsignals von oberhalb 100 Hz.
  • 3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Steuereinheit CPU und einer Stromausgangsschaltung S aus dem Stand der Technik.
  • Die Steuereinheit CPU ist bspw. mit einem Sensor oder einem Aktor verbunden, welcher von der Steuereinheit CPU aus gesteuert und/oder ausgelesen werden kann. Der Sensor erzeugt bspw. eine analoge, der Messgröße entsprechende Spannung.
  • Ist die Steuereinheit CPU bspw. mit einem solchen Sensor verbunden, so wird eine von dem Sensor aufgenommene Messgröße von der Steuereinheit CPU bspw. in einen digitalen Wert umgesetzt, welcher mittels eines Digital-Analog- Wandlers DAC wiederum in eine analoge Signalgröße, das Gleichstromsignal, umgesetzt wird. Diese Signalgröße wird in der Stromschleife L, welche mit dem zweiten System S2 verbunden ist, eingestellt.
  • Vom Anschluss AS der Stromschleife L wird das dort anliegende analoge Stromsignal auf einen Analog-Digital-Wandler ADC aufgeschaltet. Dieser setzt das analoge Signal in ein digitales Signal um, welches von der Steuereinheit CPU gelesen werden kann.
  • Auf diese Art und Weise kann mittels der Steuereinheit CPU überprüft werden, ob der analoge Übermittlungskanal bis zum Anschluss AS an die Stromschleife L ordnungsgemäß funktioniert. Es genügt dazu, den rückgelesenen Istwert des Analogsignals an der Stromschleife L mit dem erwarteten Sollwert zu vergleichen.
  • Im Fehlerfall können geeignete Maßnahmen, z. B. durch Aktivierung einer Alarmleuchte oder eines Alarmsignals, ergriffen werden.
  • Um zusätzlich zum analogen Signal auch die Vorteile der digitalen Kommunikation mit der übergeordneten Einheit nutzen zu können, enthält das erste System S1 die in 3 skizzierten Schaltungsteile: HART-Modem und analoge Filter, wie bspw. den Bandpass B1 und den Bandpass B2. Die Steuereinheit CPU überträgt die Signalpegel bspw. einer asynchronen seriellen Schnittstelle an eine digitale Schaltung, das sogenannte HART-Modem. Das HART-Modem generiert ein Ausgangssignal, welches mittels eines ersten Bandpasses B1 analog gefiltert wird, um dann auf die Stromschleife L aufgekoppelt zu werden.
  • Für die Kommunikation in Gegenrichtung erfolgt ebenfalls eine analoge Filterung der Signalpegel in der Stromschleife L über einen zweiten Bandpass B2. Das Ergebnis dieser Filterung wird an eine digitale Demodulationsschaltung, die bspw. Teil des HART-Modems sein kann, übergeben und in ein Signal für eine asynchrone digitale Schnittstelle umgesetzt, welche an die Steuereinheit CPU angeschlossen ist. Für diese Filterung sind mehrstufige aktive analoge Filter erforderlich.
  • Die in 3 aus dem Stand der Technik gezeigte Stromausgangschaltung S besteht also im Wesentlichen aus dem Digital-Analog-Wandler DAC, dem HART-Modem, einem Spannungs-Strom-Wandler SSW, einer Wechselstrom-Kopplungseinheit K, dem Anschluss AS an die Stromschleife L und einem Analog-Digital-Wandler ADC zur Funktionskontrolle.
  • Charakteristisch für die in 3 gezeigte Steuereinheit CPU und Stromausgangsschaltung S ist, dass die einzelnen Schaltungsteile über eine Vielzahl analoger oder digitaler Leitungen miteinander verbunden sind. Ist eine galvanische Trennung zum Anschluss AS an die Stromschleife L, d. h. zwischen Stromausgangsschaltung S und Steuereinheit CPU erforderlich, so müssen entweder analoge Signale über die galvanische Barriere GB übertragen werden oder alternativ eine große Anzahl digitaler Signale.
  • Die Umsetzung einer galvanischen Trennung ist somit mit hohem schaltungstechnischem Aufwand und mit hohen Kosten verbunden.
  • 4 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen und/oder elektronischen Schaltung, im Folgenden auch Schaltung genannt. Die Schaltung ist in zwei Teilbereiche, den Primärkreis und den Sekundärkreis, unterteilt, die galvanisch voneinander getrennt sind. Die galvanische Trennung kann zwischen der Steuereinheit CPU und der Stromausgangschaltung S vorliegen, und ist in 4 durch die gestrichelte Linie angedeutet. Durch die galvanische Trennung wird der Primärkreis, im Wesentlichen bestehend aus Sensor und Steuereinheit CPU, von dem Sekundärkreis, im Wesentlichen bestehend aus Stromausgangschaltung S, Stromschleife L und zweitem System S2, getrennt. Eine Übermittlung des ersten und zweiten Datenstroms U1, U2 kann bspw. über lediglich drei digitale Austauschsignale U1, U2, U3 erfolgen und z. B. mittels drei Übermittlungseinheiten, nicht gezeigt, realisiert werden.
  • Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, dass zur Übermittlung des ersten Datenstroms U1 ausschließlich digitale Bauteile in dem Primärkreis verwendet werden. Sämtliche analogen Bauteile befinden sich in dem von dem Primärkreis galvanisch getrennten, elektrisch isolierten, Sekundärkreis. Damit werden Übermittlungen von Störsignalen, welche z. B. durch schnelle Takte der Steuereinheit CPU verursacht werden können, auf die analogen Schaltungsteile unterbunden.
  • Der erste und der zweite Datenstrom U1, U2 können über zwei Übermittlungseinheiten, nicht gezeigt, übermittelt werden. Der in der Steuereinheit. CPU und der Stromausgangsschaltung S vorliegende Takt CLK kann über ein drittes Austauschsignal U3 über eine dritte Übermittlungseinheit, nicht gezeigt, übermittelt werden. Synchron mit dem z. B. von der Steuereinheit CPU generierten Takt CLK wird über die zwei Übermittlungseinheiten je ein Datenstrom U1, U2 übertragen. Auf die Verwendung einer separaten Übermittlungseinheit für den Takt CLK kann verzichtet werden, wenn aus dem Stand der Technik bekannte sogenannte Takt-Regenerationsschaltungen (Clock Recovery) verwendet werden und der Takt CLK aus dem jeweiligen Datenstrom extrahiert wird.
  • Der in Richtung der Stromschleife L übermittelte erste Datenstrom U1 wird z. B. von einem digitalen Delta-Sigma-Modulator DM erzeugt. Der digitale Delta-Sigma-Modulator DM wandelt ein eingangsseitig anliegendes digitales Signal ausgangsseitig in ein ebenfalls digitales Signal, insbesondere einen Bitstrom, um. In einer Ausführungsform kann dafür ein digitaler Delta-Sigma-Modulator DM zweiter Ordnung verwendet werden. In dem vom digitalen Delta-Sigma-Modulator DM erzeugten ersten Datenstrom U1 ist sowohl der niederfrequente Anteil des einzustellenden Gleichstromsignals als auch der höherfrequente Anteil des einzustellenden Wechselstromsignals digital verschlüsselt.
  • Der erste Datenstrom U1 wird über eine galvanische Barriere GB übertragen und auf ein erstes Filter F mit Tiefpasscharakteristik aufgeschaltet. Vorteilhafterweise wird dieses erste, analoge Filter F ausschließlich durch passive Bauelemente realisiert. Der Verzicht auf aktive z. B. Halbleiterbauelemente ermöglicht es, in einfacher Form eine hohe Linearität des ersten Filters F sicherzustellen. Der Verzicht auf aktive Bauelemente, wie Transistoren oder Operationsverstärker für das erste Filter F reduziert gleichzeitig auch die Herstellungskosten der Schaltung.
  • Der erste Datenstrom U1 wird mittels einem ersten und einem zweiten Steuersignal S1, S2 erzeugt. Das erste und das zweite Steuersignal A1, A2 werden von der Steuereinheit CPU erzeugt und ausgegeben, wobei das erste Steuersignal A1 zur Erzeugung des Gleichstromsignals und das zweite Steuersignal A2 zur Erzeugung des Wechselstromsignals dient. Das erste Steuersignal A1 wird an ein erstes Register R1 übertragen, welches dem ersten Steuersignal A1 entsprechende, insbesondere digitale, Werte W1 ausgibt. Das zweite Steuersignal A2 wird an ein zweites Register R2 übertragen, welches dem zweiten Steuersignal A2 entsprechende, insbesondere digitale, Werte W2 ausgibt. Mittels eines Addierers ADD werden die Werte W1, W2 zusammengefasst und an den digitalen Delta-Sigma-Modulator DM weitergeleitet. Durch den digitalen Delta-Sigma-Modulator DM wird dann der erste Datenstrom U1 erzeugt.
  • 6 zeigt ein Ersatzschaltbild eines ersten Filters F mit Tiefpasscharakteristik. Der erste Filter F besteht im Wesentlichen aus einer Kaskade aus RC-Gliedern. In 6 ist ein erster Filter F gezeigt, welcher aus einer 4-stufigen Kaskade besteht. Ein erstes RC-Glied besteht dabei aus dem fünfzehnten Widerstand R51 und dem ersten Glättungskondensator C24. Ein zweites RC-Glied besteht dabei aus dem sechzehnten Widerstand R49 und dem zweiten Glättungskondensator C25. Ein drittes RC-Glied besteht dabei aus dem siebzehnten Widerstand R50 und dem ersten dritten Glättungskondensator C26. Ein viertes RC-Glied besteht dabei aus dem achtzehnten Widerstand R48 und dem vierten Glättungskondensator C23. Der erste Filter F gibt als gefiltertes Ausgangssignal ein Spannungssignal aus, welches auf einen Spannungs-Strom-Wandler SSW gegeben und in ein Stromsignal umgesetzt wird. Der Spannungs-Strom-Wandler SSW ist in 6 mittels eines Operationsverstärker LM4, eines Feldeffekttransistor M2 und eines diskreten Transistors Q15 realisiert. Operationsverstärker LM4 und Transistoren Q15, M2 regeln den Spannungsabfall an einem Shuntwiderstand R46 so aus, dass die am Shuntwiderstand R46 abgegriffene Spannung exakt der Ausgangsspannung des ersten Filters F mit Tiefpasscharakteristik entspricht. Diese am Shuntwiderstand R46 abgegriffene Shuntspannung US ist direkt proportional zu dem in der Stromschleife L eingestellten Stromsignal.
  • Ist im ersten Datenstrom U1 sowohl die niederfrequente als auch die höherfrequente Signalkomponente, d. h. das einzustellende Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal, verschlüsselt, so kann mittels der in 6 gezeigten Schaltung sowohl das aus dem Gleichstromsignal bestehende ”Analogsignal” als auch das aus dem Wechselstromsignal bestehende „HART”-Signal auf die Stromschleife L aufgeschaltet werden. Nach Glättung des ersten Datenstroms U1 im ersten Filter F mit Tiefpasscharakteristik ergibt sich am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers LM4 eine Analogspannung mit einer Gleichspannungs- und einer Wechselspannungskomponente. Durch den Feldeffekttransistor M2 und den Transistor Q15 wird dann ein entsprechendes Stromsignal in der Stromschleife L eingestellt. Dafür ist die Stromausgangsschaltung S an die elektrisch negative Seite L– der Stromschleife L angeschlossen. Die elektrisch positive Seite L+ der Stromschleife L ist an der Spannungsversorgung PS angeschlossen. Der Operationsverstärker LM4 der Stromausgangsschaltung S wird von der Spannungsversorgung PS gespeist.
  • Die Verschlüsselung des einzustellenden Gleichstromsignals und des einzustellenden Wechselstromsignals in dem ersten Datenstrom U1 kann dadurch realisiert werden, dass die Eingangsgröße, aus welcher der digitale Delta-Sigma-Modulator DM den ersten Datenstrom U1 errechnet wird, durch die Summe von zwei unterschiedlichen Komponenten, bspw. dem ersten und dem zweiten Steuersignal A1, A2 oder daraus abgeleiteten Signalen W1, W2, gebildet wird: einer niederfrequenten Komponente für das einzustellende niederfrequente Gleichstromsignal und einer schneller oszillierenden Komponente für das einzustellende Wechselstromsignal. In der schneller oszillierenden Komponente können die digitalen Kommunikationssignale verschlüsselt sein, welche für die digitale Kommunikation mit dem zweiten System S2 genutzt werden.
  • Der zeitliche Verlauf der Schaltflanken des ersten Datenstroms U1, der bspw. aus einem Bitstrom besteht, wird im Allgemeinen während der Übermittlung über die galvanische Barriere GB verfälscht. In 6 ist die galvanische Barriere GB durch die gestrichelte Linie angedeutet. Es entsteht ein sog. Jitter. Um den Einfluss dieses Jitters zu vermeiden, enthält die Schaltung aus 6 zunächst ein Flip-Flop FL, hier ein D-Flip-Flop, welches den ersten Datenstrom U1 auf einen Takt CLK aufsynchronisiert, der bspw. in beiden voneinander galvanisch getrennten Bereichen, dem Primär- und dem Sekundärkreis, verfügbar ist. Für die Funktion ist dabei nicht relevant, in welchem der beiden galvanisch voneinander getrennten Bereiche der Takt CLK generiert wird. Entscheidend ist lediglich, dass die Signalverarbeitung in beiden Bereichen mit dem gleichen Takt CLK erfolgt.
  • Das Flipflop FL aus 6 wird mit einer präzisen Referenzspannung REF, die an dem Versorgungseingang VCC des Flip-Flops FL anliegt, betrieben. Diese Referenzspannung REF ermöglicht, die am Eingang des Operationsverstärkers LM4 anliegende Spannung präzise festzulegen. Enthält z. B. der erste Datenstrom U1 ein Bitmuster, welches 50% der Zeit High- und 50% der Zeit Low-Pegel führt, so ergibt sich am Ausgang des Flip-Flops FL 50% der Zeit eine Spannung von Null Volt und 50% der Zeit die Referenzspannung REF. Am ersten Filter F, einem passiven RC-Filter, aus 6 ergibt sich damit im zeitlichen Mittel exakt die Hälfte der Referenzspannung REF.
  • Für den Fall, dass die erste Übermittlungseinheit, welche den ersten Datenstrom U1 über die galvanische Barriere GB überträgt, nur eine geringe Signalverfälschung, auch als Jitter bezeichnet, verursacht, kann auf den Einsatz eines Flip-Flops FL verzichtet werden. In diesem Fall kann der erste Datenstrom U1 von der ersten Übermittlungseinheit direkt mit dem Eingang des ersten Filters F mit Tiefpasscharakteristik verbunden werden.
  • Um eine bidirektionale Signalübertragung und somit auch Kommunikation des ersten Systems S1 mit dem zweiten System S2 zu ermöglichen, ist es erforderlich, dass die Steuereinheit CPU aus 4 Informationen über das in der Stromschleife L eingestellte Stromsignal erhält, in denen das zweite System S2, bspw. eine übergeordnete Einheit, ihre digital zu übertragende Information verschlüsselt.
  • Gleichzeitig ist für die Überwachung der Funktion der Stromausgangsschaltung S aus 4, die mehrheitlich aus analogen Bauteilen besteht, erforderlich, eine Information über das in der Stromschleife L eingestellte Stromsignal an die Steuereinheit CPU weiterzuleiten. Dieses Stromsignal ist proportional zur Shuntspannung US, welche bspw. an dem in 6 gezeigten Shuntwiderstand R46 abgegriffen werden kann.
  • Die Übertragung der Informationen an die Steuereinheit CPU kann beispielsweise durch einen analogen Delta-Sigma-Modulator AM realisiert werden, wie er bspw. in 8 gezeigt ist.
  • Der von dem analogen Delta-Sigma-Modulator AM ausgegebene Datenstrom, bspw. ebenfalls ein Bitstrom, kann als zweiter Datenstrom U2 verwendet werden, welcher über die galvanische Barriere GB in Richtung Steuereinheit CPU übertragen wird. Dieser zweite Datenstrom U2 wird synchron zu einem Takt CLK generiert, der z. B. von der Steuereinheit CPU erzeugt wird und an den analogen Delta-Sigma-Modulator AM in 8 übertragen werden kann. Die gestrichelte Linie in 8 symbolisiert die galvanische Barriere GB.
  • In dem zweiten Datenstrom U2 werden zwei Signalkomponenten verschlüsselt, welche dem analogen Delta-Sigma-Modulator AM eingangsseitig zugeführt werden. Einerseits handelt es sich um eine Shuntspannung US, welche proportional zum Strom ist, welcher in der Stromschleife L fließt. Andererseits handelt es sich um ein Spannungssignal, welches dem Wechselstromsignal in der Stromschleife L entspricht. Das Spannungssignal wird zu diesem Zweck auf ein passives analoges Hochpassfilter gegeben und wechselstromentkoppelt auf den Delta-Sigma-Modulator aufgeschaltet. Das wird mittels eines zwischengeschalteten elften Kondensators C21 erreicht, der dazu dient Gleichspannungsanteile herauszufiltern. in einer vorteilhaften Ausführung wird dieses Hochpassfilter um eine Schaltungsstufe mit einer Frequenzcharakteristik ergänzt, welche zum Beispiel Netzfrequenzen von 50 oder 60 Hz unterdrückt und somit Störpegel verringert.
  • Ein solcher analoger Delta-Sigma-Modulator AM kann, im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten analogen Delta-Sigma-Modulatoren AM, mit geringeren Bauteilekosten aufgebaut werden, da keine Integrierten Schaltkreise verwendet werden. Im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungen ermöglicht der vorgeschlagenen analoge Delta-Sigma-Modulator AM zusätzlich zum Empfang digitaler Daten von der übergeordneten Einheit auch das Rücklesen des innerhalb der Stromschleife L fließenden Stroms und damit die Überwachung des ersten Filters F.
  • Die Komponenten eines analogen Delta-Sigma-Modulators AM werden aus den folgenden drei Schaltungselementen gebildet: erstens aus einem digitalen Register R (in 8 durch das Flip-Flop FL realisiert), welches das Ausgangssignal eines Komparators LM3 auf einen Takt CLK aufsynchronisiert. Drittens verknüpft ein sogenanntes Schleifenfilter sowohl die analogen Eingangssignale des analogen Delta-Sigma-Modulators AM als auch das Ausgangssignal des Registers R mit dem Eingang des Komparators LM3. Im Zusammenhang mit 8 bezeichnet „Schleifenfilter” diejenigen Bauelemente, welche in einem analogen Regelkreis den Ausgang des Registers R (Signal Modulator Out) in Form einer sogenannten „Regelschleife” mit dem Eingang des Komparators LM3 verknüpfen.
  • Die Frequenzcharakteristik dieses Schleifenfilters legt die Frequenzcharakteristik des Digitalisierungsrauschens und damit die Auflösung des analogen Delta-Sigma-Modulators AM fest. Je höher die Ordnung dieses Tiefpasses, desto effektiver kann das Quantisierungsrauschen unterdrückt werden. Jedoch ist bezüglich des Aussteuerverhaltens und bezüglich der Stabilität des Regelkreises des analogen Delta-Sigma-Modulators AM eine zu hohe Filterordnung unvorteilhaft. Das Schleifenfilter aus 8 weist damit eine Filtercharakteristik zweiter Ordnung auf, wobei die erste Ordnung des Filters bzw. der erste Pol der zugehörigen Übertragungsfunktion durch die Integratorschaltung (zehnter Widerstand R25, achter Kondensator C4, Operationsverstärker LM2) gebildet wird und die zweite Ordnung, bzw. der zweite Pol der Übertragungsfunktion durch das aus dem siebten Widerstand R23 und dem sechsten Kondensator C27 bestehende RC-Filter gebildet wird.
  • Das Schleifenfilter des analogen Delta-Sigma-Modulators AM in 8 wird durch ein sogenanntes zeitkontinuierliches Filter realisiert. Dies ermöglicht mit besonders preisgünstigen Operationsverstärkern LM2, LM3 mit geringer Bandbreite und geringer Leistungsaufnahme arbeiten zu können. Aus dem Stand der Technik bekannte analoge Delta-Sigma-Modulatoren AM arbeiten üblicherweise mit sogenannten zeitdiskreten Schleifenfiltern (Switched-Capacitor-Filter), welche jedoch ohne die Entwicklung eines spezialisierten Integrierten Schaltkreises nur schwer und damit teuer realisiert werden können.
  • Eine weitere Besonderheit ist, dass das in 8 gezeigte Schleifenfilter eine Filtercharakteristik zweiter Ordnung realisiert, dafür jedoch lediglich einen Operationsverstärker LM2 benötigt.
  • Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass der analoge Delta-Sigma-Modulator AM aus 8 über zwei separate Eingangspfade verfügt, welche unabhängig voneinander eine Gleichspannungs- und eine Wechselspannungskomponente auf das Schleifenfilter aufkoppeln.
  • Bezüglich der Dimensionierung des Arbeitstaktes des analogen Delta-Sigma-Modulators AM sind die folgenden Betrachtungen bedeutsam. Um mit preisgünstigen Schaltungskomponenten auszukommen, z. B. mit Operationsverstärkern mit einem geringen Verstärkungs-Bandbreiteprodukt (Gain Bandwidth Product) von z. B. 1 MHz, ist es vorteilhaft, sich beim (Daten-)Takt CLK auf Frequenzen unterhalb von ca. 3 MHz zu beschränken. Andererseits ist eine ausreichende sogenannte Oversampling-Rate erforderlich, um sicherzustellen, dass die größte gewünschte Nutzfrequenz des analogen Delta-Sigma-Modulators AM mit ausreichend geringer Verfälschung übertragen wird. Arbeitet man zweckmäßig z. B. mit einer Oversampling-Rate von mindestens 64 und einer Nutzfrequenz von max. 5 kHz, so ergibt sich für den Takt CLK ein sinnvoller Minimalwert von rund 300 kHz. Vorteilhafterweise wird somit für den Takt CLK eine Frequenz zwischen 200 kHz und 4 MHz verwendet. Soll der Modulator nur fürs Zurücklesen des Gleichstromsignals verwendet werden, kommen auch geringere Taktfrequenzen in Betracht, z. B. von 64·30 Hz = 2 kHz.
  • Sowohl das Gleichstromsignal als auch das Wechselstromsignal finden sich digital verschlüsselt in dem am Ausgang des Registers R abgreifbaren zweiten Datenstrom U2 wieder, welcher über die galvanische Barriere GB hinweg an die Steuereinheit CPU und/oder Auswerteeinheit weitergeleitet werden kann.
  • In einem digitalen Dezimationsfilter D1 können der dem Gleichstromsignal entsprechende Anteil und der dem Wechselstromsignal entsprechende Anteil des zweiten Datenstroms U2 wiederum voneinander getrennt und an die Steuereinheit CPU weitergeleitet werden. Mittels digitaler Signalverarbeitung können dann aus dem dem Wechselstromsignal entsprechenden Anteil des zweiten Datenstroms U2 die digitalen Daten extrahiert werden, welche bspw. die übergeordnete Einheit in die Stromschleife L einstellt hat. Eine Auswertung ermöglicht damit den Empfang von digitalen Daten seitens der Steuereinheit CPU.
  • Von Vorteil ist, dass die Verschlüsselung von Gleichstromsignalen und Wechselstromsignalen auf einer einzelnen Digitalleitung mittels Delta-Sigma-Modulatoren möglich ist und die Erzeugung der Datenströme U1, U2 ohne großen Hardware-Aufwand gelingt.
  • Ein digitaler Delta-Sigma-Modulator DM kann z. B. mit nur wenig Logikressourcen innerhalb in eines sogennanten Field Programmable Gate Arrays FPGA oder eines sogenannten Complex Programmable Logic Device CPLD Integrierten Schaltkreises realisiert werden.
  • Auch ein analoger Delta-Sigma-Modulator AM lässt sich mit einer geringen Anzahl elektronischer Bauelemente einfach aufbauen. Es werden im Minimalfall nur ein Operationsverstärker LM2 und ein Komparator LM3 benötigt.
  • Die Anzahl der elektronischen Komponenten ist damit weit geringer als bei im Stand der Technik verwendeten konventionellen Lösungen. Dies geht mit einer erhöhten Robustheit und geringeren Bauteilekosten einher.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, dass die Anzahl der Schaltungskomponenten, welche für die Erzeugung und Überwachung der analogen 4–20 mA Signale benötigt werden, sehr gering ist.
  • Insbesondere kann die eigentlich als Stromausgang S konzipierte Schaltung mit der erfindungsgemäßen Rückleseschaltung ohne Mehrkosten auch als „Stromeingang” genutzt werden. Dafür kann ein Betriebsmodus des ersten der Steuereinheit CPU und der Stromausgangsschaltung S vorgesehen sein. Bei der Nutzung der in 4 gezeigten Schaltung als „Stromeingang” wird das erste System S1 über eine Stromschleife L mit einem zweiten System S2 verbunden, welches zweite System S2 den innerhalb der Stromschleife L fließenden Strom bspw. mittels einer Stromquelle oder einer anderen vorgesehenen Einheit auf einen Stellwert begrenzen kann. Wird der Strom des Spannungs-Strom-Wandlers SSW aus 4 auf einen maximalen Wert eingestellt, so wird der innerhalb der Stromschleife L fließende Strom nicht durch die Steuereinheit CPU und die Stromausgangschaltung S begrenzt, sondern vielmehr durch die Stromquelle oder die dafür vorgesehene Einheit des zweiten Systems S2 auf den Stellwert begrenzt. Der Rücklesekanal aus 8 liefert in diesem Fall den effektiv innerhalb der Stromschleife L fließenden Strom zurück. Die kombinierte Schaltung bestehend aus Steuereinheit CPU und Stromausgangschaltung S arbeitet in diesem Fall als „Stromeingang”.
  • Für die Genauigkeit des im Betrieb als Stromausgang S generierten Gleichstromsignals bestimmend sind, neben der Genauigkeit der Referenzspannung REF mit der das Flip-Flop FL betrieben wird, die Genauigkeit des Shuntwiderstands R46 und die Genauigkeit des ersten Filters F.
  • Da im Fall von Nebenschlusswiderständen eine Genauigkeit von wenigen ppm auch für Präzisionswiderstände unter Serienbedingungen nicht gewährleistet werden kann, ist in der Praxis ein Abgleich der Schaltung zur Generierung der Gleichstromsignale und Wechselstromsignale erforderlich. Für die in der Fertigung erforderlichen Prozesszeiten ist für die Abgleichdauer die Einschwingzeit der Schaltung maßgeblich. Diese Einschwingzeit wird in dem Ausführungsbeispiel in 6 in erster Linie durch die Frequenzcharakteristik des analogen, ersten Filters F, bestehend aus der RC-Filter-Kaskade, vorgegeben. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, dass bei Verwendung eines digitalen Delta-Sigma-Modulators DM zur Generierung des ersten Datenstroms U1 ein erster Filter F mit einer besonders hohen Grenzfrequenz verwendet werden kann. Vorteilhafterweise wird diese Grenzfrequenz in der Größenordnung der maximalen Frequenz der Wechselstromkomponente gewählt, welche für die digitale Datenkodierung genutzt wird. Im Fall des HART-Protokolls beispielsweise oberhalb von ca. 2.2 kHz (Baudrate 1200 BPS) oder ca. 6 kHz (Baudrate 4.8 BPS). Durch Verwendung dieser hohen Grenzfrequenz ergibt sich automatisch eine besonders geringe Einschwingzeit. Diese kurze Einschwingzeit ermöglicht z. B. den Abgleich einer Elektronikbaugruppe innerhalb einer besonders kurzen Prüfzeit.
  • In einer Ausführungsform verfügt die erfindungsgemäße Schaltung über einen nichtflüchtigen Speicher, beispielsweise in Form eines sogenannten EEPROMs oder FLASH-Speichers. Nach Durchführung der Abgleichmessung können Korrekturwerte ermittelt und im Speicher abgelegt werden, welche die rechnerische Kompensation der Toleranzen des Shuntwiderstand R46s ermöglichen und somit eine hohe Genauigkeit des Stromsignals in der Stromschleife L.
  • Auf die gleiche Weise können auch Toleranzen der verwendeten Referenzspannung REF und eine sich ggf. ausbildende sogenannte Offsetspannung des Operationsverstärkers LM4 aus 6 und 7 ermittelt und kompensiert werden.
  • Da für die Genauigkeit des innerhalb der Stromschleife L fließenden Stromsignals die am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers LM4 aus 6 anliegende Spannung maßgeblich ist, ist es erforderlich, ggf. fließende Leckströme zu berücksichtigen. Fließt beispielsweise über den zweiten Glättungskondensator C25 aus 6 ein parasitärer Gleichstrom, z. B. wegen Feuchtigkeitsfilmen auf dem Bauelement, so führt dieser Gleichstrom zu einem Spannungsabfall am zweiten RC-Glied. Analoge Überlegungen gelten für alle Bauelemente des in 6 gezeigten ersten Filters F mit Tiefpasscharakteristik. Zu einer ebensolchen Verfälschung des Gleichspannungspotentials führt ein Leckstromabfluss, welcher zwischen einem der Widerstandsanschlüsse des ersten Filters F und einem sich in der Nähe befindlichen Bauelement oder einer sich in der Nähe befindlichen Leiterbahn ausbildet. Entscheidend für die Auswirkung eines Leckstromabflusses auf die Genauigkeit des Aufbaus ist die Gleichstromimpedanz des Schaltungsknotens. Nur bei einer hohen Impedanz ergibt sich durch Leckströme ein bedeutsamer Spannungsabfall.
  • In 6 betrifft das somit insbesondere die Schaltungsknoten des ersten Filters F, die nicht beliebig niederohmig ausgeführt werden können, weil sonst die Ausgangsimpedanz des Treibergatters – in 7 das D-Flip-Flop – nicht gering genug ist.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist daher der erste Filter F mit einem isolierenden Schutzlack überdeckt. Das Aufbringen einer Schutzlackierung bedeutet für die Erzeugnisfertigung einen zusätzlichen Prozessschritt, welcher Material- und Arbeitskosten verursacht.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wir die Ausbildung parasitärer Leckströme der oben beschriebenen Art auf andere Weise unterbunden. Zu diesem Zweck werden der erste, zweite, dritte und vierte Glättungskondensator C24, C25, C26, C23 nicht mehr leitend mit einem Massepotential verbunden, sondern mit einem Schirmsignal, welches näherungsweise das gleiche Gleichspannungspotential aufweist, wie es am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers LM4 anliegt, bezüglich höherer Frequenzen jedoch niederimpendant mit dem Massepotential verbunden ist. Vorteilhafterweise wird der Signalpfad des ersten, zweiten, dritten und vierten RC-Gliedes des ersten Filters F außerdem mittels einer Leiterschleife aktiv geschirmt, d. h. mit einem sogenannten Wächter-Ring G (Guard-Ring) umschlossen, wobei dieser Wächterring G ebenfalls mit einem solchen Schirmsignal verbunden ist. Dieser Wächterring G ist auf der Leiterplatte der erfindungsgemäßen Baugruppe vorteilhafterweise nicht mit Isolationsschutzlack überdeckt, d. h. frei von Isolationsschutzlack.
  • Durch Verwendung des Wächterrings G und des Schirmpotentials an dem ersten, zweiten, dritten und vierten Glättungskondensator wird sichergestellt, dass in der Umgebung der hochohmigen Schaltungsknoten des ersten Filters F die Ausbildung einer Gleichstromkomponente unterbunden wird, welche zwischen diesem Knoten und einem anderen Potential fließen könnte.
  • Eine mögliche Realisierung eines erfindungsgemäßen Schirmpotentials ist in 7 dargestellt. Das Schirmpotential wird in diesem Fall dadurch generiert, dass eine Spannung genutzt wird, welche das gleiche Wechselspannungspotential führt, wie der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers LM4. Im Unterschied zum Eingang des Operationsverstärkers LM4 ist diese verwendete Spannung aber wesentlich niederimpedanter.
  • Das erste Filter F aus 7 kann eine Grenzfrequenz aufweisen, welche die Transmission der für die digitale Kommunikation mit dem zweiten System S2 verwendeten Wechselstromsignal-Frequenzbereiche gestattet. Andererseits soll die Grenzfrequenz ausreichend niedrig sein, um im ersten Datenstrom U1 gegebenenfalls enthaltenes hochfrequentes Signalrauschen ausreichend zu unterdrücken. Ist der erste Datenstrom U1 bspw. ein Bitstrom und wird als Bitrate des Bitstroms beispielsweise eine Frequenz F von 500 kHz bis 1 MHz verwendet, so sollte die Grenzfrequenz des ersten Filters F mit Tiefpasscharakteristik um eine ausreichende sogenannte „Oversampling-Rate” von z. B. 128 bis 256 niedriger liegen als die Datenrate des Bitstroms.
  • Im Allgemeinen ist jedoch eine sogenannte „flache” Übertragungscharakteristik mittels passiver RC-Glieder nur schwer zu realisieren, d. h. eine Übertragungscharakteristik, welche im relevanten Frequenzband Signale unabhängig von der Frequenz mit gleicher Amplitude überträgt. Im Fall eines Filters mit Tiefpasscharakteristik werden im Allgemeinen höhere Signalfrequenzen stärker bedämpft als niedrigere Signalfrequenzen. Dies kann dazu führen, dass die an das zweite System S2 zu übertragenden Stromsignale höherer Frequenz, z. B. 2200 Hz, stärker bedämpft werden als die Signalkomponenten geringerer Frequenz, z. B. 1200 Hz. Dieses Problem kann dadurch behoben werden, dass an Stelle eines passiven RC-Gliedes ein aktives Filter zum Einsatz kommt. Dies würde jedoch in höheren Kosten und in einer potentiellen Nichtlinearität resultieren. Alternativ ist es möglich die Verzerrung auf andere Weise zu beheben. Zu diesem Zweck kann ein digitales Filter DF hinzugefügt werden, welches die Verzerrung im ersten Filter F mit Tiefpasscharakteristik annähernd kompensiert. Das digitale Filter DF kann an verschiedenen Stellen im Signalpfad positioniert werden. Eine mögliche Position ist in 5 gezeigt. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Berechnung der Summe der Steuersignale bzw. des ersten und des zweiten Steuersignals ebenso wie die Steuersignale selbst bzw. das erste und zweite Steuersignal in einem digitalen Schaltkreis durchgeführt. Beispielsweise innerhalb eines sogenannten Gate-Arrays, Structured ASIC oder innerhalb eines sogenannten FPGAs oder CPLDs.
  • Bezugszeichenliste
    • S1
      Erstes System
      S2
      Zweites System
      L
      Zweileiter-Stromschleife
      AB
      Erster Frequenzbereich des Gleichstromsignals
      DB
      Zweiter Frequenzbereich des Wechselstromsignals
      E
      Energie
      F
      Frequenz
      CPU
      Steuereinheit
      DAC
      Digital-Analog-Wandler
      ADC
      Analog-Digital-Wandler
      HART-MODEM
      HART MODEM
      B1
      Erster Bandpassfilter
      B2
      Zweiter Bandpassfilter
      K
      Wechselstromkopplung
      AS1
      Anschluss Stromschleife
      SSW
      Spannungs-Strom-Wandler
      R1
      Erstes Register
      R2
      Zweites Register
      ADD
      Addierer
      DM
      Digitaler Delta-Sigma-Modulator
      AM
      Analoger Delta-Sigma-Modulator
      F
      Erster Filter
      Sensor
      Messaufnehmer/Sensor
      D1
      Dezimationsfilter
      DF
      Digitaler Filter
      CLK
      Takt
      GND
      Masse
      VCC
      Versorgungseingang
      Q15
      Transistor
      REF
      Versorgungsspannung
      LM2
      Operationsverstärker
      LM3
      Komparator
      LM4
      Operationsverstärker
      GB
      Galvanische Barriere
      FL
      Flip-Flop
      M2
      Feldeffekttransistor
      Q15
      Transistor
      L+
      Positiver Stromschleifenanschluss
      L–
      Negativer Stromschleifenanschluss
      PS
      Spannungsversorgung
      REF
      Referenzspannung
      PS2
      Versorgungsspannung für Operationsverstärker
      PS3
      Versorgungsspannung für Operationsverstärker
      PS4
      Versorgungsspannung für Operationsverstärker
      U1
      Erster Datenstrom
      U2
      Zweiter Datenstrom
      U3
      Taktsignal
      G
      Wächterring
      US
      Shuntspannung
      R46
      Shuntwiderstand
      R
      Register
      S
      Stromausgangsschaltung
      A1
      Erstes Steuersignal
      A2
      Zweites Steuersignal
      C24
      Erster Glättungskondensator
      C25
      Zweiter Glättungskondensator
      C26
      Dritter Glättungskondensator
      C23
      Vierter Glättungskondensator
      C22
      Kondensator
      R64
      Erster Widerstand
      R63
      Zweiter Widerstand
      R62
      Dritter Widerstand
      R61
      Vierter Widerstand
      R53
      Fünfter Widerstand
      C22
      Erster Kondensator
      C32
      Zweiter Kondensator
      C31
      Dritter Kondensator
      C29
      Vierter Kondensator
      C28
      Fünfter Kondensator
      R30
      Sechster Widerstand
      C27
      Sechster Kondensator
      C5
      Siebter Kondensator
      R23
      Siebter Widerstand
      C4
      Achter Kondensator
      R13
      Achter Widerstand
      R44
      Neunter Widerstand
      C20
      Neunter Kondensator
      R25
      Zehnter Widerstand
      R28
      Elfter Widerstand
      C19
      Zehnter Kondensator
      R40
      Zwölfter Widerstand
      C21
      Elfter Kondensator
      R41
      Dreizehnter Widerstand
      R12
      Vierzehnter Widerstand
      R51
      Fünfzehnter Widerstand
      R49
      Sechzehnter Widerstand
      R50
      Siebzehnter Widerstand
      R48
      Achtzehnter Widerstand
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 69835808 T2 [0011]

Claims (15)

  1. Verfahren zur Signalübertragung zwischen einem ersten und einem zweiten System (S1, S2), wobei das erste und das zweite System (S1, S2) über eine Stromschleife (L) miteinander in Verbindung stehen, wobei ein Gleichstromsignal in einem ersten Frequenzbereich (AB) und ein Wechselstromsignal in einem zweiten Frequenzbereich (DB) über die Stromschleife (L) übertragen werden, wobei sich das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal überlagern, wobei das Wechselstromsignal zur digitalen Signalübertragung und das Gleichstromsignal zur analogen Signalübertragung verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuereinheit (CPU) ein erster Datenstrom (U1) erzeugt wird, in welchem das in der Stromschleife (L) einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal digital verschlüsselt sind, dass der erste Datenstrom (U1) an eine Stromausgangsschaltung (S) übermittelt wird, dass der übermittelte erste Datenstrom (U1), von der Stromausgangsschaltung in ein Stromsignal umgesetzt wird, welches Stromsignal aus dem sich überlagernden Gleichstromsignal und Wechselstromsignal besteht, oder dass der übermittelte erste Datenstrom (U1) von der Stromausgangsschaltung (S) in das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal umgesetzt wird, und dass das Stromsignal bzw. das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal in der Stromschleife (L) eingestellt werden.
  2. Verfahren zur Signalübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Stromschleife (L) eingestellte Gleichstromsignal und Wechselstromsignal in einen zweiten Datenstrom (U2) umgewandelt werden, in welchem zweiten Datenstrom (U2) das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal digital verschlüsselt sind, und dass der zweite Datenstrom (U2) von der Stromausgangsschaltung (S) an die Steuereinheit (CPU) rückübermittelt wird.
  3. Verfahren zur Signalübertragung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Datenstrom (U1) und/oder der zweite Datenstrom (U2) über eine galvanische Barriere (GB) übermittelt werden.
  4. Verfahren zur Signalübertragung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit (CPU) ein Wert des in der Stromschleife (L) eingestellten und rückübermittelten Gleichstromsignals und/oder Wechselstromsignals mit einem Sollwert verglichen wird.
  5. Verfahren zur Signalübertragung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsmodus vorgesehen ist, in welchem Betriebsmodus mittels des ersten Datenstroms (U1) ein maximaler Wert des in der Stromschleife (L) einstellbaren Gleichstromsignals vorgegeben wird, in welchem Betriebsmodus weiterhin der Wert des Gleichstromsignals in der Stromschleife (L) von einer in dem zweiten System (S2) vorgesehenen Einheit auf einen Wert kleiner oder gleich dem vorgegebenen maximalen Wert begrenzt wird, und in welchem Betriebsmodus der in der Stromschleife (L) eingestellte Wert des Gleichstromsignals über den zweiten Datenstrom (U2) an die Steuereinheit (CPU) übermittelt wird.
  6. Elektrische und/oder elektronische Schaltung zur Signalübertragung zwischen einem ersten und einem zweiten System (S1, S2), wobei das erste und das zweite System (S2) über eine Stromschleife (L) miteinander in Verbindung stehen, wobei die Stromschleife (L) dazu dient, in einem ersten Frequenzbereich (AB) ein Gleichstromsignal und in einem zweiten Frequenzbereich (DB) ein Wechselstromsignal zu übertragen, wobei sich das Wechselstromsignal und das Gleichstromsignal überlagern, wobei das Gleichstromsignal zur analogen Signalübertragung und das Wechselstromsignal zur digitalen Signalübertragung dient, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (CPU) vorgesehen ist, welche zur Erzeugung eines ersten Datenstroms (U1) dient, in welchem ersten Datenstrom (U1) das in der Stromschleife (L) einzustellende Gleichstromsignal und Wechselstromsignal digital verschlüsselt sind, dass eine erste Übermittlungseinheit vorgesehen ist, welche dazu dient, den ersten Datenstrom (U1) an eine Stromausgangsschaltung (S) zu übermitteln, und dass die Stromausgangsschaltung (S) dazu dient, den übermittelten ersten Datenstrom (U1) in ein Stromsignal umzusetzen, welches Stromsignal aus dem sich überlagernden Gleichstromsignal und Wechselstromsignal besteht, oder dass die Stromausgangsschaltung (S) dazu dient, den übermittelten ersten Datenstrom (U1) in das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal umzusetzen.
  7. Elektrische und/oder elektronische Schaltung nach dem vorherigen Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Signalverarbeitungseinheit vorgesehen ist, die einen digitalen Sigma-Delta-Modulator (DM) umfasst, der dazu dient, den ersten Datenstrom (U1) zu erzeugen.
  8. Elektrische und/oder elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Synchronisierungseinheit vorgesehen ist, die dazu dient, den übermittelten ersten Datenstrom mit einem vorgegebenen Takt zu synchronisieren.
  9. Elektrische und/oder elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromausgangsschaltung (S) einen ersten Filter (F) mit einer Tiefpasscharakteristik aufweist, welcher den übermittelten ersten Datenstrom (U1) in eine analoge Spannung umsetzt.
  10. Elektrische und/oder elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische und/oder elektronische Bauteile der Stromausgangsschaltung räumlich von elektrischen Leiterbahnen umgeben sind, welche Leiterbahnen aktiv auf dem im Wesentlichen gleichen Gleichspannungspotential gehalten werden wie die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile.
  11. Elektrische und/oder elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromausgangschaltung (S) eine zweite Signalverarbeitungseinheit aufweist, welche das in der Stromschleife (L) eingestellte Gleichstromsignal und/oder Wechselstromsignal in einen zweiten Datenstrom (U2) umwandelt, in welchem zweiten Datenstrom (U2) das Gleichstromsignal und das Wechselstromsignal digital verschlüsselt sind.
  12. Elektrische und/oder- elektronische Schaltung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Signalverarbeitungseinheit einen analogen Delta-Sigma-Modulator (AM) aufweist, der dazu dient, den zweiten Datenstrom (U2) zu erzeugen.
  13. Elektrische und/oder elektronische Schaltung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein für die Modulation verwendetes Schleifenfilter des analogen Delta-Sigma-Modulators (AM) ein zeitkontinuierliches Filter ist.
  14. Elektrische und/oder elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Übermittlungseinheit vorgesehen ist, die dazu dient, den zweiten Datenstrom (U2) an die Steuereinheit (CPU) zu übermitteln.
  15. Feldgerät der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik mit einer elektrischen und/oder elektronischen Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 14.
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