DE10159607B4

DE10159607B4 - Analog/Digital-Signalwandlereinrichtung mit galvanischer Trennung in ihrem Singalübertragungsweg

Info

Publication number: DE10159607B4
Application number: DE10159607A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Hauch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2021-12-06
Also published as: DE10159607A1

Abstract

Analog/Digital-Signalwandlereinrichtung (2, 15) für hohe Informationsinhalte mit über 1 Bit eines eingangsseitigen, analogen Spannungssignals (V_in), wobei
a) die Eingangsseite (E) durch eine Isolationsbarriere (3) galvanisch getrennt von einer Ausgangsseite (A) ist,
b) auf der Eingangsseite (E) Mittel zu einer Umwandlung des eingangsseitigen, analogen Spannungssignals (V_in) in ein eingangsseitiges, analoges Stromsignal (S_in) vorgesehen sind, denen Mittel zur Umwandlung des eingangsseitigen, analogen Stromsignals (S_in) in ein analoges Magnetfeldsignal (H) mit einer eindeutig von der Signalstärke des analogen Stromsignals abhängenden Magnetfeldstärke nachgeordnet sind,
und
c) auf der Ausgangsseite (A) ein das Magnetfeldsignal (H) detektierender Sensor (7, 18) zu einer eindeutigen, von der Kennlinie des Sensors abhängenden Umwandlung des Magnetfeldsignals (H) in ein analoges Folgesignal (S_out) vorhanden ist, wobei dem Sensor (7, 18) Mittel zum Umwandeln des Folgesignals (S_out) in ein digitales ausgangsseitiges Spannungssignal (V_out) zugeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Analog/Digital-Signalwandlereinrichtung für hohe Informationsinhalte und Datenübertragungsraten mit einer Eingangsseite, die durch eine Isolationsbarriere galvanisch getrennt von einer Ausgangsseite ist.
Auf vielen Gebieten der Technik wie insbesondere der digitalen Informationsübertragung muss zunächst eingangsseitig ein analoges Signal elektronisch mittels eines Wandlers in ein digitales Signal umgewandelt werden. Die entsprechenden Wandler werden allgemein als A/D(= Analog/Digital)-Wandler bezeichnet. Das so gewonnene digitale Signal wird dann potenzialfrei übertragen und weiterverarbeitet. Für eine entsprechende, galvanisch getrennte Signalübertragung werden in der Kommunikations- und Automatisierungstechnik überwiegend sogenannte Optokoppler verwendet. Hierbei wird auf einen Eingang ein elektrisches (primäres) Datensignal gegeben, das mittels einer lichtemittierenden Diode (LED) in ein optisches Strahlungssignal umgewandelt wird. Dieses Strahlungssignal wird durch eine Isolationsbarriere in Form eines optisch transparenten Mediums hindurch auf einen optischen Sensor übertragen, mittels dessen es wieder in ein elektrisches (sekundäres) Signal rückverwandelt wird. Eine derartige digitale Informationsübertragung mittels Optokopplern ist begrenzt in der Übertragungsrate durch die beschränkte Bandbreite der optischen Elemente – mit etwa 50 bis 100 Mbps (Megabits pro Sekunde) entsprechend 25 bis 50 MHz – und in der Bauform durch die beschränkte Integrierbarkeit solcher optischen Elemente mit der Siliziumtechnologie. Ferner können die optischen Elemente auch nur in einem Temperaturbereich bis maximal etwa 85°C und außerdem im allgemeinen nur mit Betriebsspannungen von mindestens 3 V betrieben werden.
Ein entsprechender A/D-Wandler geht aus der JP 60-148229 A1 hervor. Bei diesem bekannten Wandler wird ein eingangsseitiges analoges Signal zunächst in ein pulsbreitenmoduliertes Signal umgewandelt, da das verwendete LED-Transistor-Koppelelement nur die Zustände ”ein” (= ”1”) und ”aus” (= ”0”) kennt. Ein Signal mit einem höheren Informationsinhalt muss nämlich seriell übertragen werden, wodurch sich aber die Bandbreite des Übertragers entsprechend der Bit-Tiefe verringert. Eine pulsbreitenmodulierte Signalübertragung ist dabei ein Spezialfall einer seriellen Übertragung, wo die Wandlung in das digitale Signal besonders einfach über eine analoge Elektronik zu gestalten ist. Bei dem bekannten Wandler ist also der Ablauf der Signalübertragung wie folgt: Analog/Digital-Wandlung auf der Eingangsseite (hier in Form einer Pulsbreitenmodulation) → serielle Übertragung des digitalen Signals → Digital/Analog-Wandlung auf der Ausgangsseite → Ausgabe des Signals analog.
Neben einer solchen optoelektrischen Signalübertragung ist auch eine magnetische Übertragung beispielsweise unter Verwendung von Hall-Sonden bekannt. Mit solchen Sonden lassen sich nämlich Signalgrößen erfassen, welche Magnetfelder erzeugen oder beeinflussen. So ist z. B. aus dem Buch von E. Schrüfer ”Elektrische Messtechnik”, 6. Aufl., 1995, Hanser-Verlag München, Seiten 165 bis 168 eine entsprechende potentialfreie Messung eines Stromes zu entnehmen.
Die DE 19643848 A1 betrifft ebenfalls die Signalübertragung und zeigt eine elektrische Steckverbindung zur Übertragung von Nachrichten oder Energie mit mindestens zwei elektrischen Steckern, wobei diese als galvanisch entkoppelte Schwingkreise ausgebildet sind.
Darüber hinaus ist auf dem Gebiet der Magnetoelektronik bekannt, mit magnetoresistiven Sensorelementen sogenannte Magnetokoppler aufzubauen, die ebenfalls eine galvanisch getrennte Datenübertragung ermöglichen (vgl. z. B. die WO 98/07165 A2 ). Hier lassen sich die aufgezeigten Begrenzungen der Optokoppler deutlich überschreiten, z. B. mit einer deutlich höheren Datenübertragungsrate und der Möglichkeit, entsprechende Bauteile auch noch bei kleineren Spannungen als 3 V zu betreiben. Ferner sind derartige Magnetokoppler mit Elektronikbauteilen der Si-Technologie zu integrieren. Der aus der genannten WO-Schrift entnehmbare Magnetkoppler besitzt zur Stromdetektion Sensorelemente, mit denen ein magnetisches Signalfeld zu detektieren ist, welches mittels Stromflusses durch eine Flachspule erzeugt wird. Die Leiterbahnen dieser Flachspule verlaufen dabei orthogonal über die Sensorelemente und sind galvanisch gegenüber diesen getrennt. Die Sensorelemente sind dabei als magnetoresistive Mehrschichtensysteme aufgebaut und können insbesondere den sogenannten GMR-Effekt zeigen.
Die DE 19922127 A1 betrifft einen integrierten Schaltkreis, welcher einen A/D-Umsetzer oder einen D/A-Umsetzer sowie einen mit diesem verbundenen analogen und einen digitalen Signalpfad enthält. Im digitalen Signalpfad des integrierten Schaltkreises ist weiterhin eine Vorrichtung zur Potentialmessung vorgesehen.
Die US 5831426 zeigt einen magnetischen Stromsensor zur Messung magnetischer Felder. Der Sensor umfasst ein Substrat, auf dem ein Eingangsleiter angeordnet ist, um einen Eingangsstrom zu leiten. Weiterhin ist ein erster Stromsensor auf dem Substrat vorgesehen, der zwar derart angrenzend an den Eingangsleiter angeordnet sein soll, dass er sich in einem magnetischen Feld eines den Eingangsleiter passierenden Eingangsstroms befindet. Der Stromsensor ist jedoch in einem gewissen Mindestabstand zum Eingangsleiter angeordnet, um eine elektrische Isolierung zu gewährleisten. Der erste Stromsensor besteht aus einer Anzahl magnetoresistiver anisotroper, ferromagnetischer Dünnfilm-Schichten, wobei zumindest zwei dieser Schichten durch eine nicht-magnetische, elektrisch leitende Schicht voneinander beabstandet sind. Eine Schicht eines Materials mit magnetischer Permeabilität ist in der Nähe des Eingangsleiters und des ersten Stromsensors angeordnet, um als Magnetfeldkonzentrator zu wirken. Der erste Stromsensor erstreckt sich entlang einer ersten Richtung auf dem Substrat, während der Eingangsleiter entlang einer zweiten Richtung orientiert ist, die senkrecht zur ersten Richtung steht.
Die EP 514587 A2 betrifft die Linearisierung einer Nichtlinear-Analog-Digitalwandlung und zeigt einen A/D-Wandler mit einem Schaltkreis, der die Amplituden aufeinander folgender Intervalle eines analogen Signals in korrespondierende erste Digitalwerte umwandelt. Zweite Digitalwerte werden in einem linearisierenden Speicher an verschiedenen eindeutigen Adressen gespeichert, welche den spezifischen ersten Digitalwerten entsprechen. Die zweiten Digitalwerte hängen in einem bestimmten Bereich in linearer Weise von den analogen Signalamplituden ab.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Analog/Digital-Signalwandlereinrichtung für hohe Informationsinhalte von insbesondere mehr als 1 Bit, vorzugsweise mindestens 2 Bit, anzugeben, die eine galvanische Trennstrecke in Form einer Isolationsbarriere aufweist und deren konstruktiver Aufwand gegenüber bekannten Einrichtungen vermindert ist. Außerdem soll die Einrichtung eine hohe Datenübertragungsrate von insbesondere über 50 Mbps ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend hat die Analog/Digital-Signalwandlereinrichtung für hohe Informationsinhalte eine Eingangsseite, die durch eine Isolationsbarriere galvanisch getrennt von einer Ausgangsseite ist, wobei

a) auf der Eingangsseite Mittel zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals in ein analoges Magnetfeldsignal (mit einer eindeutig von der Signalstärke des analogen Signals abhängenden Magnetfeldstärke vorgesehen sind

b) auf der Ausgangsseite ein das Magnetfeldsignal detektierender Sensor zu einer eindeutigen, von der Kennlinie des Sensors abhängenden Umwandlung des Magnetfeldsignals in ein analoges Folgesignal vorhanden ist, wobei dem Sensor Mittel zum Umwandeln des Folgesignals in ein digitales Ausgangssignal zugeordnet sind.

Die mit dieser Ausgestaltung der Signalwandlereinrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass auf Grund der Nutzung eines Magnetsignals zur analogen Signalübertragung über die Isolationsbarriere hinweg ein Analog/Digital-Wandler auf der Eingangsseite einzusparen ist.
Im Gegensatz zu der aus der genannten JP 60-148229 A zu entnehmenden Signalwandlereinrichtung ist der Ablauf der Signalübertragung bei dem erfindungsgemäßen Wandler wie folgt: Analoges Signal auf der Eingangsseite → analoge Übertragung des Signals → Analog/Digital-Wandlung auf der Ausgangsseite → Signalaufbereitung auf der Ausgangsseite → Ausgabe des Signals in beliebiger Form (digital oder analog nach entsprechender Digital/Analog-Wandlung). Der Vorteil dieses Übertragungsverfahrens liegt darin, dass ein vergleichsweise höherer Informationsinhalt übertragen werden kann, ohne die Bandbreite zu verringern. Der Grund hierfür ist, dass der Informationsinhalt des analogen Signals prinzipiell unbegrenzt ist. Da aber ideale Übertragungskennlinien in der Praxis kaum realisierbar sind, würde das Signal ohne Aufbereitung durch die Übertragung verfälscht. Aus diesem Grunde wird das Signal auf der Ausgangsseite von analog auf digital gewandelt und in oder nach diesem Prozess entsprechend aufbereitet. Hierzu sind gegebenenfalls elektronische Mittel zur die Linearität der Kennlinie verbessernden Signalaufbereitung vorgesehen. Die theoretische Auflösung dieses Verfahrens ist nur durch die Eigenschaften der Übertragungskennlinie insbesondere durch deren Hysterese und/oder Nichtlinearität begrenzt. In der Praxis wird man vorteilhaft jedoch mit 8, 12 oder 16 Bit arbeiten.
Im Vergleich dazu kann mit konventionellen Optokopplern nur ein 8-Bit-Signal entweder parallel oder seriell übertragen werden. In diesem Fall muss ein Bit nach dem anderen gesendet werden, was mit einer entsprechenden Einbuße an Übertragungsgeschwindigkeit verbunden ist. Wenn man das Signal parallel überträgt, dann kann man zwar die Geschwindigkeit beibehalten, braucht aber 8 Kanäle. Einen Spezialfall bildet das pulsbreitenmodulierte Signal. Auch hier kennt die Übertragungseinheit nur zwei Zustände („0” und „1”); jedoch steckt die Information in der Pulsbreite und der Zeitspanne, für die der Zustand „1” während eines vorbestimmten Intervalls T_erfassung existiert. Die höchste Auflösung, also 1 Bit, wird hierbei durch die Dauer der steigenden (t_rise) und der fallenden (t_fall) Flanke bestimmt, deren Summe gleichzeitig die nutzbare Bandbreite des Übertragers bestimmt. Wird nun z. B. ein 8-Bit-Signal über Pulsbreitenmodulierung übertragen, muss T_erfassung in 256 eindeutig erkennbare Zeiteinheiten unterteilt werden. Um Eindeutigkeit zu gewährleiten, darf eine Zeiteinheit nicht kleiner t_fall sein. Dies bedeutet, die Bandbreite reduziert sich bei einer Übertragung mit Pulsbreitenmodulation nicht nur linear, sondern exponentiell mit der Bit-Tiefe des zu übertragenden Signals. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen sind aber weniger Kopplerkanäle erforderlich, da die volle analoge Information jederzeit abgreifbar ist und beispielsweise bei 8 Bit Informationsinhalt acht Kopplerkanäle durch einen galvanisch getrennten Analog/Digital-Wandler ersetzt werden können.
Darüber hinaus ermöglicht die analoge Magnetsignalübertragung eine Datenübertragung mit hohen Frequenzen von insbesondere über 50 MHz, vorzugsweise über 100 MHz.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Signalwandlereinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
So können vorteilhaft dem Sensor Mittel zur die Linearität der Kennlinie verbessernden Signalaufbereitung zugeordnet sein. Denn im Allgemeinen ist davon auszugehen, dass eine exakte Linearität der Kennlinie in der Praxis nicht zu erreichen ist, so dass das über die Isolationsstrecke übertragene und an dem Sensor abgenommene Signal elektronisch zu bearbei ten ist. Dabei können die Mittel zur Linearitätsverbesserung insbesondere Teil der Mittel zum Umwandeln des Folgesignals sein.
Darüber hinaus können auf der Eingangsseite die Mittel zur Umwandlung des analogen Eingangssignals vorzugsweise ein Magnetfeldsignal mit einer Magnetfeldstärke erzeugen, die eine stetig steigende, insbesondere zumindest annähernd lineare Funktion der Signalstärke bildet. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn auf der Ausgangsseite die Signalstärke des analogen Folgesignals des Sensors eine stetig steigende, vorzugsweise zumindest annähernd lineare Funktion der Magnetfeldstärke des Magnetfeldsignals bildet. In beiden Fällen wird die Signalauswertung erleichtert.
Ferner kann vorteilhaft der Sensor mindestens ein magnetoresistives Sensorelement aufweisen. Ein solches Sensorelement kann mit der Isolationsbarriere und den eingangsseitigen Mitteln zur Erzeugung eines Magnetfeldsignals wie z. B. einer elektrischen Leiterbahn in an sich bekannter Weise eine magnetoresistive Kopplervorrichtung bilden.
Stattdessen kann als Sensor auch eine Spule dienen, die induktiv über die Isolationsbarriere an die eingangsseitigen Mittel zur Erzeugung des Magnetfeldsignals wie z. B. einer Stromleiterbahn gekoppelt ist. Die Leiterbahn, die Isolationsbarriere und die Spule können dann an sich bekannter Weise eine induktive Kopplervorrichtung bilden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Signalwandlereinrichtung sind Gegenstand der restlichen Unteransprüche.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren jeweils schematisch bevorzugte Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Analog/Digital-Signalwandlereinrichtungen veranschaulicht sind. So zeigen deren
1 in einem Ersatzschaltbild die wesentlichen Komponenten für eine Wandlereinrichtung unter Verwendung einer magnetoresistiven Kopplervorrichtung,
2 als Diagramm die Kennlinie eines Sensorelementes dieser Kopplervorrichtung,
3 und 4 den Aufbau dieser Kopplervorrichtung in Aufsicht bzw. als Querschnitt, 5 in einem Ersatzschaltbild die wesentlichen Komponenten einer weiteren Wandlereinrichtung unter Verwendung einer induktiven Kopplervorrichtung, sowie
6 und 7 den Aufbau der Kopplervorrichtung nach 5 in Aufsicht bzw. als Querschnitt.
Dabei sind in den einzelnen Figuren sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Für die in 1 angedeutete Ersatzschaltung einer Analog/Digital(A/D)-Signalwandlereinrichtung nach der Erfindung sind weitgehend an sich bekannte Komponenten vorgesehen. Die Ersatzschaltung dieser allgemein mit 2 bezeichneten Wandlereinrichtung unterteilt sich in eine Eingangsseite E und eine Ausgangsseite A. Diese Seiten sind durch eine Isolationsbarriere 3 galvanisch voneinander getrennt. Auf der Eingangsseite E wird zunächst ein eingangsseitiges, analoges Spannungssignal V_in mit Hilfe einer Ansteuerungselektronik 4 in ein eingangsseitiges, analoges Stromsignal S_in umgewandelt. Dieses Stromsignal wird über einen Strompfad 5 geleitet, in dem sich ein ein magnetisches Signalfeld H erzeugendes Leiterelement 6 befindet. Dieses Leiterelement stellt folglich eine Ausführungsform eines Mittels zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals in ein Magnetfeldsignal dar. Die erzeugte Magnetfeldstärke soll dabei zumindest annähernd proportional der Signalstärke des analogen Signals sein. Dem entsprechenden, beispielsweise spulenförmig ausgebildeten Leiterelement ist ein über die Isolationsbarriere 3 galvanisch von ihm ge trennter magnetfeldempfindlicher Sensor 7 zugeordnet, welcher gemäß dem gewählten Ausführungsbeispiel einen magnetoresistiven Effekt zeigt. Er umfasst ein oder mehrere Sensorelemente, die anisotrop magnetoresistiv (sogenannte ”AMR-Elemente”), giant-magnetoresistiv (sogenannte ”GMR-Elemente”), tunnel-magnetoresistiv (sogenannte ”TMR-Elemente”) oder kolossal-magnetoresistiv (sogenannte ”CMR-Elemente”) sein können und die in bekannter Weise als GMR- oder TMR- oder XMR-Mehrschichtensystem mit einem erhöhten magnetoresistiven Effekt ausgebildet sind (vgl. z. B. den Band ”XMR-Technologien” – Technologieanalyse: Magnetismus; Band 2- des VDI-Technologiezentrums ”Physikalische Technologien”, Düsseldorf (DE), 1997, Seiten 11 bis 46). Eine bevorzugte Ausführungsform einer so gebildeten magnetischen Kopplervorrichtung 8 mit wenigstens einem ein magnetisches Signalfeld H mittels Stromfluss erzeugenden elektrischen Leiterelement 6 sowie mit mindestens einem diesem Leiterelement zugeordneten, von diesem über die Isolationsbarriere 3 galvanisch getrennten, magnetfeldempfindlichen XMR-Sensor 7 geht aus der DE 100 17 374 A1 hervor. Eine derartige Kopplervorrichtung ist in der Lage, mit hoher Übertragungsbandbreite von mindestens 50 MHz, vorzugsweise über 100 MHz, ein Magnetfeldsignal H in ein analoges Folgesignal umzuwandeln. Dieses Folgesignal liegt nunmehr auf der Ausgangsseite A in Form eines analogen Stromsignals S_out vor. Das Folgesignal kann aber auch ein Spannungssignal oder ein Widerstandswert sein. Für das Ausführungsbeispiel sei jedoch ein Stromsignal I_out = S_out angenommen. Dieses Signal wird einer Auswertungselektronik 9 mit einem A/D-Wandler zugeführt, in dem es in ein digitales Ausgangssignal V_out in Form eines Spannungssignals umgewandelt wird. Die Auswertungselektronik stellt dabei eine mögliche Ausführungsform eines Mittels zum Umwandeln des Folgesignals in ein digitales Ausgangssignal dar. Zugleich wird in der Auswerteelektronik eine in der Praxis nicht ohne weiteres zu vermeidende Nicht-Linearität der Kennlinie der Übertragung bzw. des Sensors zumindest weitgehend reduziert. Das dementsprechend mit Hilfe der erfindungsgemäßen A/D-Signalwandler einrichtung 2 von einem analogen Spannungssignal V_in in ein digitales Spannungssignal V_out umgewandelte Signal lässt sich dann in bekannter Weise in einer nachgeordneten, in der Figur nicht dargestellten Elektronik weiterverarbeiten.
Damit eine eindeutige Signalübertragung bzw. Zuordnung des Folgesignals S_out dem Magnetfeldsignal H über die Isolationsbarriere 3 hinweg möglich ist, muss die Kopplervorrichtung 8 eine Kennlinie aufweisen, die im interessierenden Messbereich eine (im mathematischen Sinne) eindeutige, insbesondere stetig steigende, vorzugsweise zumindest annähernd (unter zugelassenen Abweichungen um +/–5%) lineare Funktion des Magnetfeldes H bezüglich des Strom- bzw. Folgesignals S_out darstellt. Eine entsprechende Kennlinie, wie sie bei aus der genannten DE 10017374-A1 entnehmbaren Kopplervorrichtungen gegeben ist, geht aus dem Diagramm der 2 hervor. In der Figur ist in Abszissenrichtung das Magnetfeld H und in Ordinatenrichtung das Sensorsignal S_out aufgetragen. In dem Diagramm ist ferner das sich bei einer Sättigungsfeldstärke H_sat ergebende maximale Sensorsignal S_max vermerkt. Der Übertragungsbereich der Kopplervorrichtung liegt folglich in dem kontinuierlich, stetig steigenden Kennlinienteil unterhalb dieser Sättigungsfeldstärke. Ein derartiger kontinuierlicher, stetig steigender Kennlinienbereich ist eine Voraussetzung der Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen A/D-Signalwandlereinrichtung. Die Kennlinie ist idealisiert dargestellt; in der Praxis sind Abweichungen von der Linearität nicht zu vermeiden. Diese Abweichungen werden durch die vorhandene Auswerteelektronik zumindest weitgehend kompensiert (sogenannte ”Glättung der Kennlinie”).
Die 3 und 4 zeigen in Aufsicht bzw. im Querschnitt den Aufbau einer für die Wandlereinrichtung 2 nach den 1 und 2 geeigneten Kopplervorrichtung 8. Ihr Leiterelement 6 wird durch eine Signalspule 11 gebildet, die vorzugsweise in Form einer Flachspule ausgeführt ist. Mittels einer die Isolationsbarriere 3 bildenden Isolation 3' galvanisch getrennt ist ein magnetoresistiver Sensor 7 mit beispielsweise vier Sensorelementen 7a bis 7d angeordnet. Die durch die Isolation 3' passivierten Sensorelemente können dabei zu einer Wheatstone'schen Brücke verschaltet sein. Ferner kann noch eine magnetische Schirmung 12a bzw. 12b im Bereich der jeweils paarweise angeordneten Sensorelemente vorgesehen sein. Wie sich ferner aus 4 entnehmen lässt, befindet sich der Aufbau auf einem Substrat 13, das beispielsweise eine Metallisierung besitzt und auch als Substrat für eine integrierte Schaltung, beispielsweise der erforderlichen Elektronikteile, dient.
Eine in 5 angedeutete A/D-Signalwandlereinrichtung 15, für die eine 1 entsprechende Darstellung gewählt ist, unterscheidet sich von der Wandlereinrichtung 2 nach 1 lediglich in ihrer Kopplervorrichtung 16. Bei dieser Vorrichtung wird nicht das von einem Stromleiterelement 6 erzeugte analoge Magnetfeldsignal H von einem magnetoresistiven Sensor detektiert. Vielmehr erfolgt hier eine induktive, transformatorische Kopplung über die Isolationsbarriere 3. Es ist deshalb auf der Eingangsseite E eine Signalspule 17 vorgesehen, mit deren Hilfe das analoge Magnetfeldsignal H erzeugt wird. Dieses Signal wird auf der Ausgangsseite A von einer Empfängerspule 18 detektiert. Diese Empfängerspule stellt somit bei dieser Ausführungsform den Sensor dar.
Ein mögliches Ausführungsbeispiel für den Aufbau einer entsprechenden induktiven Kopplervorrichtung 16 geht aus den 6 und 7 in Aufsicht bzw. im Querschnitt hervor. Diese Kopplervorrichtung kann vorzugsweise in Form eines Flachspulenkopplers mit einem Dünnschicht-Magnetkern 20 (Schichtdicke unter 50 μm, vorzugsweise unter 10 μm) und ebenfalls den in Dünnschichttechnik zu erstellenden, induktiv gekoppelten Signal- und Empfängerspulen 17 bzw. 18 (Schichtdicken unter 50 μm, vorzugsweise unter 10 μm) hergestellt werden. Dabei sind in diesen Figuren für die zeichnerische Darstellung für die eingangsseitige Signalspule 17 durchgezogene Linien und für die ausgangsseitige Empfängerspule 18 gestrichelte Linien gewählt. Ferner wurden für in unterschiedlichen Ebenen liegende Leiter jeder dieser Spulen unterschiedliche Strichstärken gewählt, obwohl die Leiterstärken, insbesondere Leiterbreiten, zumindest der zu einer Spule gehörenden Teilspulen gleich sind.
Zur Herstellung der Kopplervorrichtung 16 wird zunächst auf einem nicht dargestellten Substrat ein unterer Kernteil 20a eines Magnetkerns 20 aus einem weichmagnetischen Magnetmaterial strukturiert. Bis auf Randzonen 20b und das Zentrum 20c werden dann auf diesem Kernteil isoliert von diesem und untereinander isoliert in zwei parallelen Ebenen e1 und e2 flache Teilspulen 18a und 18b der Empfängerspule 18 ebenfalls in Dünnschichttechnik erstellt. Diese Teilspulen umschließen das Zentrum 20c des Kernteils 20a und haben in Aufsicht eine schneckenhausähnliche, ineinander gewundene Anordnung. Nach diesen beiden Teilspulen werden in entsprechender Weise ineinander gewundene Teilspulen 17a und 17b isoliert von diesen und untereinander isoliert in zwei parallelen Ebene e3 und e4 ausgebildet. Kontaktflächen k18a und k18a' der Teilspule 18a, Kontaktflächen k18b und k18b' der Teilspule 18b sowie in entsprechender Weise Kontaktflächen 17a und 17a' der Teilspule 17a und Kontaktflächen k17b und kl7b' der Teilspule 17b werden selbstverständlich von dem erforderlichen Isolationsmaterial 22 freigehalten. Der zwischen den Spulen 17 und 18 liegende Teil dieses Isolationsmaterials bildet dabei die Isolationsbarriere 3. Der so gewonnene Aufbau wird dann mit einer Schicht aus dem Material des Magnetkerns überzogen, so dass sich ein in einer zweiten Ebene liegender oberer Kernteil 20d ergibt. Dieser Kernteil ist im Zentrum 20c mit dem unteren Kernteil 20a verbunden. Es ergibt sich so ein Aufbau des Magnetkerns 20 vom bekannten Topf-Typ. Entsprechende induktive Kopplervorrichtungen sind Gegenstand der nachveröffentlichten DE 10102367 A1 .
Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen der Spulen einer induktiven Kopplervorrichtung möglich. So können sich beispielsweise je eine Teilspule der Signalspule und der Empfängerspule in einer gemeinsamen Ebene in ineinander gewundener Anordnung befinden. Auch Ausführungsformen ohne Magnetkern sind möglich.

Claims

Analog/Digital-Signalwandlereinrichtung (2, 15) für hohe Informationsinhalte mit über 1 Bit eines eingangsseitigen, analogen Spannungssignals (V_in), wobei a) die Eingangsseite (E) durch eine Isolationsbarriere (3) galvanisch getrennt von einer Ausgangsseite (A) ist, b) auf der Eingangsseite (E) Mittel zu einer Umwandlung des eingangsseitigen, analogen Spannungssignals (V_in) in ein eingangsseitiges, analoges Stromsignal (S_in) vorgesehen sind, denen Mittel zur Umwandlung des eingangsseitigen, analogen Stromsignals (S_in) in ein analoges Magnetfeldsignal (H) mit einer eindeutig von der Signalstärke des analogen Stromsignals abhängenden Magnetfeldstärke nachgeordnet sind, und c) auf der Ausgangsseite (A) ein das Magnetfeldsignal (H) detektierender Sensor (7, 18) zu einer eindeutigen, von der Kennlinie des Sensors abhängenden Umwandlung des Magnetfeldsignals (H) in ein analoges Folgesignal (S_out) vorhanden ist, wobei dem Sensor (7, 18) Mittel zum Umwandeln des Folgesignals (S_out) in ein digitales ausgangsseitiges Spannungssignal (V_out) zugeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass. dem Sensor (7, 18) Mittel zur die Linearität der Kennlinie verbessernden Signalaufbereitung zugeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Linearitätsverbesserung Teil der Mittel zum Umwandeln des Folgesignals (S_out) sind.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Eingangsseite (E) die Mittel zur Umwandlung des analogen Eingangssignals (V_in) ein Magnetfeldsignal (H) mit einer Magnetfeldstärke erzeugen, die eine stetig steigende, vorzugsweise zumindest annähernd lineare Funktion der Signalstärke bildet.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Ausgangsseite (A) die Signalstärke des analogen Folgesignals (S_out) des Sensors (7, 18) eine stetig steigende, vorzugsweise zumindest annähernd lineare Funktion der Magnetfeldstärke des Magnetfeldsignals (H) bildet.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingangsseitigen Umwandlungsmittel wenigstens ein das Magnetfeldsignal (H) aus einem Stromsignal (S_in) erzeugendes elektrisches Leiterelement (6) umfassen.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (6) als eine Signalspule (11, 17) ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalspule (11, 17) die Form mindestens einer Flachspule aufweist.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7) mindestens ein magnetoresistives Sensorelement (7a bis 7d) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement als GMR-, TMR- oder XMR-Element aufgebaut ist.
Einrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, den Ansprüchen 6 und 8 oder den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (6), die Isolationsbarriere (3, 3') und der Sensor (7) Teile einer magnetoresistiven Kopplervorrichtung (8) sind.
Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Kopplervorrichtung (8) in Dünnfilmtechnik.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als eine induktiv an das Leiterelement (6) gekoppelte Empfängerspule (18) ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerspule (18) die Form mindestens einer Flachspule (18a, 18b) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (6), die Isolationsbarriere (3, 3') und die Empfängerspule (18) Teile einer induktiven Kopplervorrichtung (16) sind.
Einrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Kopplervorrichtung (16) in Dünnfilmtechnik.