DE68922210T2 - Signalbearbeitungsschaltungen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Signalaufbereitung oder -verarbeitung, beispielsweise für die Verwendung bei industriellen Steuer- oder Regelanwendungen und Insbesondere auf Schaltkreise für die Aufnahme und Aufbereitung einer Vielfalt von Signalen.
• Industrielle Digital- und Frequenzeingangsschaltkreise sind normalerweise Widerstandsschaltkreise mit Optokopplung für die erforderliche Isolation. Sie sind In der Lage, ein standardmäßiges Steuersignal, wie z.B. 24 Volt Gleichspannung, 125 Volt Gleichspannung, 117 Volt Wechselspannung oder 230 Volt Wechselspannung aufzunehmen.
• Ein Nachteil dieser Schaltkreise liegt darin, daß sie die Einstellung von Jumpern (Brücken) erfordem, um einen gewünschten Signalbereich auszuwählen. Ansonsten sind die Schaltkreise auf nur einen Signaltyp begrenzt. Ein gemeinsames Problem liegt darin, daß die Benutzer schließlich die Jumper für ihre jeweilige Anwendung in die falsche Position setzen, wodurch Fehler bzw. ein Systemausfall auftreten.
• Ein weiteres Problem mit einem Widerstandseingangsschaltkreis liegt darin, daß bei Erhöhung der angelegten Spannung der Strom- bzw. Energieverbrauch beschleunigt anwächst. In Abhängigkeit von dem Verfahren der Überwachung besteht auch eine Einschränkung hinsichtlich der Kenntnis des Signales. Wenn beispielsweise der Wert (das Spannungsniveau) 10 mal pro Sekunde überprüft wird, kann dies für eine digitale Eingabe angemessen sein. Gemäß Shannon's Abtasttheorem wäre jedoch eine Frequenz von 5 Hz das Höchste, was damit aufgenommen werden könnte. Wenn andererseits der Eingang in kleineren Schritten wie z.B. 20.000 mal pro Sekunde überwacht werden würde, so stünde wahrscheinlich nicht mehr viel Zeit für irgend etwas anderes zur Verfügung. In einer solchen Situation scheint sich ein Frequenz/Spannungskonverter aufzudrängen; jedoch erfordert dies die Messung eines Analogsignals, was nur indirekt und schwieriger zu verwirklichen ist.
• Die Veröffentlichung der europäischen Patentanmeldung Nr. EP-A-0.130.139 offenbart einen Schaltkreis für das Aufbereiten eines Signals, welches eine Vielfalt von Wellenformen und Spannungsniveaus haben kann, wobei der Schaltkreis ein Paar von Eingangsanschlüssen für den Empfang des Signals und eine nicht lineare Spannungsbegrenzungseinrichtung aufweist, welche (quer) über bzw. an die Eingangsanschlüsse gelegt ist, um irgendwelche an den Anschlüssen auftretenden hohen Spannungsspitzen zu begrenzen.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Schaltkrels für das Aufbereiten eines Signals vorgesehen, welches eine Vielfalt von Wellenformen und Spannungsniveaus haben kann, wobei der Schaltkreis ein Paar von Eingangsanschlüssen zur Aufnahme des Signals und eine nicht lineare Spannungsbegrenzungseinrichtung aufweist, die an die Eingangsanschlüsse gelegt ist, um irgendwelche hohen Überspannungen bzw. Spannungsspitzen an den Anschlüssen zu begrenzen, wobei der Schaltkreis gekennzeichnet ist durch:
• eine Diode, die mit einem der Anschlüsse verbunden ist, um einen Umkehrstrom zu dem einen Anschluß zu verhindern,
• einen Transistor, der mit seiner Basis über einen Widerstand an dem anderen der Anschlüsse liegt, und
• eine Optokopplereinrichtung, die mit einem (dem) Emitter des Transistors verbunden ist, um von diesem Strom aufzunehmen, wobei die Optokopplereinrichtung einen isolierten Ausgang für die Ausgabe eines aufbereiteten Signales hat.
• Das von dem Schaltkreis empfangene Signal ist vorzugsweise ein Steuersignal und das ausgegebene, aufbereitete Signal dient vorzugsweise der Verwendung bei einer industriellen Steuer- bzw. Regelanwendung.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Eingangsschaltkreis für industrielle Steuer/Regelanwendungen vorgesehen, wobei der Schaltkreis einen Metalloxidvaristor aufweist der zwischen die Eingangsanschlüsse des Schaltkreises gelegt ist, eine Diode an einen der Eingangsanschlüsse gelegt ist, um einen negativen Stromfluß zu verhindern, und eine Zenerdiode über die Eingangsanschlüsse gelegt ist, um die Spannung zu begrenzen, die einem Transistor zugeführt wird, dessen Basis mit einem der Eingangsanschlüsse verbunden ist und der mit einem Optokoppler verbunden ist. Der Optokoppler hat vorzugsweise einen Ausgang, der an dem Schmitt-Trigger-Eingang eines Inverters liegt, und ein Ausgang des Inverters ist vorzugsweise mit einem Mikroprozessor oder einer anderen Vorrichtung für die Aufnahme eines industriellen Steuer/Regelsignales verbunden.
• Ein Schaltkreis gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welcher weiter unten genau beschrieben wird, ist in der Lage, einen großen Bereich von Gleich- und Wechselspannungen (DC- und AC-Spannungen) zu empfangen und beseitigt damit das Erfordernis der Jumper bzw. Schaltbrücken.
• Die Erfindung wird jetzt anhand eines veranschaulichenden und nicht beschränkenden Beispieles noch weiter beschrieben, wobei auf die zugehörigen Zeichnungen Bezug genommen wird, von denen:
• Figur 1 ein schematisches Dlagramm eines Elngabeschaltkreises gemäß einer bevorzugten Ausfühwngsform der Erfindung ist,
• Figur 2 ein Wellenformdiagramm ist, welches im oberen Teil die Wellenform eines möglichen Eingangssteuersignales und im unteren Teil die Wellenform des Signales zeigt, nachdem es durch den Eingangsschaltkreis für die Verwendung durch einen Mikroprozessor oder eine andere, industrielle Steuer/Regeleinrichtung aufbereitet worden ist,
• Figur 3 eine Ansicht ähnlich Figur 2 ist, welche ein weiteres Eingangssteuersignal zeigt,
• Figur 4 eine Ansicht ähnlich Figur 2 ist und noch ein weiteres Eingangssteuerslgnal zeigt, und
• Figur 5 eine Ansicht ähnlich Figur 2 ist, welche ein möglicherweise nicht standardgemäßes Eingangssteuersignal zeigt.
• Die Zeichnungen zeigen einen Eingangsschaltkreis (Steuer/Regeischaltkreis), welcher die Erfindung für das Aufnehmen und Aufbereiten von Eingangssteuersignalen verwirklicht, welche eine breite Vlelfalt von Wellenformen und Spannungen haben, und für das Zuführen der Signale an einen Mikroprozessor oder an eine andere industrielle Steuer-/Regelelnrichtung. Der Eingangsschaltkreis ist ein verbesserter digitaler/Frequenz-Eingansschaltkreis, der für Industrielle Steuerungs- bzw. Regelungsanwendungen ausgestaltet ist. Ein Diagramm des Schaltkreises ist in Figur 1 dargestellt.
• Der Schaltkreis erlaubt es, daß ein breiter Bereich von standardgemäßen und nicht standardgemäßen Steuersignalen angewendet wird. In einem Test hatte er eine minimale Hochspannungsgrenzspannung von 11 Volt und bei niedrigem Niveau ein Maximum von 8 Volt für ein 0 bis 10 kHz Signal. Der Schaltkreis ist in der Lage, Eingangsspannungen von 130 Volt DC und 250 Volt AC auszuhaiten. Er kann daher irgendwelche Steuerslgnale von etwa 15 Volt bis 250 Volt handhaben. Einige der standardmäßigen Steuerelngangssignale, an welche er sich anpassen kann, sind 15 Volt DC, 24 Volt DC, 28 Volt DC, 125 Volt DC, 24 Volt AC, 117 Volt AC und 230 Volt AC. All diese Signale können zugeführt werden, ohne daß es erforderlich ist, Jumper bzw. Schaltbrücken zur Auswahl des Bereiches zu verwenden. Das einzige Kriterium für das Eingangssignal liegt darin, daß es für das hohe Niveau (Niveau "hoch") oberhalb von 15 Volt liegt und unterhalb von 2 Volt liegt für ein niedriges Niveau bzw. das Niveau "niedrig", während es glelchzeitig +130 Volt DC und 250 Volt AC nlcht überschreitet und auch nicht um mehr ais -350 Volt DC negativ wird. Der Grenzwert der Slgnalfrequenz wurde bls hinauf zu 45 kHz getestet, wobei jedoch 10 kHz für die meisten Anwendungen von Steuer-/Regelsignalen genug ist Deshalb kann praktisch jede beliebige Wellenform bzw. Wellenformkontur, welche die vorstehenden Kriterien erfüllt, in erfolgreicher Weise verwendet werden.
• Einige Beispiele möglicher Wellenformen sind In den Figuren 2 bis 5 wiedergegeben. Einige Wellenformtypen, die verwendet werden können, sind die Rechteck-, die Dreieck- und die Sinusform.
• Wenn man Figur 1 genauer betrachtet, so sieht man, daß der Schaltkreis positive (+) und negative (-) Eingangsanschlüsse 8 und 12 sowie einen Metalloxidvaristor 10 (MOV) aufweist, der quer über die Eingangsanschlüsse 8 und 12 gelegt ist, um irgendwelche auftretenden Spannungsspitzen bzw. Überspannungen von über 370 Volt zu unterdrücken. Eine Diode 14 läßt positiv vorgespannte Signale (positive Spannungssignale) hindurchtreten und schneidet negativ vorgespannte Signale ab. In dem Zustand mit umgekehrter Vorspannung fließt kaum ein Strom, was Energie spart und die übrigen Komponenten schont. Wenn das Signal direkt angelegt wird, um das hohe Niveau zu aktivieren, so schaltet sich ein Transistor Q ein, der ermöglicht, daß Strom durch eine Diode 16 eines Optokopplers fließt. Der Transistor Q und eine Zenerdiode 18, die in der dargestellten Weise angeschlossen sind, haben Vorspannungen bzw. Vorspannströme, die aus dem Signal zugeführt werden über einen Widerstand R2, der zwischen den Eingangsanschluß 8 und eine Basis des Transistors Q geschaltet ist. Sobald die Zenerspannung der Zenerdiode 18 erreicht wird, regelt sie, daß ein konstanter Strom durch den Transistor Q fließt Dies llegt an der nahezu konstanten Spannung, die an dem Ausgangswiderstand R3 liegt, der zwischen einen (den) Emitter des Transistors Q und die Diode 16 geschaltet ist Daher zieht die Schaltung, nachdem das Signal diesen Punkt erreicht hat, nur 3 bis 4 mA, unabhängig davon, um wieviel größer das Signal wird.
• Dieser Strom durch die Optokopplerdiode 16 bewirkt, daß ein Transistor 20 des Optokopplers leitet (der optisch mit der Diode 16 gekoppelt ist) und dadurch den Eingangswert an einem Inverter mit einem Schmitt-Trigger-Schaltkreis 22 (Schaltkreis vom Typ 74HC14) herabzleht, der mit einem Kollektor des Transistors 20 verbunden ist. Der Schaltkreis 22 vom Typ 74HC14 hat einen Schmitt-Trigger-Eingang, aer die erforderiiche Hysterese aufweist bzw. bereitstellt, um zu verhindern, daß durch Rauschen falsche Impulse bewirkt werden. Der invertierte Ausgang des Schaltkreises 22 vom Typ 74HC14 wird auf einen Eingangsanschluß eines Mikroprozessors 24 gelegt, der das Signal für irgendeine industrielle Regelanwendung verwendet.
• Wenn das angelegte Steuer-/Regelsignal abfällt, so errelcht es einen Punkt, in welchem der Ström durch den Widerstand R3 und den Optokoppler 16, 20 derart ist, daß er zuläßt, daß ein Pull-up- Wlderstand R4 (der gemäß Darstellung zwischen die +5 Volt DC Spannungszufuhr und den Schaltkrels 22 geschaltet Ist) die Eingangsspannung an dem Schaltkreis 22 anhebt, was bewirkt, daß der invertlerte Ausgang desselben auf niedrig bzw. low schaltet Der Mikroprozessor 24 kann diese Veränderungen im Niveau (durch Flanken ausgelöste Unterbrechungen) erfassen. Diese Unterbrechungen bzw. Interwpts können die Zeit markieren, indem die Zählungen dazwischen verfolgt werden. Da es eine bekannte interne Taktfrequenz gibt, kann die Unterbrechungsfrequenz bestimmt werden. In einer digitalen Steuereingangssituation mit Gleichspannung kann man festlegen bzw. feststellen, ob das Niveau hoch oder niedrig ("high" oder "low") ist, indem der Anschluß abgelesen oder indem der Übergangszustand verfolgt wird.
• Digitale Steuerelngangsslgnale des Wechselspannungsnetzes bzw. einer Wechselspannungs-Ieitung können unter Verwendung des Frequenzbetriebes verwirklicht werden. Ein Wechselspannungsleltungsslgnai kann als eine Frequenz zwischen 45 und 65 Hz als Signal auf hohem Niveau und für weniger als Signal auf niedrigem Niveau erkannt werden. Für Wellenformen mit einem Taktverhältnis oder Arbeitszyklus von 50/50 kann die Frequenz in einer Hälfte eines Zyklus bestimmt werden. Ein anderer Ansatz zum Bestimmen der Frequenz liegt in der Zählung von Übergängen während eines festen Zeitabschnittes, jedoch ergibt dies keine schnellen Ergebnisse.
• Wie in Figur 1 dargestellt, ist ein Widerstand R1 zwischen den positiven Eingangsanschluß und einen bzw. den Kollektor des Transistors Q geschaltet, um den Kollektor gegen einen Stoßstrom zu schützen. Ein Widerstand R5 ist zwischen Basis und Emitter des Optokopplertransistors 20 geschaltet, um Spannung zu vermindern und um die Ein-/Aus-Schaltzeiten des Optokopplers gleichmäßig zu machen.
• Der Optokoppler 16, 20 kann beispielsweise ein Schaltkreis vom Typ 4N36 sein, der in der Industrie allgemein erhältlich ist.
• Der Mikroprozessor 24 erfordert ein digitales Signal von 0 bis 5 Volt, um das Elngangssteuersignal zu erfassen und um eine angemessene Steuerung bzw. Regelung für mit dem Mikroprozessor verbundene Einrichtungen bereitzustellen.
• Der MOV 10 verhindert Spannungsspitzen und Rauschzacken, während die Zenerdiode 18 die Spannung für den Widerstand Q einstelit, der für seinen Betrleb eine Steuerspannung erfordert und selbst einen konstanten Strom für den Optokoppler 16, 20 einstellt
• Der Digital/Frequenzeingangsschaltkreis, der vorstehend beschrieben wurde, hat gegenüber früheren Anordnungen viele Vorteile.
• Die Beseitigung der physischen Schaltbrücken in dem Schaltkreis beseitigt das Erfordernis für den Benutzer, die Schaltbrücken einzustellen bzw. zu setzen. Dies befreit den Benutzer nicht nur von dem Erfordernis, die Dokumentation bezüglich der Jumper- oder Schaltbrückenposltionen zu studieren, sondern hilft auch Fehler aufgrund falscher Schaltbrückensetzung zu vermeiden.
• Da der vorstehend beschriebene Schaltkreis praktisch wellenformunabhängig ist, gibt dies dem Benutzer die Flexibilität, sinusförmige Signale, Rechtecksignale (Ein-Aus-Gleichspannungssignale) oder nicht standardisierte Signale, wie z.B. ein dreiecklges Signal, zu verwenden, falls dies gewünscht ist.
• Da der Schaltkreis doppelt als Digital- und/oder Frequenzeingangsschaitkreis arbeitet, sind zusätzliche Schaltkreise bzw. Schaltkrelselemente, wie z.B. Frequenz-/Spannungskonverter oder Ausführungen mit Wechselspannungskopplung nicht erforderlich.
• Der Schaltkreis begrenzt den Eingangsstrom auf 3 bis 4 mA, was den Energieverbrauch beträchtlich reduziert, wenn hohe Spannungen angelegt werden. Wenn beispielsweise die angelegte Spannung von 24 Volt DC auf 125 Volt DC erhöht wird, so würde die Energie bzw. der Energieverbrauch in einem standardmäßigen Widerstandseingangsschaltkreis um einen Faktor von mehr ais 27 gegenüber dem vorherigen Wert ansteigen, während die Energie in dem vorstehend beschriebenen Schaltkreis nur um einen Faktor von etwa 5 ansteigen würde.
• Der oben beschriebene Schaltkreis zieht typischerweise 3 bis 4 mA. Er erfordert einen minimalen Strom, um den Zustand auf hohem Niveau zu aktivieren und damit stellt dleses eine gewisse inherente Rauschunempfindlichkeit bereit Der Schaltkreis 22 vom Typ 74HC14 mit seinern Schmitt-Trigger-Eingang bringt eine Hysterese mit, die hilfreich ist, um bei Niveauübergängen Ausgangsschwingungen zu vermeiden. Der Widerstand R5 trägt dazu bei, Rauschen von der Aktivierung des Optokopplers zu reduzieren.
• Dieser Schaltkreis kann auf eine Vielfalt von Eingangsbereichen und Empfindlichkeitsniveaus eingestellt werden, indem die Werte der Widerstände R1, R2, R3 und die Zenerspannung der Zenerdiode 18 verändert werden. Dies würde die Grenzspannungen und Grenzwerte des Eingangsstromes neu festlegen.

Claims (11)

1. Schaltkreis zum Aufberelten eines Signales, welches eine Vielfalt von Wellenformen und Spannungsniveaus haben kann, wobei der Schaltkreis ein Paar von Eingangsanschlüssen (8, 12) für den Empfang des Signales und eine nichtlineare Spannungsbegrenzungseinrichtung (10) aufweist, die an die Eingangsanschlüsse (8, 12) und diese verbindend angeschiossen ist, um jegliche hohe Stoßspannung an den Anschlüssen zu begrenzen, wobei der Schaltkreis gekennzeichnet ist durch:

eine Diode (14), die an einem (12) der Anschlüsse (8, 12) angeschlossen ist, um einen Umkehrstrom zu dem Anschluß (12) hin zu verhindern,

einen Transistor (Q), dessen Basis über einen Widerstand (R2) mit dem anderen (8) der Anschlüsse (8,12) verbunden ist,

eine Optokoppiereinrlchtung (16, 20), die mit dem Ermitter des Transistors (Q) verbunden ist, um an diesem Strom aufzunehmen, wobei die Optokopplereinrichtung einen isolierten Ausgang für die Ausgabe eines aufbereiteten Signales hat.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, wobei die nichtlineare Spannungsbegrenzungseinrichtung (10) einen Varistor aufweist.

3. Schaltkreis nach Anspwch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Zenerdiode (18) und einen Widerstand (R2) aufweist, der mit einem Ende an einem Ende des Varistors (10) und mit seinem gegenüberliegenden Ende an einer Zenerdiode (18) angeschlossen ist, wobei die ersterwähnte Diode (14) zwischen den Varistor (10) und die Zenerdiode (18) geschaltet ist.

4. Schaltkreis nach Anspruch 3, wobei der Widerstand (R2), welcher mit seinen Enden jeweils an den Varistor (10) und die Zenerdiode (18) angeschlossen ist, derjenige Widerstand (R2) ist, über welchen die Basis des Transistors (Q) mit dem anderen (8) der Anschlüsse (8, 12) verbunden ist.

5. Schaltkreis nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzelchnat, daß er einen Inverter (22) aufweist, der einen Schmitt-Trigger-Eingang hat, welcher mit dem

Ausgang der Optokopplereinrichtung (16, 20) verbunden ist, wobei der Inverter elnen invertierenden Ausgang für die Bereitstellung des geglätteten Signales hat.

6. Schaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Mikroprozessor (24) aufweist, welcher mit dem invertierenden Ausgang des Inverters (22) verbunden ist.

7. Schaltkreis nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzelchnet, daß er einen weiteren Widerstand (R1) aufweist, welcher mit dem Eingangsanschluß (8) verbunden ist, der mit dem zuerst erwähnten Widerstand (R2) verbunden ist, wobei der weitere Widerstand (R1) mit dem Kollektor des Transistors (Q) verbunden ist.

8. Schaltkreis nach Anspwch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er noch einen zusätzlichen Wlderstand (R3) aufweist, der zwischen den Transistor (Q) und die Optokopplereinrichtung (16, 20) geschaltet ist.

9. Schaltkreis nach Anspwch 8, wobei die Optokopplereinrichtung (16, 20) eine Optodiode (16) aufweist, die zwischen den zusätzlichen Widerstand (R3) und die zuerst erwähnte Diode (14) geschaltet ist, sowie einen Öptotransistor (20) aufweist, der optech mit der Optodiode (16) gekoppelt ist.

10. Schaltkreis nach Anspruch 9, wobei der Optotranslstor (20) eine Basis, einen Emeter und einen Kollektor hat und wobei ein Widerstand (R5) zwischen die Basis und den Kollektor oder den Erneter des Optotransistors (20) geschaltet ist.

11. Schaltkreis nach Anspruch 10, soweit er auf Anspruch 5 rückbezogen ist, wobei der Inverter (22), der einen Schmitt-Trigger-Eingang hat, mitdem Kollekbrdes Optotransistors (20) verbunden ist, wobei ein Widerstand (R4) zwischen den Eingang des Inverters (22) und eine Spannungszufuhr auf einem ausgewählten Niveau geschaltet ist.