DE102005027958B4

DE102005027958B4 - Wandler für ein Analogsignal

Info

Publication number: DE102005027958B4
Application number: DE200510027958
Authority: DE
Inventors: Yu-Bin Chao
Original assignee: Delta Electronics Inc
Current assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2025-06-17
Also published as: DE102005027958A1

Abstract

Isolierter Wandler zum Trennen einer Signalquelle gegen Masse, mit:
– einem Filter (1) am Eingang des Wandlers zum Empfang eines Eingangssignal von einer Spannungsquelle oder einer Stromsignalquelle, wobei das Filter (1) einen Spannungsteilerwiderstand (R1) aufweist, der ein Präzisionswiderstand hoher Leistung und mit kleinem Widerstandswert ist;
– einer Verstärkungsschaltung (2) zum Empfangen eines Ausgangssignals (V2) des Filters (1) und zum Erzeugen eines gemeinsamen, verstärkten Signals (V3); und
– einer Trennschaltung (3) mit einem Komparator (31) und einem Optokoppler (32), wobei die Trennschaltung (3) zum Empfangen des verstärkten Signals (V3) und zum Isolieren des verstärkten Signals (V3) gegen Störsignale dient.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wandler für ein Analogsignal, der bei einer Analogsignalwandlung für ein Spannungssignal, ein Stromsignal und ein starkes Stromsignal verwendbar ist.
Bei der Signalsteuerung elektronischer Erzeugnisse wird in weitem Umfang A/D(Analog/Digital)-Wandlung verwendet. Die 1 zeigt ein Schaltbild eines herkömmlichen A/D-Wandlers. Das Eingangssignal kann ein Spannungssignal oder ein Stromsignal sein, und es wird durch einen Verstärker proportional verstärkt und dann an eine Steuerungsstufe (wie eine CPU) geliefert. Das Eingangssignal ist im Allgemeinen auf 0–10 V oder 0–20 mA beschränkt. Jedoch sollten das Spannungssignal und das Stromsignal wegen einer Differenz der Eingangsimpedanz separat eingegeben werden. Daher ist ein A/D-Wandler im Allgemeinen auf einen Einzelsignal-Betriebsmodus eingeschränkt, was nicht praxisgerecht ist.
Ein A/D-Wandler für sowohl ein Spannungseingangssignal als auch ein Stromeingangssignal verwendet einen Auswählschalter und eine Verstärkungsschaltung mit einem Operationsverstärker (OP-Verstärker). Die Eingangsimpedanz wird entsprechend der Eingangssignalquelle gewählt. Dadurch kann das Problem eines Einzelsignal-Betriebsmodus gelöst werden. Jedoch besteht für das verwendbare Stromeingangssignal immer noch eine Einschränkung auf z. B. einige mA.
Darüber hinaus sorgt das Design der herkömmlichen Schaltung mit gemeinsamer Masse für keine Isolation der Steuerungsstufe am Ende, wie einer CPU. Externes Rauschen wird an die Steuerungsstufe gekoppelt. Wenn das Signal ein starkes Stromsignal ist, kann es nicht erfasst werden. Die Auswahl des in der 1 dargestellten Widerstands R4' ist schwierig. Daher ist ein Wandlungsmodus, wie ein Stromtransforma tor, erforderlich, um für Isolation der Frontstufe zu sorgen und ein großes in ein kleines Signal zu wandeln. Alternativ wird das Stromsignal durch einen Widerstand in ein Spannungssignal gewandelt, um für einen Trenneffekt zu sorgen. Jedoch sind die Komplexität und die Kosten bei diesem Schaltungsdesign erhöht. Der Eingangsanschluss kann nicht sowohl für ein Stromsignal als auch ein Spannungssignal verwendet werden. Daher sollten Eingangsanschlüsse gesondert vorhanden sein, die nicht für die beiden genannten Signale verwendet werden können.
EP 0 798 885 A2 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Kopplung eines analogen Übertragungswegs und eines digitalen Übertragungswegs, bei der zwischen die Übertragungswege eine Umsetzeinrichtung zum Umsetzen digitaler Signale in analoge Signale und umgekehrt sowie eine Entkopplungseinrichtung zur galvanischen Trennung der beiden Übertragungswege voneinander geschaltet sind, wobei die Kopplungsmittel einerseits mit dem digitalen Übertragungsweg verbunden ist und andererseits unter Zwischenschaltung der Umsetzeinrichtung an dem analogen Übertragungsweg angeschlossen sind.
DE 196 00 173 A1 beschreibt einen Trennverstärker, der einen Optokoppler benutzt, der in digitaler Arbeitsweise Impulse überträgt, die nicht genormt sind und durch die gleichartige Erzeugung von Vergleichsspannung und Ausgangsspannung die Ausgangsspannung erhält. Der Vorteil der Erfindung liegt in den wenigen Bauelementen, die zusätzlich eine große Toleranz besitzen dürfen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen isolierten Wandler für ein Analogsignal zu schaffen, in den Spannungssignale und Stromsignale mit weniger Problemen als bisher eingegeben werden können.
Diese Aufgabe ist durch den isolierten Wandler gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Beim erfindungsgemäßen Wandler liegen eine unabhängige Eingangsquelle und ein einfacher Auswählschalter vor. Darüber hinaus wird in einer hinteren Stufe ein Optokoppler verwendet, um für Trennung zu sorgen, um Störungen betreffend ein Analogsignal zu vermeien. Das Schaltungslayout ist bei kompakter Größe vereinfacht. Der Wandler ist billig herstellbar, und er kann hohe Stromsignale meistern.
Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen isolierten Wandlers verfügt über Folgendes: ein Filter mit Spannungsteilungswiderstand, das einen Signaleingang bildet; eine Verstärkungsschaltung zum Empfangen eines Ausgangssignals des Filters sowie eines schaltenden Eingangs-Spannungssignals und eines Eingangs-Stromsignals durch eine Schalteinheit zum Vereinheitlichen verschiedener Signalquellen; und eine Trennschaltung zum Emfpangen des verstärkten Signals und zum Liefern desselben mit derselben Phase an eine Steue rungs-Endstufe.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsformen näher erläutert.
1 zeigt ein Schaltbild eines herkömmlichen A/D-Wandlers.
2 und 3 zeigen ein Blockdiagramm bzw. ein Schaltbild eines isolierten Wandlers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt ein Schaltbild eines isolierten Wandlers gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Der in den 2 und 3 dargestellte isolierte Wandler für ein Analogsignal verfügt über ein Filter 1, eine Verstärkungsschaltung 2, eine Trennschaltung 3 und einen Spannungsfolger 4. Dieser Wandler kann für ein Spannungssignal, ein Stromsignal und ein großes Stromsignal für eine Analogsignalwandlung sowie Trennung gegen Masse sorgen. Darüber hinaus verfügt er über ein einfaches Schaltungslayout mit kompaktem Leiterbahndesign.
Das Filter 1 erhält an einem Eingangsende ein Eingangssignal, und es wird dazu verwendet, Ausgangswelligkeiten zu verringern. Es verfügt über einen Stromteilerwiderstand R1, der ein Präzisionswiderstand hoher Leistung und mit kleinem Widerstandswert ist. Wenn das Eingangssignal einem großen Strom entspricht, kann dieser Stromteilerwiderstand R1 den meisten Strom umleiten, so dass nicht der hohe Strom in die nächste Stufe eingegeben wird. Demgemäß kann dieser Wandler für Anwendungen mit mehreren Ampere im Vergleich zum herkömmlichen Bereich von mehreren mA verwendet werden.
Die Verstärkungsschaltung 2 ist mit dem Ausgang des Filters 1 verbunden, und sie verfügt über einen OP-Verstärker 21 und eine Schalteinheit 22 zum Ausgeben eines Signals mit gemeinsamem Referenzpegel. Der OP-Verstärker 21 ist mit dem Filter 1 verbunden, um von diesem ein Ausgangssignal V2 zu empfangen. Die Schalteinheit 22 führt für Widerstände R2, R3 und R4 einen Schaltvorgang aus, um ein Signal zu erzeugen, das an das Eingangs-Spannungssignal oder das Eingangs-Stromsignal angepasst ist. Die Verstärkungsverhältnisse an den Schaltknoten 1-2 und 2-3 sind die folgenden:
Schaltknoten 1-2 V2 = V3
Schaltknoten 2-3 V2 = (1 + R3/R4) V3
Die Trennschaltung 3 ist mit dem Ausgang der Verstärkungsschaltung 2 verbunden, und sie verfügt über einen Komparator 31 und einen Optokoppler 32. Der Komparator 31 empfängt von der Verstärkungsschaltung 2 ein gemeinsames Referenzsignal V3 zur Analogsignalverarbeitung. Das verarbeitete Signal erfährt durch den Optokoppler 32 mit den Widerständen R5 und R6 eine Spannungsteilung, wodurch gemäß der nachfolgend angegebenen Formel ein Signal V4 ausgegeben wird und wobei für das Eingangsende und das Ausgangsende für eine Trennung gegen Masse gesorgt ist: V4 = (R6/R5)V3
Das von der Trennschaltung 3 ausgegebene Signal wird an das nicht invertierende Ende des Spannungsfolgers 4 geliefert, und an die Steuerungsendstufe wird ein Ausgangssignal V5 geliefert, anders gesagt, es gilt V5 = V4.
Bei der vorstehend angegebenen Schaltung ist das Eingangsende gegen das Ausgangsende isoliert, um die Wechselwirkung vom Ausgangsende her zu minimieren. Das Anbringen des Opto kopplers 32 mit den Widerständen R5 und R6 sorgt auch für einen Signaltrennungseffekt, und es wird Interferenz von Masse auf eine Steuerungsendstufe, wie eine CPU, verhindert. Darüber hinaus kann die Steuerungsendstufe selbst dann geschützt werden, wenn das Eingangsende kurzgeschlossen wird.
Darüber hinaus verbessert der erfindungsgemäße isolierte Wandler auch die Anwendbarkeit in der Praxis, da sowohl Spannungssignale als auch Stromsignale eingegeben werden können. Es ist kein Eingangsport erforderlich, der zusätzlichen Raum belegt, und das Schaltungslayout kann vereinfacht werden.
Die in der 4 dargestellte zweite bevorzugte Ausführungsform ist der in den 2 und 3 dargestellten mit der Ausnahme ähnlich, dass der Widerstand R6 in der Trennschaltung 3 durch einen variablen Widerstand R7 zum Abstimmen des optimalen Widerstandswerts zur Spannungsteilung gemeinsam mit dem Widerstand R5 ersetzt ist. Daher kann die Trennschaltung 3 Steuersignale effektiv isolieren, so dass diese die Steuerungsendstufe nicht beeinflussen.

Claims

Isolierter Wandler zum Trennen einer Signalquelle gegen Masse, mit: – einem Filter (1) am Eingang des Wandlers zum Empfang eines Eingangssignal von einer Spannungsquelle oder einer Stromsignalquelle, wobei das Filter (1) einen Spannungsteilerwiderstand (R1) aufweist, der ein Präzisionswiderstand hoher Leistung und mit kleinem Widerstandswert ist; – einer Verstärkungsschaltung (2) zum Empfangen eines Ausgangssignals (V2) des Filters (1) und zum Erzeugen eines gemeinsamen, verstärkten Signals (V3); und – einer Trennschaltung (3) mit einem Komparator (31) und einem Optokoppler (32), wobei die Trennschaltung (3) zum Empfangen des verstärkten Signals (V3) und zum Isolieren des verstärkten Signals (V3) gegen Störsignale dient.
Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschaltung (2) über einen OP-Verstärker (21), eine Schalteinheit (22) und mehrere Widerstände (R2, R3, R4) verfügt.
Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einem Eingang des Optokopplers (32) verbundener erster Widerstand (R5) und ein mit dem Ausgang des Optokopplers verbundener zweiter Widerstand (R6, R7) vorhanden sind, um einen Spannungsteiler zu bilden.
Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand (R7) ein variabler Widerstand (R7) ist.
Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsfolger (4) mit dem Ausgang der Trennschaltung (3) verbunden ist.
Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsfolger (4) ein OP-Verstärker ist.
Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalquelle eine Spannungssignalquelle, eine Stromsignalquelle oder eine Quelle eines grossen Stromsignals ist.