用于在电流隔离的电路部分之间传输数字信号的传输设备以及具有这类传输设备的现场设备

技术领域

本发明涉及一种用于在电流隔离的电路部分之间传输数字信号的传输设备，并涉及一种具有这类传输设备的现场设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种传输设备以及一种具有这种传输设备的现场设备，其能够简单地在模块化电子单元、尤其是现场设备电子单元的不同电路部分之间传输数字信号。根据独立权利要求1所述的传输设备以及根据独立权利要求13所述的现场设备来根据本发明实现该目的。

根据本发明的传输设备包括：第一子电路以及与第一子电路电流隔离的第二子电路，该第二子电路还被配置为从第一子电路供应电力和/或经由数字信号与第一子电路进行通信，这些数字信号被传输作为二进制信号电平的时间序列；其中，第一子电路包括：载波信号源，该载波信号源被配置为将具有恒定载波频率和恒定振幅的载波信号输出到载波信号输出；数字信号源件，该数字信号源被配置为在信号电平输出处输出具有可用信号频率的二进制信号电平，该可用信号频率不大于载波频率的10％，例如不大于载波频率的1％；第一逻辑组件，该第一逻辑组件被配置为对两个输入信号执行“与”运算，并具有第一逻辑输入、第二逻辑输入和第一逻辑输出，该第一逻辑输出被配置为相对于第一参考电位输出第一逻辑输出信号，其中，第一逻辑输入被连接到信号电平输出，其中，第二逻辑输入被连接到载波信号源输出；其中，第二子电路包括：信号输入；信号输出；第一RC元件；其中，信号输入、信号输出和RC元件相对于第二参考电位相互并联连接；其中，第一隔离电容器被连接在第一逻辑输出与信号输入之间以便电流隔离；且其中，第二隔离电容器被连接在第一参考电位与第二参考电位之间以便电流隔离。

在本发明的发展中，第一隔离电容器和第二隔离电容器各自包括多个电容器的串联电路，特别是三个电容器的串联电路。

在本发明的发展中，信号输入包括与第一RC元件并联且相互串联布置的至少两个肖特基二极管，其中，在至少两个肖特基二极管之间第一隔离电容器被连接到信号输入。

在本发明的发展中，载波信号源包括振荡器。

在本发明的发展中，第一施密特触发器被布置在第一逻辑输出与第一隔离电容器之间。

在本发明的发展中，第二施密特触发器被布置在第一RC元件与信号输出之间。

在本发明的发展中，载波信号频率不小于1MHz，尤其是不小于2MHz，其中，可用信号频率不小于10kHz，例如不小于20kHz，特别是不小于40kHz。

在本发明的发展中，所述传输设备包括CPLD(complex programmable logicaldevice，复杂可编程逻辑器件)或微控制器，其中，载波信号源和第一逻辑组件被集成到该CPLD或微控制器中。

在本发明的发展中，信号输出被连接到总线，尤其是I

在本发明的发展中，所述传输设备进一步包括反向传输路径，其用于将数字信号从第二子电路传输到第一子电路，其中，该传输路径包括第二逻辑组件，该第二逻辑组件被配置为对两个输入信号执行“与”运算，并具有第三逻辑输入、第四逻辑输入和第二逻辑输出，其中，第三逻辑输入连接到总线，其中，第四逻辑输入应用有被分接在第一隔离电容器与第一RC元件之间的电位，其中，第二逻辑输出经由第三隔离电容器被连接到第一电路部分的信号输入。

在本发明的发展中，所述传输设备包括第二CPLD或微控制器，其中，第二逻辑组件被集成到该第二CPLD或微控制器中。

在本发明的发展中，信号源包括微处理器。

工业过程测量技术中的根据本发明的现场设备包括根据本发明的传输设备，其中，第一子电路包括现场设备的主电子单元，其中，第二子电路包括现场设备的传感器电子单元，其中，传感器电子单元包括I

在本发明的发展中，I

附图说明

下面基于附图所示的示例性实施例描述本发明。图中：

图1示出根据本发明的传输设备的第一示例性实施例的示意图；

图2示出图1的传输设备的操作期间的信号图；

图3示出用于根据本发明的传输设备的能量传输电路的示例性实施例；以及

图4示出根据本发明的现场设备的示例性实施例。

具体实施方式

图1所示的传输设备100的示例性实施例包括第一电路部分110和第二电路部分150，其中，这两个电路部分相互电流隔离。

第一子电路110包括数字信号源112，在这种情况下为微处理器，其被配置为在信号电平输出处输出具有可用信号频率的二进制信号电平。其中，可用信号频率例如可为40kHz。此外，第一电路部分100包括载波信号源，在这种情况下为时钟信号发生器116，其频率例如为4MHz。在这种情况下，时钟信号频率为可用信号频率的一百倍，这绰绰有余。无论如何有利的是，时钟频率为可用信号频率的至少十倍。第一子电路进一步包括第一逻辑组件118，其用于实施两个信号之间的“与”运算，其最简单的形式可为离散“与”门。然而，在这种情况下优选的是，将第一逻辑组件118与时钟信号发生器116一起集成到CPLD或微控制器中。数字信号源112的信号电平输出被连接到第一逻辑组件118的第一逻辑输入114，其中，第二逻辑输入被连接到时钟发生器116的输出。

图2中的曲线114.通过示例示出二进制信号电平的序列，即第一逻辑输入114处的1和0，而曲线130.表示第一逻辑组件118的第一逻辑输出130处的所得信号。如果第一逻辑输入114处的电平假设较高值1，则将在第一逻辑输出130处输出载波信号；否则反之。该4MHz振荡信号可经由第一隔离电容器202被传输到电流隔离的第二子电路150。

在图中，第一隔离电容器202表示为单个电容器C1。实际上，出于防爆相关的原因，第一隔离电容器202被实施为三个电容器的串联电路。这同样适用于布置在第一子电路110和第二子电路150的参考电位之间的第二隔离电容器204。

第二子电路150包括：连接到第一隔离电容器202的信号输入154、信号输出164以及具有第一平滑电容器160和第一放电电阻元件162的第一RC元件。信号输入154、信号输出164、第一平滑电容器160和放电电阻元件162相对于第二参考电位相互并联。第一肖特基二极管156被布置在信号输入154与RC元件或信号输出之间，其中，第二肖特基二极管158被连接在第二参考电位与信号输入154之间。第一平滑电容器可以例如具有几10pF、特别是40pF至60pF的电容。放电电阻元件可以具有例如几kΩ、特别是20kΩ至30kΩ的电阻值。在图2中，在信号输出164处的所得平滑信号被表示为曲线164.。可以看出，在数字信号源112的第一逻辑输入114处馈入的信号被可靠地传输并且无延迟，其具有适合于进一步处理的信号摆幅。

图3示出用于通过第一电路部分310向第二电路部分350供应电力的传输设备300的示例性实施例，其中，这两个电路部分相互电流隔离。传输原理与图1的相似，但在这种情况下，既无需数字信号源也无需逻辑组件来实施“与”运算。还取消了放电电阻元件。第一子电路310包括载波信号源，在这种情况下为开关控制器316，例如具有例如1MHz至2MHz频率的TPS 62240。该高频信号可经由第一隔离电容器302被传输到电流隔离的第二子电路350。在图中，第一隔离电容器302被表示为单个电容器C1。实际上，出于爆炸保护相关的原因，第一隔离电容器302被实施为三个电容器的串联电路。这同样应用于被布置在第一子电路310和第二子电路350的参考电位之间的第二隔离电容器304。第二子电路350包括：被连接到第一隔离电容器302的电力信号输入354、电力信号输出364和平滑电容器360。电力信号输入354、电力信号输出364和平滑电容器360相对于第二参考电位相互并联。第一肖特基二极管356布置在电力信号输入354与平滑电容器360或电力信号输出364之间，其中，第二肖特基二极管358连接在第二参考电位与电力信号输入354之间。第一平滑电容器可以例如具有几μF、特别是10μF至100μF的电容。图3所示的传输设备可与第一示例性实施例良好地组合，以便实现对第二子电路的电力供应。

本发明尤其可在工业过程测量技术的现场设备中实施，其中，这样的现场设备被配置为检测测量值，诸如填充水平、流压温度、pH值、密度粘度、电导率或物质浓度，并输出相应的测量信号。

图4开始基于传输设备的第一示例性实施例示出现场设备10的操作电路的示例性实施例。现场设备10包括第一子电路110和第二子电路150，该第二子电路150通过隔离电容器202、204、402而与第一子电路110电流隔离。关于提供有与图1相同的附图标记的组件，相应地适用有关图1的表述。第一子电路110进一步包括主电子单元的功能，该主电子单元以已知的方式确保与现场设备10的控制系统和电力供应进行通信。尽管未示出第一逻辑输出130上游的电路组件，但它们当然存在。作为第一示例性实施例的补充，用于调节待传输信号的第一施密特触发器127被布置在第一逻辑输出与第一隔离电容器202之间。第二施密特触发器167被布置在RC元件与信号输出167之间。这消除了图2所示的信号164的时间扩展边沿。所谓的上拉电阻元件165被布置在信号输出164紧前方，并具有例如10kΩ的电阻值。信号输出164经由I

为了输出“高”，测量转换器180连接实质上高于上拉电阻元件165的电阻的高输入阻抗。因此，由施密特触发器167设定的连续“高”电平被路由到第二逻辑组件的第三逻辑输入。

为了输出“低”，测量转换器180连接实质上低于上拉电阻元件165的电阻的低输入阻抗。因此，由施密特触发器167设定的连续“高”电平在上拉电阻元件165后面崩溃，这在第三逻辑输入处产生期望的“低”。

第二逻辑组件418的第二逻辑输出将输出信号经由第三隔离电容器402输出到第一子电路110的返回信号输入454，该返回信号输入的两侧又有两个肖特基二极管456、458。

从返回信号输入454，信号到达返回信号输出464，其中，相对于第一参考电位，返回信号输入454与返回信号输出在第二平滑电容器460和第二放电电阻元件462处并联。第二平滑电容器460的电容与第一平滑电容器160的电容大致相同。第二放电电阻元件462的电阻与第一放电电阻元件162的电阻大致相同。

电容式测量转换器，例如德州仪器公司(Texas Instruments)的命名为FDC2212的测量转换器被用作特别是测量转换器。