DD259036A1 - Hybrid-anordnung zur uebertragung einer spannung oder eines stromes - Google Patents

Abstract

Die Uebertragung einer Spannung oder eines Stromes wird mit einer Hybridanordnung vorgenommen, die ein Eingangssystem und ein durch eine Potentialbarriere galvanisch von diesem getrenntes Ausgangssystem aufweist. Mit geringem Schaltungsaufwand soll eine genaue Uebertragung vorgenommen werden, wobei wenige Koppelelemente geringer Genauigkeit benoetigt werden sollen. Dies wird dadurch erreicht, dass Eingangs- und Ausgangssystem Teile eines einzigen AD-Wandlers sind und die Potentialbarriere sich zwischen dessen Funktionsbaugruppen befindet. Figur

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Hybrid-Anordnung zur Übertragung einer Spannung oder eines Stromes von einem Eingangssystem (Meßwertaufnehmer) über eine elektrisch isolierende Barriere zu einem Ausgangssystem (Meßwertausgeber). Eine solche Anordnung kommt bei Datenerfassungseinrichtungen, bei Prozeßsteuereinrichtungen und entsprechenden Meßgeräten, bei medizinischen und bei Bio-Potentialmessungen sowie bei Messungen an Lebewesen zur Anwendung, um eine exakte Signalerfassung durchzuführen und eine ausgezeichnete Rausch- und Gleichtaktunterdrückung zu gewährleisten. Die Anordnung dient ferner zur Gewährleistung einer zuverlässigen Isolation zwischen einer Signalquelle und einem Meßsystem. Diese Isolation ist erforderlich, wenn beim Vorhandensein von großen Störspannungen schwache Signale gemessen werden sollen, wenn Erdschleifen und damit im Zusammenhang stehende Probleme zu vermeiden sind und wenn Messungen an Lebewesen durchgeführt werden sollen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Signalübertragung und/oder Signalverstärkung über eine Isolationsbarriere hinweg werden bekanntlich Trennverstärker verwendet. Als Barriere nutzt man optische oder magnetische Koppler. Die Trennverstärker sind aus diskreten Bauelementen oder in Hybridtechnik ausgeführt.

Es sind Trennverstärker mit analogen Optokopplern bekannt, bei denen die Informationsübertragung durch analoge Änderung der Lichtintensität der Koppler erreicht wird. Ebenso sind Trennverstärker mit magnetischer Kopplung bekannt, bei denen die Informationsübertragung durch Modulation einer der Übertragungskenngrößen realisiert wird. Als Modulationsverfahren werden die Amplituden- und die Fly-Back-Modulation verwendet. Diese Trennverstärker besitzen zwar relativ einfache Schaltungen, aber es werden extrem hohe Anforderungen an die Gleichheit und Stabilität der Kennlinien der Koppler gestellt. Es sind auch schon Trennverstärker mit digitalen Optokopplern bekannt, die zur Informationsübertragung eine Impulskenngröße, z. B. die Impulslänge, benutzen. Neben der aufwendigen Schaltungstechnik ist die niedrige Grenzfrequenz der zu übertragenden Signale von Nachteil.

Allen bekannten Lösungen ist gemeinsam, daß auf Grund der physikalischen Grenzen der verwendeten Übertragungsmittel und -verfahren die Übertragungsgenauigkeit beschränkt ist. Den bekannten Lösungen ist außerdem gemeinsam, daß bei Verwendung weniger Übertragungselemente zur Signalübertragung diese außerordentlich genau sein müssen oder daß die Verwendung weniger genauer Übertragungselemente diese in größerer Anzahl erforderlich macht. In jedem Falle ist ein beträchtlicher Aufwand hinsichtlich der verwendeten Bauelemente erforderlich.

Ziel der Erfindung

Durch die Erfindung sollen die aufgezeigten Mängel der bekannten technischen Lösungen behoben und ein Hybridschaltkreis zur Übertragung einer elektrischen Spannung über eine Isolationsbarriere hinweg geschaffen werden, der mit wenig Bauelemente- und/oder Schaltungsaufwand eine sichere und genaue Übertragung ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung"

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hybridanordnung zur Übertragung einer elektrischen analogen Spannung zu schaffen, die bei einem geringen Schaltungsaufwand eine genaue Übertragung ermöglicht unter Verwendung weniger Koppelelemente, an die selbst keine hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß Eingangssystem und Ausgangssystem Teile eines einzigen AD-Wandlers sind, zwischen dessen Funktionsbaugruppen sich die Potentialbarriere befindet. In einem hybriden AD-Wandler, der aus wenigen aber hochintegrierten monolithischen Chips besteht, wird also eine für die Potentialtrennung notwendige Isolationsbarriere angeordnet, die die im AD-Wandler entstehenden digitalen seriellen Zwischendaten paralleln, also zeitgleich, galvanisch getrennt der Ausgangsseite zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung stellt. Bereits beim Umwandeln der Signale .auf der Eingangsseite findet die Übertragung über die Isolationsbarriere auf die Ausgangsseite statt, und im wesentlichen liegen

die Signale gleichzeitig vor: beispielsweise beim AD-Wandlungs-Verfahren der sukzessiven Approximation im internen Register des AD-Wandlers und im Register der Ausgangsseite des Hybridschaltkreises.

Vorteilhaft ist es, für den AD-Wandler und den dazu parallel arbeitenden, aber durch die Isolationsbarriere galvanisch getrennten Registern auf der Ausgangsseite einen gemeinsamen Taktgenerator mit Starteinrichtung auf der Ausgangsseite vorzusehen. Die Kopplung zwischen Taktgenerator/Starteinrichtung und AD-Wandler wird mit Hilfe eines weiteren potentialtrennenden digitalen Koppelelements realisiert.

Vom Register der Ausgangsseite werden die digitalen Signale entweder direkt oder über einen DA-Wandler einer Verarbeitungseinheit mitgeteilt, die die Signale in digitaler bzw. analoger Form weiterverarbeitet. Es werden einfache digitale Koppler verwendet, die ungenau sein können und beispielsweise auf optischer, akustischer oder magnetischer Basis arbeiten und eine Potentialtrennung ermöglichen, wobei die Anzahl der erforderlichen Koppler auf maximal zwei beschränkt ist. Damit wird unter Beibehaltung der vollen Genauigkeit des AD-Wandlers eine Potentialtrennung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite des Hybrid-Schaltkreises erreicht.

Die Genauigkeit dieses Hybridschaltkreises ist nur noch abhängig von den technischen Daten der verwendeten monolithischen AD-Wandler—die Genauigkeiten der heutigen AD-Wandler liegen schon über denjenigen der klassischen Trennverstärker! Eine weitere Steigerung der technischen Daten der monolithischen AD-Wandler bringt sofort auch eine weitere Verbesserung der Genauigkeit dieses potentialtrennenden Hybridschaltkreises.

Ausführungsbeispiel

Ein nach der Methode der sukzessiven Approximation arbeitender AD-Wandler 1, bestehend aus den Funktionsbaugruppen Komparator 2, Sukzessiv-Approximationsregister 3, DA-Wandler 4, Taktgenerator 5 und Starteinrichtung 6 wird mit Hilfe einer Isolationsbarriere 7 in ein Eingangssystem 8, das von einem nicht dargestellten, meßwertaufnehmenden System Meßwerte in analoger Form erhält und ein Ausgangssystem 9, an das ein nicht dargestelltes, meßwertverarbeitendes System angeschlossen ist, geteilt. Die Isolationsbärriere 7 weist zwei elektrisch isolierende Übergänge (Koppler) 10 und 11 auf, die der Signalübertragung und der Übertragung derTaktimpulse dienen. Dem Ausgangssystem 9 ist ein zusätzliches Schieberegister 12 zugeordnet.

Durch Betätigung der Starteinrichtung 6 über einen Starteingang 13 wird der Taktgenerator 5 in Betrieb gesetzt, der wiederum das Register 12 aktiviert und über den Koppler 11 das Sukzessiv-Approximationsregister 3 einschließlich des DA-Wandlers 4 und des Komparators2 in Betrieb nimmt. Die an Eingängen 14 und 15 anstehende analoge Spannung U|_Awird in eine digitale Information 17 umgewandelt.

Erfindungsgemäß wird nicht die digitale Information 17 übertragen, die erst nach Beendigung der AD-Wandlung zur Verfügung steht, sondern ein internes serielles, während der AD-Wandlung entstehendes Hilfssignal 16 — das bei der sukzessiven Approximation am Ausgang des Komparators7 anliegt — über den Koppler 10 in das Schieberegister 12 eingeladen. Nach beendigter AD-Wandlung steht sofort das digitale Ausgangssignal U₀D potentialfrei gegenüber dem Eingang 14; 15 an Ausgängen 18; 19 zur Verfügung.

Bei Bedarf kann dem Ausgang 18; 19 ein DA-Wandler nachgeschaltet werden, der für analoge meßwertverarbeitende Systeme ein analoges Signal bereitstellt.

Claims (3)

1. Hybrid-Anordnung zur Übertragung einer Spannung oder eines Stromes von einem Eingangssystem über eine Potentialbarriere zu einem Ausgangssystem, gekennzeichnet dadurch, daß Eingangssystem und Ausgangssystem Teile eines einzigen AD-Wandlers sind, zwischen dessen Funktionsbaugruppen sich die Potentialbarriere befindet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine gemeinsame Starteinrichtung und ein gemeinsamer Taktgenerator den Sukzessiv-Approximationsregistern zugeordnet sind und sich auf der Seite des Ausgangssystems befinden.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß dem Sukzessiv-Approximationsregister im Ausgangssystem ein DA-Wandler nachgeordnet ist.