CN110912538A - 脉冲发生器 - Google Patents

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Abstract

一种特别是用于耗量表(1)的具有电流隔离的输出端(17)的脉冲发生器，其中，脉冲发生器(7)的控制单元(10)的控制输出端(9)耦合到脉冲发生器(7)的光隔离器(12)的输出端(11)以便在光隔离器(12)的输出端(13)处输出由控制单元(10)控制的输出电流，其中，光隔离器(12)以从光隔离器(12)的输出电流经由整流组件(16)给电容(15)充电的这样的方式连接到场效应晶体管(14)，所述整流组件阻止电容(15)经由光隔离器(12)放电，其中，电容(15)上的压降是场效应晶体管(14)的栅极电压，其中，场效应晶体管(14)直接地或间接地切换脉冲发生器(7)的输出端(17)。

Description

脉冲发生器
技术领域
本发明涉及一种特别是用于耗量表的具有电流隔离的输出的脉冲发生器，其中，该脉冲发生器的控制单元的控制输出端耦合到该脉冲发生器的光隔离器的输入以便在光隔离器的输出端处输出由控制单元控制的输出电流。
背景技术
例如通过切换阻抗或电位使脉冲线在两种定义的状态之间切换的脉冲发生器是一个装置向另一个装置提供信息的简单手段。这样的脉冲发生器例如被用于耗量表中，比如水表、气表、热量表等中，以便向外部装置提供测量数据或从该数据确定的量，例如作为耗量的对流体流速的积分。这使得终端消费者可以例如进一步对仪表提供的数据进行处理。
如果脉冲发生器电流耦合到另一个电路，例如测量电路，则由外部装置引入的锐缘切换和/或干扰可能扰乱该电路。因此权宜之计是使脉冲发生器的输出与其他装置解耦，例如与耗量表的测量装置解耦。这例如可以使用光隔离器来进行。在输入侧，光隔离器包括由控制信号控制的光源、例如发光二极管。在输出侧，要么是例如借助于光敏电阻器或光场效应晶体管来切换阻抗，要么是例如通过在输出侧使用至少一个光电二极管来输出可由入射光定义的输出电流。
如果这样的光隔离器意在于在长时段上***作或者在内部光源激活的状态下通过使用大的脉宽***作，则这导致相对高的能耗。这可能是个问题，尤其是如果脉冲发生器被用在蓄电池供电的装置中、例如蓄电池供电的耗量表中。这可以通过使用边缘控制的光隔离器来避免，所述边缘控制的光隔离器包括用于使切换状态一旦被设置就在长时段上保持的专用的存储器逻辑。然而，合适的存储器逻辑需要附加的电源供应器，以便维持电流隔离。这使所述脉冲发生器和包括所述脉冲发生器的耗量表的生产成本提高。
发明内容
因此，本发明的目的是定义一种尽管设计相对简单且有利但即使对于大的脉宽也能够实现高能量效率的脉冲发生器。
该目的根据本发明通过在引言中提及的类型的脉冲发生器来实现，其中，光隔离器以从光隔离器的输出电流经由整流组件(例如，二极管)给电容充电的这样的方式连接到场效应晶体管，所述整流组件阻止电容经由光隔离器放电，其中，电容上的压降是场效应晶体管的栅极电压，其中，场效应晶体管直接地或间接地切换脉冲发生器的输出。
在根据本发明的脉冲发生器中，使用根据输入信号提供输出电流的光隔离器。这样的光隔离器例如可以通过使用输入侧发光二极管和输出侧光电二极管或多个输出侧光电二极管来提供。输出电流基本上跟随输入信号。电容整合输出电流，由此只要光入射在例如输出侧光电二极管上，电容上的压降就增大。电容上的压降一足够大，场效应晶体管和因此脉冲发生器的输出就切换。场效应晶体管可以直接地或者经由附加的组件(例如附加的晶体管、放大器等)间接地切换脉冲输出。
如果电容在它与光隔离器之间没有连接整流组件的情况下耦合到光隔离器，则当光不再入射在输出侧光电二极管上时，电容将经由该光电二极管放电，由此继而场效应晶体管和因此输出将被切换。脉冲发生器的输出信号因此将基本上对应于控制输出端处的略微延迟的信号。
该放电通过使用连接在光隔离器和电容之间的整流组件来阻止，结果是即使当光不再入射在光隔离器的输出侧光电二极管上时，电容最初也继续保持充有电。电容优选地在脉冲发生器的至少一种状态下非常缓慢地放电，例如仅经由泄漏电流放电。如稍后更详细地说明的，如果需要，电容可以被故意放电，以便使脉冲发生器的输出切换回来。备选地，例如，相对较大的电阻可以与电容并联连接以使得电容在限定的时间间隔期间放电。从而可以例如实现这样的脉冲发生器，在该脉冲发生器中，场效应晶体管的切换状态或者脉冲发生器的输出端处的切换状态的保持时间比发起该切换的控制单元的控制输出端处的脉冲长了一预定时间。
所述脉冲发生器的脉冲输出可以在两个限定的电压电平之间切换。然而，如果脉冲输出具有两个连接端子，并且如果布置在这些端子之间的阻抗被切换，则可以实现所述脉冲发生器或包括所述脉冲发生器的装置的特别低的能耗。例如，可以在所述两个连接端子之间的基本上断开的电路和限定的阻抗之间切换。
电容的端子可以连接到附加的光隔离器的输出侧连接端子，其中，所述附加的光隔离器的输入端耦合到控制单元的附加的控制输出端。所述附加的光隔离器可以在输出侧，特别是根据控制单元进行的驱动，限定电容的各端子之间的电阻。在输出侧包括光电晶体管(特别是光场效应晶体管)的光隔离器优选地用作所述附加的光隔离器。备选地，例如可以使用具有输出侧光敏电阻器的光隔离器或具有反相输出端的光隔离器。电容可以通过驱动所述附加的光隔离器而被故意放电，从而减小该电容上的压降，由此场效应晶体管和因此脉冲发生器的输出可以被切换回初始状态。
所述脉冲发生器可以被配置为设置脉冲发生器的输出在预定时间间隔内的切换状态，其中，控制单元在所述预定时间间隔结束时、在所述附加的控制输出端处输出控制脉冲。如稍后更详细地说明的，可以通过在控制单元的控制输出端处输出至少一个切换脉冲来执行切换到脉冲发生器的输出端处的切换状态。如引言中所说明的，这可以导致该切换状态保持更长时段。电容可以被故意放电，并且因此脉冲发生器的输出可以通过在所述附加的光隔离器处输出控制脉冲而被切换回来。
所述脉冲发生器可以被配置为通过控制单元在所述或一个预定时间间隔期间在控制输出端处输出多个脉冲来设置所述脉冲发生器的输出在所述预定时间间隔内的所述切换状态或一个切换状态。控制输出端处的脉冲的输出使光隔离器输出电流脉冲。这导致电容由一定量的电流充电，所述电流特别取决于控制输出端处的脉冲的长度。然后可以通过合适地选择脉冲长度和/或通过输出合适数量的脉冲来使电容上的压降足以切换场效应晶体管和因此所述脉冲发生器的输出。因为通常电容例如经由大的放电电阻器或者经由泄漏电流略微放电，所以为了使得光隔离器的输出端处的附加的电流脉冲使储存在电容中的电荷保持足够高以使电容上的压降足以保持场效应晶体管的切换状态，可以在所述时间间隔期间、在控制输出端处另外还输出附加的脉冲。因此可以通过在控制输出端处按时间间隔地输出控制脉冲来保持场效应晶体管的切换状态。如果另一方面，光隔离器直接切换脉冲发生器的输出，则这将需要控制单元持续地向光隔离器供应电流。相反，按时间间隔使用脉冲来经由控制输出端向光隔离器供应电流的控制单元需要少得多的能量，并且因此所述脉冲发生器可以具有功率效率特别高的设计。
所述控制单元可以被设计为：在控制输出端处，在所述预定时间间隔开始时输出具有第一长度的脉冲，并且然后在所述时间间隔期间，至少输出具有第二长度的第二脉冲，第二长度短于第一长度。如以上所说明的，第一脉冲用于将电容充电到场效应晶体管进行切换的这样的水平。随后的脉冲必须完全补偿经由泄漏电流和/或经由放电电阻器的放电，这些脉冲通常被选择具有大的值，因此可以相当短。第一脉冲可以为数十μs长、例如24μs。随后的脉冲可以为数μs长、例如4μs。所述脉冲中的每个脉冲可以足以使电容足够强地充电以使场效应晶体管的切换状态保持数百μs、优选数ms。从而可以的是，例如在第一脉冲之后2ms内没有其他脉冲跟着，和/或用于保持充电的脉冲按1ms的间隔输出，并且尽管这些脉冲间隔相对较大，但是场效应晶体管的切换状态得以保持。
第一脉冲可以比第二脉冲长至少两倍或者至少五倍，或者第二脉冲和/或在连续脉冲之间的间隔可以为脉冲长度的至少十倍或者至少三十倍大。如前面所说明的，实际上可以使用脉冲长度的更大的差异或甚至在各脉冲之间的更大的间隔。
所述电容可以完全地或至少部分地由场效应晶体管的栅极电容形成。原则上可以的是，只有场效应晶体管本身提供的电容被作为所述电容充电。例如，存在于场效应晶体管的栅极端子和源级端子之间的电容可以被充电。然而，为了尽管泄漏电流存在还能够使场效应晶体管的切换状态或脉冲发生器的输出的切换状态保持更长时间，应优选使用更大的电容，这个更大的电容可以通过使用附加的电容(特别是附加的电容器)来实现。
具体地说，所述电容可以至少部分由连接在场效应晶体管的两个连接端子之间的电容(特别是电容器)来形成。所述附加的电容因此可以与场效应晶体管的栅极电容并联连接。栅极电容对脉冲输出的切换行为的影响因此可以减小。电容器的电容例如可以是栅极电容的五倍至二十倍、例如大约十倍。具体地说，所述电容可以连接在场效应晶体管的栅极端子和源级端子之间。将电容器与场效应晶体管的电容并联连接导致更大的总电容。这意味着对于电容上的相同的压降来说更多的电荷被电容储存，其结果是，给定相同的泄漏电流和/或相同的放电电阻器，使电容上的压降下降和因此使场效应晶体管或脉冲发生器的输出切换回来花费更长时间。例如，如果对于泄漏电流采取12MΩ的放电电阻器，则对于规定的脉冲长度来说，数10pF(例如27pF)的电容足以实现前述脉冲间隔。
金属-氧化物-半导体场效应晶体管例如可以用作所述场效应晶体管。
除了根据本发明的脉冲发生器之外，本发明还涉及一种用于记录能耗和/或流体耗量或流速的耗量表，该表包括根据本发明的脉冲发生器，特别是为了向单独的装置提供测量数据或从该测量数据推导的数据。具体地说，所述脉冲发生器可以集成在耗量表的控制单元或处理单元中。
附图说明
以下示例性实施例和相关联的附图中呈现了本发明的其他优点和细节，在附图中：
图1示意性地示出根据本发明的耗量表的示例性实施例；
图2示意性地示出图1中所示的耗量表的详细视图，该图例示说明根据本发明的脉冲发生器的示例性实施例；以及
图3示意性地示出图2中所示的脉冲发生器的输出信号和用于提供该输出信号的控制单元所输出的控制信号。
具体实施方式
图1示出耗量表1，耗量表在例子中是用于测量流体的流速的超声表。耗量表1包括主表2和处理器6，主表2即为直接布置在测量管道上的传感器***，处理器控制传感器***，并且对所述传感器***测得的值进行处理。传感器***包括两个超声换能器3、4和温度传感器5。超声换能器3、4可以用于将超声波发射到流过测量管道(未示出)的流体中并且从该流体接收超声波。可以通过测量从超声换能器3到超声换能器4的渡越时间和反过来从超声换能器到超声换能器的渡越时间之间的渡越时间差来获得流速。该过程在现有技术中是众所周知的并且不应被详细说明。
表1通常仅包括用于可视化和处理测量数据的有限手段。例如，用于显示循环确定的测量量等的显示器(未示出)等可以设在耗量表1上。为了允许进一步处理或更长期存储测量数据，该数据可以借助于脉冲发生器7提供给外部装置8。外部装置8可以用于例如借助于读取器从耗量表读取测得的值，或者终端用户的向终端用户提供例如逐条记录的基于时间的耗量等的装置可以用作所述单独的装置8。
图2详细地示出脉冲发生器7。脉冲发生器7的输出端17与处理器的附加的电路、特别是与主表2中的传感器***电流隔离，以便阻止所述单独的装置8引入任何干扰。该电流隔离是在脉冲发生器7中借助于两个光隔离器12、25实现的。
输出端17的两个连接点借助于场效应晶体管14彼此选择性地连接和断开，以便在输出端17处输出脉冲。脉冲发生器的输出状态可以借助于所述单独的装置8来检测，例如通过测量脉冲发生器7的输出端17上的压降来检测。还可以例如通过对脉冲发生器7进行微小修改(即，通过将各连接点中的一个连接点耦合到电流源、或者经由电阻器连接到电压源，并且将连接点中的另一个耦合到单独的地电位)来在输出端17处的限定的各电压之间实现转换机制。
原则上，电流隔离可以通过光场效应晶体管14来实现，光场效应晶体管是由控制单元10控制的光隔离器的光场效应晶体管。然而，在这种情况下，如果场效应晶体管14意在于被长时段切换到传导状态，则控制单元10将需要在整个时间期间输出控制信号。这是不利的，因为控制单元10对于这样的光隔离器的持续电流供应导致相对较高的电流耗量。如下面将更详细地讨论的，这可以通过图2中所示的用于脉冲发生器7的电路来避免。
在该图中，控制单元10(该单元可以例如通过处理器6的处理单元或控制单元来实现)的控制输出端9耦合到光隔离器12的输入，由此光隔离器12可以在输出端13处提供可以由控制单元10控制(特别是数字地接通和关断)的输出电流。光隔离器12以光隔离器12的输出电流经由整流组件16(例如二极管)给电容15充电的方式连接到场效应晶体管14，所述整流组件阻止电容15经由光隔离器12放电。电容15上的压降是场效应晶体管14的栅极电压。如果电容15上的压降非常低，则场效应晶体管14可以具有非常高的、基本上无限的电阻，由此输出端17的连接点处于断开的状态。如果电容15被充电到足够高的水平，则该电容上的压降切换场效应晶体管14，使其电阻变得非常低，从而经由限定的电阻连接脉冲发生器7的输出端17的连接点。
因为整流组件16阻止电容15经由光隔离器12放电，并且场效应晶体管14的栅极与另一个连接端子隔离，所以电容15仅通过泄漏电流或被选择具有相对大的值的放电电阻器(未示出)放电。因此如果在控制输出端9处输出的脉冲长得足以借助于光隔离器12的输出电流对电容15的充电来切换场效应晶体管14，则即使脉冲早就在控制输出端9处结束，该切换状态也在长时段上保持，其结果是，在光隔离器12中，没有光经由发光二极管18发射，并且因此光电二极管19、20不再为电容15提供任何更多的充电电流。
作为泄漏电流使电容15放电的结果，如果脉冲发生器7的输出端17意在于在非常长的时段内被切换，则可能可取的是在控制输出端9处重复地输出短脉冲以便补偿由于泄漏电流丢失的电荷。下面参照图3来进一步对这进行说明。图3示出三个信号29、30、31，其中，信号29是可以通过外部设备8在脉冲发生器的输出端17上测得的压降。信号30和31是控制单元在控制输出端9和附加的控制输出端26处输出的控制信号。首先仅讨论信号29和30。本发明在输出端17处在时间间隔32内设置限定的切换状态，在该状态下，场效应晶体管14和因此输出端17具有低阻抗，这导致输出端17上的压降小。为了实现这点，必须将足够的栅极电压施加于场效应晶体管14，这意味着电容15意在于储存足够大的电荷。为了第一次切换场效应晶体管14，可以输出具有限定的长度35的脉冲34。该长度例如可以为数十μs。长度35被选择为使得由光隔离器12输出的输出电流在该时间上的时间积分足以将电容15充电到这样的水平，即，在所述电容上的压降切换场效应晶体管14。
因为电容15随着时间的过去通过泄漏电流或放电电阻器(未示出)放电，所以有时候需要给电容15再充电以便确保所述电容上的压降继续足以切换场效应晶体管14。这通过例如在2ms之后开始经由控制输出端9输出附加的短脉冲36以用于电荷维持。这些脉冲36的长度37优选地短于脉冲34的长度35，因为这些脉冲36仅用于在光隔离器12的输出端13处提供足以使电容15补偿损耗的充电电流。脉冲36可以按例如1ms的间隔重复，以便保持电容15的电荷水平。这可以实现，输出端17的切换状态可以保持相对长的时间间隔32，其中，控制单元10在该时间间隔32期间不必为了保持切换状态而仅输出相对短的脉冲34、36。
如果只有光隔离器12用于控制场效应晶体管14，则通常将可以仅以相对低的精度限定场效应晶体管14在时间间隔32结束时切换回其初始状态的时间。因此在图2中所示的电路中，提供控制单元10的附加的控制输出端26，该控制输出端控制附加的光隔离器25，该光隔离器的输出侧连接端子23、24连接到电容15的端子21、22。在输入侧，光隔离器25包括发光二极管27。在输出侧，提供照射相关的阻抗、特别是光场效应晶体管28。控制单元10被配置为在预定时间间隔32结束时、在控制输出端26处输出图3中所示的控制脉冲33。从而启动发光二极管27，并且光场效应晶体管28导通，由此电容15短路，或者优选地经由放电电容(未示出)放电，由此场效应晶体管14和因此还有脉冲发生器7的输出端17切换。
附图标记列表
1 耗量表
2 主表
3 超声换能器
4 超声换能器
5 温度传感器
6 处理器
7 脉冲发生器
8 装置
9 控制输出端
10 控制单元
11 输入端
12 光隔离器
13 输出端
14 场效应晶体管
15 电容
16 整流组件
17 输出端
18 发光二极管
19 光电二极管
20 光电二极管
21 端子
22 端子
23 连接端子
24 连接端子
25 光隔离器
26 控制输出端
27 发光二极管
28 光场效应晶体管
29 信号
30 信号
31 信号
32 时间间隔
33 控制脉冲
34 脉冲
35 长度
36 脉冲
37 长度

Claims (10)

1.特别是用于耗量表(1)的具有电流隔离的输出端(17)的脉冲发生器，其中，所述脉冲发生器(7)的控制单元(10)的控制输出端(9)耦合到所述脉冲发生器(7)的光隔离器(12)的输出端(11)，以便在所述光隔离器(12)的输出端(13)处输出由所述控制单元(10)控制的输出电流，其特征在于，所述光隔离器(12)以从所述光隔离器(12)的输出电流经由整流组件(16)给电容(15)充电的方式连接到场效应晶体管(14)，所述整流组件阻止所述电容(15)经由所述光隔离器(12)放电，其中，所述电容(15)上的压降是所述场效应晶体管(14)的栅极电压，其中，所述场效应晶体管(14)直接地或间接地切换所述脉冲发生器(7)的输出端(17)。
2.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其特征在于，所述电容(15)的端子(21、22)连接到所述脉冲发生器(7)的附加的光隔离器(25)的输出侧连接端子(23、24)，其中，所述附加的光隔离器(25)的输入端耦合到所述控制单元(10)的附加的控制输出端(26)。
3.根据权利要求2所述的脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲发生器被配置为设置所述脉冲发生器(7)的输出端(17)在预定时间间隔(32)内的切换状态，其中，所述控制单元(10)在所述预定时间间隔(32)结束时、在所述附加的控制输出端(26)处输出控制脉冲(33)。
4.根据前述任一项权利要求所述的脉冲发生器，其特征在于，所述脉冲发生器被配置为通过所述控制单元(10)在所述预定时间间隔或一个预定时间间隔(32)期间、在所述控制输出端(9)处输出多个脉冲(34、36)来设置所述脉冲发生器(7)的输出端(17)在所预定时间间隔内的所述切换状态或一个切换状态。
5.根据权利要求4所述的脉冲发生器，其特征在于，所述控制单元(10)被设计为：在所述控制输出端(9)处、在所述预定时间间隔(32)开始时输出具有第一长度(35)的第一脉冲(34)，并且然后在所述时间间隔(32)期间，至少输出具有第二长度(37)的第二脉冲(36)，所述第二长度(37)短于所述第一长度(35)。
6.根据权利要求5所述的脉冲发生器，其特征在于，所述第一脉冲(34)比所述第二脉冲(36)长至少两倍或者至少五倍，或者所述第二脉冲(36)和/或连续脉冲(34、36)之间的间隔可以为所述脉冲长度的至少十倍或者至少三十倍大。
7.根据前述任一项权利要求所述的脉冲发生器，其特征在于，所述电容(15)完全地或至少部分地由所述场效应晶体管(14)的栅极电容形成。
8.根据前述任一项权利要求所述的脉冲发生器，其特征在于，所述电容(15)至少部分地由连接在所述场效应晶体管(14)的两个连接端子之间的电容(15)、特别是电容器形成。
9.根据前述任一项权利要求所述的脉冲发生器，其特征在于，所述场效应晶体管(14)是金属-氧化物-半导体场效应晶体管。
10.用于记录能耗和/或流体耗量的耗量表，其特征在于，所述耗量表包括根据前述任一项权利要求所述的脉冲发生器(7)，特别是为了向单独的装置(8)提供测量数据或从该测量数据推导的数据。
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