DD209708A1 - Schaltungsanordnung zur potentialtrennung digitaler signale - Google Patents

Abstract

Das Ziel ist, den Einsatz an Bauelementen gering zu halten. Die Aufgabe besteht darin, mit geringer Signalverzögerungszeit, wenig verfälschtem Modulationsgrad und ohne Einfluss von Alterung, Temperatur und Betriebsspannungsschwankung in großem Frequenzbereich zu arbeiten. Erfindungsgemäß ist eine Treiberstufe über einen Kondensator mit der Primärwicklung eines HF-Übrertragers verbunden, dessen Sekundärwicklung mit Mittelanzapfung an eine Anpassstufe angeschlossen ist. Die Anpassstufe ist mit einem Flip-Flop verbunden. Das Flip-Flop ist entweder in MOS- oder TTL-Technologie aufgebaut.

Description

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Schaltungsanordnung zur Potentialtrennung digitaler Signale Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Übertragung digitaler Signale mit geringer SignalVerzögerungszeit zwischen galvanisch getrennten Stromkreisen, z· B· zur Kopplung eines Mikrorechners mit schnellen Peripheriegeräten oder zur übertragung pulslängenmodulierter Rechteckimpulsfolgen mit geringer Modulationsgradverfälschung#

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Auf dem Gebiet der Potentialtrennung in der Digitaltechnik sind Schaltungen bekannt, die auch bekannte Bauelemente wie Transformatoren oder Optokoppler verschiedener Bauart verwenden, die jedoch mit unterschiedlichen Nachteilen,wie z· B» geringer Bandbreite, hohen Verzögerungszeiten, thermischer Drift, zeitlicher Änderung der Parameter durch Alterung, Verwendung von Spezialbauelementen, erforderlichen Abgleicharbeiten und hohem Ökonomischem Aufwand, behaftet sind·

Es sind Schaltungen bekannt, die zur galvanischen Trennung Transformatoren verwenden·

Transformatoren sind bis zu höchsten Signalfrequenzen einsetzbar (VHP-Bereich). Bedingt durch die endliche Primärinduktivität, die Streuinduktivität und parasitäre Kapazitäten ist jedoch der

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mit einem Transformator tibertragbare Signalfrequenzbereich auf etwa 4 Frequenzdekaden begrenzt. Bei der Übertragung von Rechteckimpulsen mit von 0,5 abweichendem Tastverhältnis tritt eine Gleichstrommagnetisierung des Kernmaterials auf, weiterhin wird die Stufe, die den Transformator ansteuert, durch diesen Gleichstrom zusätzlich thermisch belastet, und ihr Wirkungsgrad ist gering. Für die übertragung von Rechteckimpulsen mittels Transformators be steht die Forderung nach geringem Dachabfall und hoher Flankensteilheit. Die daraus resultierenden Forderungen nach hoher Primärinduktivität und geringen Windungskapazitäten werden nur von speziellen Transformatoren mit hochpermeablem Kernmaterial und kapazitätsarmen Wicklungen erfüllt· Diese Spezialbauelemente sind in der Herstellung teuer.

Übertragungsfehler der Transformatoren sind weiterhin durch Verstärkerschaltungen in bestimmten Grenzen ausgleichbar»

Durch Verwendung aktiver Verstärker wird jedoch die Störsicherheit der Gesamtschaltung herabgesetzt, und der Realisierungsaufwand steigt·

Schaltungen, bei denen das zu übertragende Signal auf einen hochfrequenten Träger aufmoduliert und dieser über Transformatoren übertragen wird, sind wegen der erforderlichen hohen Anzahl von Bauelementen (Modulatoren und Demodulatoren) ökonomisch aufwendig*

Weiterhin sind Schaltungen bekannt, die zur Potentialtrennung Optokoppler verwenden (rfe 22 (1973) H· 22, S· 724).

Optokoppler mit Fotodiodenempfänger haben Bandbreiten von einigen MHz, jedoch ist ihr Koppelfaktor klein, so daß auf Grund des resultierenden kleinen Verstärkungs-Bandbreitenproduktes Verstärkerschaltungen zur Signalregenerierung erforderlich sind· Die geringen Signalspannungen an der Fotodiode bewirken eine geringe statische Störsicherheit der Gesamtschaltung»

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Optokoppler mit Fototransistoren auf der Empfängerseite haben einen großen optoelektronischen Koppelfaktor, aber auch Signalverzögerungszeiten im Bereich einiger /JLs₉ dadurch ist das Verstärkungs-Bandbreitenprodukt ebenfalls gering»

Die Verzögerungszeiten der Fototransistoren wirken sich besonders nachteilig aus, so daß Signalfrequenzen bis etwa 1 MHz bei Tastverhältnis 0,5 und bis etwa 100 kHz bei Tastverhältnis 0,1 bei Verwendung von Verstärkerschaltungen übertragen werden können (rfe 25 (1976) H. 2, S, 41).

Bei der Übertragung pulslängenmodulierter Signale wirken sich die Anstiegs-Speicher- und Abfallzeiten der optoelektronischen Bauelemente tastverhältnisverfälschend aus» Die Temperatur- und Alterungsabhängigkeit dieser Verzögerungszeiten und des optoelektronischen Koppelfaktors des Optokopplers erfordern Kompensationsmaßnahmen für diesen Anwendungsfall·

Eb sind Verfahren zur Fehlerkorrektur bei der Pulsübertragung mit Optokopplern bekannt, die jedoch Abgleicharbeiten bei der Schaltungsrealisierung erfordern (rfe 30 (1981) H. 11, S. 700)» Der prinzipielle Nachteil der Verzögerungszeiten in der Optokopplerstrecke wird dabei nicht beseitigt, das heißt, daß der Optokoppler durch Anwendung dieser Verfahren nicht schneller wird«

Ziel der Erfindung

Die Schaltungsanordnung soll die Mängel der bekannten Schaltungen und Prinzipien weitestgehend vermeiden und einen geringen Aufwand an Bauelementen und Kosten erfordern»

Darlegjiing des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, welche digitale Signale potentialgetrennt

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überträgt, deren SignalVerzögerungszeit gering ist, deren Modulationsgrad bei Pulslängenmodulation wenig verfälscht ist und die gegen Alterung, Temperatureinflüsse und Betriebsspannungsschwankungen unabhängig ist· Durch Verwendung logiksystemgerechter Pegel soll große statische Störsicherheit erreicht werden· Ohne Abgleichelemente soll die Schaltung in einem weiten Frequenzband arbeiten»

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe unter Verwendung eines Transformators mit extrem geringer Induktivität dadurch gelöst, daß der Ausgang einer Treiberstufe, der das Eingangssignal zugeführt wird, über einen Kondensator mit der Primärwicklung eines HP-Übertragers (Transformator)verbunden ist· Die Sekundärwicklung des HF-Übertragers besitzt eine Mittelanzapfung und ist mit einer Anpaßstufe verbunden, deren Ausgangsspannungen an einen Flip-Flop an den Setz- und Rücksetzeingang geführt sind·

Die Arbeitsweise der Schaltung ist folgendes

Die Eingangsimpulse werden der Treiberstufe, die in der Regel ein Gatter ist, zugeführt» Damit keine Gleichstrombelastung am HF-Übertrager und Gatter auftritt, ist der Kondensator zwischengeschaltet· Bei Zustandsänderungen des Eingangssignals werden in der Sekundärwicklung stark gedämpfte Schwingungen induziert· Diese Schwingungen, deren Polarität der ersten Halbwelle (positiv oder negativ anschwingend) die Information über einen erfolgenden H-L- oder L-H-Sprung des Eingangssignals beinhaltete, werden in der Anpaßsc'haltung spannungsmäßig aufbereitet· Die Ausgangesignale der Anpaßstufe werden einem Flip-Flop am Setz- und Rüok- setseingang zugeführt ₉ wobei das Flip-Flop so geschaltet istj daß die vom HF-Übertrager nicht übertragenen Impulsdächer des Eingangseignais im Flip-Flop durch seine Speicherwirkung wieder erzeugt werden und daß am Ausgang des Flip-Flop eine der Eingangsimpulsfolge entsprechende Impulsfolge potentialgetrennt gegenüber dem Eingang entnommen werden kann·

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Eine zweckmäßige Ausführung der Schaltung besteht darin, daß das Flip-Flop in MOS-Technologie aufgebaut ist und die Anpaßstufe aus zwei Dioden besteht, die zwischen den Sekundärwicklungsenden des HF-Übertragers und dem Setz- bzw» Rücksetzeingang des Flip-Flop geschaltet sind« Zwischen die Eingänge des Flip-Flop und der Mittelanzapfung sind außerdem zwei Widerstände geschaltet, wobei die Mittelanzapfung auoh mit dem Bezugspotential, der Signalerde, des Flip-Flop verbunden ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Schaltung erfolgt derart, daß das Flip-Flop,in TTL-Technologie aufgebaut ist und die Anpaßstufe aus einer Parallelschaltung von Widerstand und Kondensator besteht, die die Mittelanzapfung des HF-Übertragers mit dem Bezugspotential des Flip-Flop verbindet« Die Wicklungsenden des HF-Übertragers sind direkt mit den Eingängen des Flip-Flop verbunden»

Ausführungsbeispiel

Zwei Beispiele zeigen Schaltungsanordnungen, die sich durch die Verwendung von Schaltkreisen unterschiedlicher logikfamilien unterscheiden» In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1j eine Schaltungsanordnung mit MOS-Flip-Flop,

Fig» 2: Spannungsverläufe zur Schaltungsanordnung mit MOS-Flip-Flop,

Fig» 3ϊ eine Schaltungsanordnung mit TTL-Flip-Flop»

Fig» 4ί SpannungsVerläufe zur Schaltungsanordnung mit TTL-Flip-Flop.

In der Schaltungsanordnung nach Fig· 1 gelangen die Eingangsimpulse an den Eingang E des als Treiberstufe 1 verwendeten Gatters, das eine Gegentakt-Endstufe enthält» Dessen Ausgang

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ist über den Kondensator 2 an die Primärwicklung des HP-Übertragers 3 angeschlossen, so daß keine Gleichstrombelastung für den HP-Übertrager 3 und das Gatter auftritt« Der Sekundärwicklung des HP-Übertragers 3 ist ein© Anpaßstufe 4» bestehend aus den Dioden 5; 6 und den Widerständen 7} B₉ nachgesehaltet₉ die die Ausgangsspannung des HP-Übertragers 3 an die Logikgegel·des Plip-Plops 9 anpaßt. Die Kapazität des Kondensators 2, die Primärinduktivität des HP-Übertragers 3 sowie die durch die Anpaßstufe 4 gebildete Belastung des HP-Übertragers 3 sind so ausgelegt , daß an den Wicklungsenden der Sekundärwicklung des HP-Übertragers 3 bei Umladung des Kondensators 2 durch das Gatter stark gedämpfte Schwingungen auftreten·

Pigur 2a zeigt den Spannungsverlauf am Eingang des Gatters gegenüber dem primärseitigen Bezugspotential, und Pig« 2b und 2c zeigen die Spannungen an den Wicklungsenden der Sekundärwicklung des HP-Übertragers 3 gegenüber der Anzapfung,

Die gegenphasigen Spannungen an den Wicklungsenden des HP-Übertragers 3 bewirken nach deren Pormung durch die Anpaßstufe 4» daß bei einem H-L-Sprung des Eingangssignals nur der R-Eingang und bei einem L-H-Sprung des Eingangssignals nur der S-Eingang des RLip-Plop 9 Η-Pegel führt. Die Anpaßstufe 4 unterdrückt mit den Dioden 5? 6 das negative (NMOS, OMOS) bzw· positive (PMOSj Dioden umgepolt) Überschwingen der Sekundärspannungen·

Die Widerstände 7; 8 bewirken die Entladung der Eingangskapazitäten des Plip-Plop; 9 nach Abklingen des Setz- bzw· Rücksetzim-

An den Eingängen des Plip-Plop 9 entstehen dadurch die Spannungsverläufe nach Pig* 2d und 2e (für PMOS negative Polarität), so daß das Plip-Plop 9 entsprechend Pig· 2f schaltet und an seinem Ausgang A die Eingangsimpulsfolge reproduziert wird«

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In Fig· 3 gelangt die Eingangsimpulsfolge an den Eingang E eines TTL-Gatters als Treiberstufe 1, vorzugsweise eines Hochgeschwindigkeits-Gatters« Der Ausgang des Gatters ist mittels Kondensators 2 an die Primärwicklung des HP-Übertragers 3 angekoppelt, so daß keine Gleichstrombelastung für den HP-Übertrager 3 und das Gatter auftritt. Die Kapazität des Kondensators 2, die Primärinduktivität des HP-Übertragers 3 und seine Belastung durch das TTL-Plip-Flop 9 sind so ausgelegt, daß an den Eingängen § und R* des Flip-Flop 9 bei Umladung des Kondensators 2 durch das Gatter gedämpfte Schwingungen auftreten. Die Schwingungsfrequenz wird unter Beachtung eines sicheren Schaltens des Flip-Flop 9 möglichst groß gewählt, damit die Primärinduktivität des HF-Übertragers 3 möglichst klein sein kann·

Die Anpaßstufe 4, bestehend aus der Parallelschaltung des Widerstandes 10 und des Kondensators 11, dient zur Pegelverschiebung, so daß an den Eingängen des Flip-Flop 9 ein Η-Pegel steht, solange der Kondensator 2 nicht umgeladen wird· Die Windungszahlen der Sekundärwicklung des HF-Übertragers 3 sind so gewählt, daß im Zusammenspiel mit der Anpaßstufe 4 an den Eingängen S und R" ^UIHmax ¹^ ^UILmin ^^{r das} ^iP'-^oP 9 ^nie über- bzw· unterschritten werden.

Figur 4a, 4b und 4c zeigen die Spannungsverläufe am Eingang des Gatters gegenüber dem primärseitigen Bezugspotential Bp und an den Eingängen § und R des Flip-Flop 9 gegenüber dem sekundärseitigen Bezugspotential B„,

Figur 4d und 4e zeigen die Umschaltbedingungen des Flip-Flop 9 sowie die Spannungsverlaufe an den Flip-Flop-Ausgängen,

Oer HF-Übertrager 3 ist im Ausführungsbeispiel ein Ferrit-Ringkern von 5 mm Außendurchmesser und 2 mm Höhe, auf den primär 3 und sekundär 2x3 Windungen plastisolierter Schaltdraht aufgebracht sind. Das Wickeln des HF-Übertragers 3 ist technologisch einfach, und er ist nicht größer als bekannte Optokoppler,

In Pig· 3 ist ein Anschluß 12 für das Anschließen der Anzapfungen von HF-Übertragern weiterer Potentialtrennerkanäle angegeben, dadurch kann die Anpaßstufe 4 mehrfach genutzt werden.

Bei Verwendung von Standard-SSI-Schaltkreisen kann für eine 8bit breite Parallel-Übertragung ein Aufwand von nur 30 Bauelementen einschließlich Stützkondensatoren für TTL-Schaltkreise erreicht werden, das sind 3»75 Bauelemente je Potentialtrennerkanal«, Die Signale an den Wicklungsenden der Sekundärwicklung des HF-Übertragers 3 haben sowohl in der Schaltungsanordnung nach Pig«, 1 als auch nach Fig. 3 logiksystemgerechte Hübe. Verstärker sind somit nicht erforderlich, und es wird gegenüber Optokopplerschaltungen neben der wesentlich höheren Arbeitsgeschwindigkeit und der daraus resultierenden geringen Modulationsgradverzerrung für pulalängenmodulierte Signale auch eine hohe Störsicherheit erreicht«

Gegenüber bekannten Schaltungsanordnungen zur Übertragung digitaler Signale zwischen galvanisch getrennten Stromkreisen mittels Transformatoren gestattet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung die Verwendung extrem kleiner und billiger Transformatoren und das Arbeiten im Signalfrequenzbereich von Null beginnend bis in die Nähe der oberen Grenzfrequenz der verwendeten Logikfamilie (bei TTL O ·.· etwa 10 MHz),

Claims (3)

242787 1 Erfindungsanspruch

1· Schaltungsanordnung zur Potentialtrennung digitaler Signale mittels eines Transformators, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang einer Treiberstufe (1), der das Eingangssignal zugeführt wird, über einen Kondensator (2) mil der Primärwicklung des HP-Übertragers (3) verbunden ist, daß die Sekundärwicklung mit Mittelanzapfung des HP-Übertragers (3) an eine Anpaßatufe (4) angeschlossen ist, und daß die Ausgangsspannungen der Anpaßstufe (4) an einen Pup-Flop (9) am Setz- und Rücksetzeingang geführt sind»

2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flip-Flop (9) ein MOS-Flip-Flop ist, daß die Anpaßstufe (4) aus zwischen den Sekundärwicklungsenden des HP-Übertragers (3) und dem Setz- bzw, Rücksetzeingang des Flip-Flop (9) geschalteten Dioden (5; 6) sowie aus Widerständen (7; Q) besteht, die zwischen den Eingängen des Flip-Flop (.9) und der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des HF-Übertragers (3) geschaltet sind, und daß diese Mittelanzapfung mit dem Bezugspotential (Signalerde) des Flip-Flop (9) verbunden ist·

3· Schaltungsanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flip-Flop (9) ein TTL-Flip-Flop ist, daß die Anpaßstufe (4) aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes (TO) und eines Kondensators (TT) besteht, die die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des HF-Übertragers (3) mit dem Bezugspotential (Signalerde) des Flip-Flop (9) verbindet, und daß die Wicklungsenden der Sekundärwicklung des HF-Übertragers (3) direkt mit den Eingängen des Flip-Flop (9) verbunden sind»

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen