DE102011078698B3

DE102011078698B3 - Electrical current measuring circuitry of control system used for controlling servo-drive of automation system, has analog filter to carry out frequency-dependent amplification of measuring signal from which current value is measured

Info

Publication number: DE102011078698B3
Application number: DE201110078698
Authority: DE
Inventors: Jens Onno Krah
Original assignee: Beckhoff Automation GmbH and Co KG
Current assignee: Beckhoff Automation GmbH and Co KG
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2031-07-06

Abstract

A current measuring device (110) measures the magnitude of current value (20) of dependent measuring signal (115), an analog filter (120) carries out frequency-dependent amplification of measuring signal, and an analog-to-digital converter (130) converts output signal (125) of filter into bit stream (135). A transmission device (140) carries out electrically isolated transmission of bit stream. A digital filter (150) and a decimator (160) are adapted for converting the information occurring frequently in the bit stream (145) into data words (165). An independent claim is included for electrical current measuring method.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Messen einer Stromstärke gemäß Patentanspruch 1, ein Regelsystem gemäß Patentanspruch 12 sowie ein Verfahren zum Messen einer Stromstärke gemäß Patentanspruch 13.The invention relates to a circuit arrangement for measuring a current intensity according to claim 1, a control system according to claim 12 and a method for measuring a current intensity according to claim 13.

Viele technische Anwendungen erfordern ein schnelles und genaues Messen von elektrischen Stromstärken. Häufig muss die Messung der Stromstärke obendrein potentialfrei erfolgen.Many technical applications require a fast and accurate measurement of electrical currents. Often the measurement of the current must also be potential-free.

Im Stand der Technik sind im Wesentlichen zwei Verfahren zur potentialfreien Messung einer Stromstärke bekannt. Zum einen kann eine indirekte Messung der Stromstärke über eine Messung eines durch einen Stromfluss erzeugten Magnetfelds mittels eines Hall-Sensors oder eines Fluxgate-Sensors erfolgen. Eine entsprechende Messanordnung ist beispielsweise aus der DE 10 2005 013 232 A1 bekannt. Nachteile der Hall-basierten Verfahren sind der Offsetdrift, das Rauschen der Hall-Elemente bei nicht-kompensierenden Wandlern und der erforderliche große Bauraum bei kompensierenden Messverfahren.In the prior art, essentially two methods for the potential-free measurement of a current are known. On the one hand, an indirect measurement of the current intensity can take place via a measurement of a magnetic field generated by a current flow by means of a Hall sensor or a fluxgate sensor. A corresponding measuring arrangement is for example from DE 10 2005 013 232 A1 known. Disadvantages of the Hall-based methods are the offset drift, the noise of the Hall elements in non-compensating transducers and the required large installation space in compensating measuring methods.

In einer zweiten bekannten Messmethode wird ein Nebenschlusswiderstand (Shunt) mit einem nachgeschalteten Sigma-Delta-Modulator verwendet, der einen Bitstrom erzeugt. Dieser Bitstrom wird über einen Optokoppler oder kapazitiv oder induktiv potentialgetrennt. Ein nachgeschaltetes digitales Filter, meist ein Sinc-Filter, unterdrückt das Quantisierungsrauschen. Derartige Anordnungen sind beispielsweise in den Datenblättern ADS1202 von Texas Instruments und ACPL-C797 von Avago beschrieben. Das digitale Filter wandelt den Bitstrom dabei außerdem in digitale Datenworte. Bei der Konfiguration des digitalen Filters müssen eine kurze Einschwingzeit und eine hohe Messgenauigkeit gegeneinander abgewogen werden. Üblicherweise werden Sinc3-Filter mit Modulatorfrequenzen zwischen 10 MHz und 20 MHz verwendet. Je nach Wahl eines Überabtastungsfaktors (oversampling factor) ergeben sich dabei eine kurze Einschwingzeit und eine hohe Bandbreite bei geringer Messgenauigkeit oder eine höhere Genauigkeit bei gleichzeitig reduzierter Bandbreite und erhöhter Einschwingzeit.In a second known measuring method, a shunt resistor with a downstream sigma-delta modulator is used, which generates a bit stream. This bit stream is electrically isolated via an optocoupler or capacitive or inductive. A downstream digital filter, usually a sinc filter, suppresses the quantization noise. Such arrangements are described, for example, in the data sheets ADS1202 from Texas Instruments and ACPL-C797 from Avago. The digital filter also converts the bitstream into digital data words. When configuring the digital filter, a short settling time and a high measuring accuracy must be weighed against each other. Usually, Sinc3 filters with modulator frequencies between 10 MHz and 20 MHz are used. Depending on the choice of an oversampling factor, this results in a short settling time and a high bandwidth with low measuring accuracy or a higher accuracy with simultaneously reduced bandwidth and increased settling time.

Die DE 11 2009 001 796 T5 beschreibt ein Strommesssystem mit einer Stromerfassungseinrichtung, die ausgestaltet ist, um eine Spannung proportional zu einem Strom zu erzeugen, der von einer Leistungsquelle fließt. Das Strommesssystem umfasst außerdem einen Analog-Digital-Wandler, der ausgestaltet ist, die Spannung in digitale Daten umzuwandeln. Ein Prozessor ist ausgestaltet, eine Angabe eines Leistungsverbrauchs basierend zumindest teilweise auf den digitalen Daten zu berechnen. Eine Isolierungsbarriere ist ausgestaltet, um eine zumindest teilweise elektrische Isolierung zwischen dem Analog-Digital-Wandler und dem Prozessor bereitzustellen. Dabei wird dem Analog-Digital-Wandler eine Betriebsleistung über die Isolierungsbarriere geliefert. Die digitalen Daten werden über die Isolierungsbarriere an den Prozessor geliefert.The DE 11 2009 001 796 T5 describes a current measuring system having a current sensing device configured to generate a voltage proportional to a current flowing from a power source. The current measuring system also includes an analog-to-digital converter configured to convert the voltage to digital data. A processor is configured to calculate an indication of power consumption based at least in part on the digital data. An isolation barrier is configured to provide at least partial electrical isolation between the analog-to-digital converter and the processor. In doing so, an operating power is supplied to the analog-to-digital converter via the isolation barrier. The digital data is delivered to the processor through the isolation barrier.

Viele technische Prozesse erfordern ein schnelles und genaues Halten einer Regelgröße auf einem durch eine Führungsgröße vorgegebenen Sollwert. Hierzu werden im Stand der Technik Regelsysteme verwendet, bei denen die Regelgröße fortlaufend erfasst, mit der Führungsgröße verglichen und abhängig von diesem Vergleich über ein entsprechendes Einstellen einer Stellgröße im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße angepasst wird. Der daraus entstehende Wirkungsablauf findet in einem geschlossenen Regelkreis statt. Zur Realisierung einer schnellen und genauen Regelung werden entsprechend schnelle und genaue Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Regelgröße benötigt. Die Regelgröße kann hierbei eine Stromstärke sein. Entsprechende Regelsysteme finden sich beispielsweise bei Servoantrieben in der Automatisierungstechnik.Many technical processes require a fast and accurate holding of a controlled variable on a setpoint given by a reference variable. For this purpose, control systems are used in the prior art, in which the controlled variable continuously recorded, compared with the reference variable and is adjusted depending on this comparison via a corresponding setting of a manipulated variable in the sense of an approximation to the reference variable. The resulting course of action takes place in a closed loop. To realize a fast and accurate control, correspondingly fast and accurate methods and devices for measuring the controlled variable are required. The controlled variable can be a current. Corresponding control systems can be found, for example, in servo drives in automation technology.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung zum Messen einer Stromstärke bereitzustellen, die eine erhöhte Genauigkeit bei reduzierter Einschwingzeit und erhöhter Bandbreite bietet. Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist außerdem Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Regelsystem mit einer Schaltungsanordnung zum Messen einer Stromstärke bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Regelsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Messen einer Stromstärke anzugeben, das eine erhöhte Genauigkeit bei gleichzeitig reduzierter Einschwingzeit und verbesserter Bandbreite ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object of the present invention is to provide a circuit arrangement for measuring a current strength, which offers increased accuracy with reduced settling time and increased bandwidth. This object is achieved by a circuit arrangement with the features of claim 1. It is also an object of the present invention to provide an improved control system having a circuit for measuring a current. This object is achieved by a control system having the features of claim 12. It is a further object of the present invention to provide a method for measuring a current that allows for increased accuracy with simultaneously reduced settling time and improved bandwidth. This object is achieved by a method having the features of claim 13. Preferred developments are specified in the dependent claims.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Messen einer Stromstärke umfasst eine Strommesseinrichtung zum Messen eines von der Stromstärke abhängigen Messsignals, ein analoges Filter zum frequenzabhängigen Verstärken des Messsignals, einen Analog-Digital-Wandler, der dazu vorgesehen ist, ein von dem analogen Filter bereitgestelltes Signal in einen digitalen Bitstrom zu wandeln, eine Einrichtung zur potentialgetrennten Übertragung des von dem Analog-Digital-Wandler bereitgestellten Bitstroms, und ein digitales Filter und einen Dezimator, die dazu vorgesehen sind, die im von der Einrichtung zur potentialgetrennten Übertragung übertragenen Bitstrom enthaltenen Informationen frequenzabhängig zu dämpfen und in Datenworte zu konvertieren. Vorteilhafterweise ermöglicht es diese Schaltungsanordnung, die Stromstärke mit hoher Bandbreite und Genauigkeit zu messen. Das analoge Filter ermöglicht es vorteilhafterweise, hohe Frequenzen des abgegriffenen Spannungssignals zu verstärken, während es das digitale Filter ermöglicht, hohe Frequenzen wieder zu dämpfen. Dadurch wird vorteilhafterweise auch ein durch den Analog-Digital-Wandler im hohen Frequenzbereich zugefügtes Quantisierungsrauschen gedämpft, wodurch sich ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis ergibt. Vorteilhafterweise kann das Signal-Rausch-Verhältnis um bis zu 24 dB verbessert werden. Dadurch kann der Dezimator vorteilhafterweise mit einem niedrigeren Überabtastungsfaktor betrieben werden, was eine geringere Einschwingzeit und eine höhere Bandbreite ermöglicht.A circuit arrangement according to the invention for measuring a current intensity comprises a current measuring device for measuring a measurement signal dependent on the current intensity, an analog filter for frequency-dependent amplification of the measurement signal, an analog-to-digital converter provided for this purpose convert the signal provided by the analog filter into a digital bit stream, means for floating the bitstream provided by the analog-to-digital converter, and a digital filter and a decimator dedicated thereto, that in the from the potential separation device transmit information contained frequency-dependent attenuated bitstream and convert it into data words. Advantageously, this circuitry allows the current to be measured with high bandwidth and accuracy. The analog filter advantageously makes it possible to amplify high frequencies of the tapped voltage signal while allowing the digital filter to re-attenuate high frequencies. This advantageously also attenuates a quantization noise added by the analog-to-digital converter in the high frequency range, resulting in an improved signal-to-noise ratio. Advantageously, the signal-to-noise ratio can be improved by up to 24 dB. As a result, the decimator can advantageously be operated with a lower oversampling factor, which enables a lower settling time and a higher bandwidth.

In einer Ausführungsform ist das digitale Filter dazu vorgesehen, den von der Einrichtung zur potentialgetrennten Übertragung übertragenen Bitstrom frequenzabhängig zu dämpfen. Dabei ist der Dezimator dazu vorgesehen, einen von dem digitalen Filter gelieferten Bitstrom in Datenworte zu konvertieren. Vorteilhafterweise wird in dieser Ausführungsform zunächst der Bitstrom frequenzabhängig gedämpft und anschließend der gedämpfte Bitstrom dezimiert.In one embodiment, the digital filter is provided for frequency-dependently attenuating the bit stream transmitted by the potential-separated transmission device. In this case, the decimator is intended to convert a bit stream supplied by the digital filter into data words. Advantageously, in this embodiment, first the bit stream is frequency-dependent attenuated and then the attenuated bit stream is decimated.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Strommesseinrichtung ein Nebenschlusswiderstand. Dabei ist das Messsignal ein an dem Nebenschlusswiderstand abgegriffenes Spannungssignal ist. Vorteilhafterweise stellt dies eine besonders einfach und kostengünstig zu realisierende Ausführungsform dar.In a preferred embodiment, the current measuring device is a shunt resistor. In this case, the measurement signal is a voltage signal tapped at the shunt resistor. Advantageously, this represents a particularly simple and inexpensive to implement embodiment.

Das analoge Filter ist bevorzugt ein PD-Glied. Vorteilhafterweise kann das analoge Filter dann mit geringem technischen Aufwand realisiert werden.The analog filter is preferably a PD element. Advantageously, the analog filter can then be realized with little technical effort.

In einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung weist das analoge Filter eine mit dem Nebenschlusswiderstand in Serie geschaltete Induktivität und einen dem Nebenschlusswiderstand und der Induktivität parallel geschalteten zweiten Widerstand auf. Dabei ist das analoge Filter ausgebildet, dem Analog-Digital-Wandler ein am zweiten Widerstand abgegriffenes Spannungssignal bereitzustellen. Vorteilhafterweise erlaubt dieses analoge Filter eine Messung der Stromstärke mit geringen Verlusten.In one embodiment of the circuit arrangement, the analog filter has an inductor connected in series with the shunt resistor and a second resistor connected in parallel with the shunt resistor and the inductor. In this case, the analog filter is designed to provide the analog-to-digital converter a tapped off at the second resistor voltage signal. Advantageously, this analog filter allows a measurement of the current with low losses.

In einer anderen Ausführungsform der Schaltungsanordnung weist das analoge Filter einen zweiten Widerstand und einen dritten Widerstand auf, die in Serie zueinander und parallel zu dem Nebenschlusswiderstand angeordnet sind. Dabei weist das analoge Filter außerdem eine dem dritten Widerstand parallel geschaltete Kapazität auf. Weiter ist das analoge Filter ausgebildet, dem Analog-Digital-Wandler ein am zweiten Widerstand abgegriffenes Spannungssignal bereitzustellen. Vorteilhafterweise kann das digitale Filter in dieser Ausführungsform mit gängigen Bauteilen aufgebaut werden, ohne dass hohe Genauigkeitsanforderungen an die Bauteile gestellt werden müssen.In another embodiment of the circuit arrangement, the analog filter has a second resistor and a third resistor, which are arranged in series with one another and parallel to the shunt resistor. In this case, the analog filter also has a capacitor connected in parallel with the third resistor. Furthermore, the analog filter is designed to provide the analog-to-digital converter with a voltage signal picked up at the second resistor. Advantageously, the digital filter can be constructed in this embodiment with common components, without high accuracy requirements must be placed on the components.

In einer weiteren Ausführungsform der Schaltungsanordnung weist das analoge Filter einen Operationsverstärker auf. Vorteilhafterweise kann die frequenzabhängige Verstärkung des am Nebenschlusswiderstand abgegriffenen Spannungssignals dann aktiv erfolgen.In a further embodiment of the circuit arrangement, the analog filter has an operational amplifier. Advantageously, the frequency-dependent amplification of the voltage signal picked up at the shunt resistor can then take place actively.

Es ist zweckmäßig, dass das analoge Filter und das digitale Filter zueinander inverse Übertragungsfunktionen aufweisen. Vorteilhafterweise kann das digitale Filter dann eine durch das analoge Filter bewirkte Verzerrung des Messsignals kompensieren.It is expedient that the analog filter and the digital filter have mutually inverse transfer functions. Advantageously, the digital filter can then compensate for a distortion of the measurement signal caused by the analog filter.

In einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist der Analog-Digital-Wandler ein Sigma-Delta-Modulator. Vorteilhafterweise sind Sigma-Delta-Modulatoren als integrierte Bauteile kommerziell erhältlich, wodurch sich die Schaltungsanordnung kostengünstig realisieren lässt.In one embodiment of the circuit arrangement, the analog-to-digital converter is a sigma-delta modulator. Advantageously, sigma-delta modulators are commercially available as integrated components, whereby the circuit arrangement can be realized inexpensively.

In einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung umfasst die Einrichtung zur potentialgetrennten Übertragung einen Optokoppler. Vorteilhafterweise ermöglicht die Einrichtung zur potentialgetrennten Übertragung dann eine zuverlässige Potentialtrennung.In one embodiment of the circuit arrangement, the device for electrically isolated transmission comprises an optocoupler. Advantageously, the device for potential-separated transmission then enables a reliable potential separation.

In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Einrichtung zur potentialgetrennten Übertragung eine kapazitive oder eine induktive Potentialtrennung. Vorteilhafterweise ist auch in dieser Ausführungsform eine zuverlässige Potentialtrennung möglich.In an alternative embodiment, the device for potential-separated transmission comprises a capacitive or an inductive potential separation. Advantageously, a reliable potential separation is also possible in this embodiment.

Es ist zweckmäßig, dass der Dezimator einen Sinc-Filter, insbesondere einen Sinc-Filter dritter Ordnung, umfasst. Vorteilhafterweise unterdrückt der Dezimator dann auch ein im von dem digitalen Filter gelieferten Bitstrom enthaltenes Quantisierungsrauschen. It is expedient for the decimator to comprise a sinc filter, in particular a third-order sinc filter. Advantageously, the decimator then also suppresses a quantization noise contained in the bit stream supplied by the digital filter.

Ein erfindungsgemäßes Regelsystem weist eine Schaltungsanordnung der vorgenannten Art auf. Vorteilhafterweise ermöglicht die Schaltungsanordnung im Regelsystem eine schnelle und genaue Messung einer Stromstärke, wodurch dem Regelsystem eine schnelle und zuverlässige Regelung ermöglicht wird.An inventive control system has a circuit arrangement of the aforementioned type. Advantageously, the circuit arrangement in the control system allows a fast and accurate measurement of a current, whereby the control system is a fast and reliable control possible.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Messung einer Stromstärke umfasst Schritte zum Messen eines von der Stromstärke abhängigen ersten Signals, zum frequenzabhängigen Verstärken des ersten Signals, um ein analoges zweites Signal zu erhalten, zum Digitalisieren des zweiten Signals, um einen ersten Bitstrom zu erhalten, zum potentialgetrennten Übertragen des ersten Bitstroms, und zum frequenzabhängigen Dämpfen und digitalen Dezimationsfiltern der im ersten Bitstrom enthaltenen Informationen, um digitale Datenworte zu erhalten. Vorteilhafterweise ermöglicht dieses Verfahren eine schnelle, genaue und potentialfreie Messung der Stromstärke. Durch das frequenzabhängige Verstärken des ersten Signals und das frequenzabhängige Dämpfen der im ersten Bitstrom enthaltenen Informationen wird dabei vorteilhafterweise ein beim Digitalisieren des zweiten Signals anfallendes Quantisierungsrauschen abgeschwächt, wodurch sich vorteilhafterweise ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis ergibt. Vorteilhafterweise kann das digitale Dezimationsfiltern dann mit einem reduzierten Überabtastungsfaktor erfolgen, wodurch das Verfahren eine erhöhte Genauigkeit und eine erhöhte Bandbreite bei reduzierter Einschwingzeit bietet.A current measuring method according to the invention comprises steps for measuring a current-dependent first signal, for frequency-dependent amplifying the first signal to obtain an analog second signal, for digitizing the second signal to obtain a first bitstream, for electrically isolated transmission of the first bitstream, and for frequency dependent attenuation and digital decimation filtering of the information contained in the first bitstream to obtain digital data words. Advantageously, this method enables a fast, accurate and potential-free measurement of the current intensity. Due to the frequency-dependent amplification of the first signal and the frequency-dependent attenuation of the information contained in the first bit stream, a quantization noise occurring during the digitization of the second signal is advantageously attenuated, which advantageously results in an improved signal-to-noise ratio. Advantageously, the digital decimation filtering can then be done with a reduced oversampling factor, whereby the method offers increased accuracy and increased bandwidth with reduced settling time.

Besonders bevorzugt verstärkt das frequenzabhängige Verstärken hohe Frequenzen des ersten Signals, während das frequenzabhängige Dämpfen hohe Frequenzen der im ersten Bitstrom enthaltenen Informationen dämpft. Vorteilhafterweise wird dadurch auch ein vorwiegend im hohen Frequenzbereich auftretendes Quantisierungsrauschen gedämpft.Particularly preferably, the frequency-dependent amplification amplifies high frequencies of the first signal, while the frequency-dependent attenuation attenuates high frequencies of the information contained in the first bit stream. Advantageously, this also attenuates a quantization noise occurring predominantly in the high frequency range.

Besonders bevorzugt erfolgt das frequenzabhängige Verstärken mit einer ersten Übertragungsfunktion und das frequenzabhängige Dämpfen mit einer zweiten Übertragungsfunktion. Dabei ist die zweite Übertragungsfunktion invers zu der ersten Übertragungsfunktion. Vorteilhafterweise gleicht das frequenzabhängige Dämpfen dann eine durch das frequenzabhängige Verstärken bewirkte Verzerrung des Messsignals aus.Particularly preferably, the frequency-dependent amplification takes place with a first transfer function and the frequency-dependent damping with a second transfer function. In this case, the second transfer function is inverse to the first transfer function. Advantageously, the frequency-dependent attenuation then compensates for a distortion of the measurement signal caused by the frequency-dependent amplification.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to figures. Showing:

1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Messen einer Stromstärke; 1 a block diagram of a circuit arrangement for measuring a current strength;

2 ein Bodediagramm eines analogen Filters der Schaltungsanordnung; 2 a Bode diagram of an analog filter of the circuit arrangement;

3 ein Bodediagramm eines digitalen Filters der Schaltungsanordnung; 3 a Bode diagram of a digital filter of the circuit arrangement;

4 ein analoges Filter gemäß einer ersten Ausführungsform; und 4 an analog filter according to a first embodiment; and

5 ein analoges Filter gemäß einer zweiten Ausführungsform. 5 an analog filter according to a second embodiment.

1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung 100 zum Messen einer Stromstärke 20 eines in einem Stromkreis 10 fließenden elektrischen Stroms. Der Stromkreis 10 kann ein beliebiger Stromkreis sein. Beispielsweise kann der Stromkreis 10 ein Stromkreis zur Ansteuerung eines Servoantriebs eines Automationssystems sein. In 1 ist lediglich ein kleiner Ausschnitt des Stromkreises 10 dargestellt. Die Schaltungsanordnung 100 ermöglicht eine genaue, schnelle und potentialfreie Messung der im Stromkreis 10 fließenden Stromstärke 20. Die Schaltungsanordnung 100 kann Teil eines Regelsystems sein, das zur Regelung der Stromstärke 20 dient. 1 shows a block diagram of a circuit arrangement 100 for measuring a current 20 one in a circuit 10 flowing electric current. The circuit 10 can be any circuit. For example, the circuit 10 a circuit for controlling a servo drive of an automation system. In 1 is only a small part of the circuit 10 shown. The circuit arrangement 100 enables an accurate, fast and potential-free measurement of the circuit 10 flowing current 20 , The circuit arrangement 100 can be part of a control system that regulates the current 20 serves.

Die Schaltungsanordnung 100 umfasst einen seriell im Stromkreis 10 angeordneten Nebenschlusswiderstand 110, der auch als Shunt bezeichnet werden kann. Der Nebenschlusswiderstand 110 ist ein gewöhnlicher elektrischer Widerstand. Über dem Nebenschlusswiderstand 110 kann eine elektrische Spannung als analoges Spannungssignal 115 abgegriffen werden. Das analoge Spannungssignal 115 ist der Stromstärke 20 direkt proportional.The circuit arrangement 100 includes a serial in the circuit 10 arranged shunt resistor 110 which can also be called a shunt. The shunt resistance 110 is an ordinary electrical resistance. Over the shunt resistor 110 can be an electrical voltage as an analog voltage signal 115 be tapped. The analog voltage signal 115 is the current strength 20 directly proportional.

Der Nebenschlusswiderstand 110 weist bevorzugt einen geringen elektrischen Widerstand auf, um einen hohen Dissipationsverlust am Nebenschlusswiderstand 110 zu vermeiden. Ein geringer elektrischer Widerstand des Nebenschlusswiderstands 110 bedingt allerdings, dass das über dem Nebenschlusswiderstand 110 abgegriffene analoge Spannungssignal 115 ebenfalls nur eine geringe Amplitude aufweist.The shunt resistance 110 preferably has a low electrical resistance to a high dissipation loss on the shunt resistor 110 to avoid. A low electrical Resistor of shunt resistance 110 conditionally, however, that over the shunt resistor 110 tapped analog voltage signal 115 also has only a small amplitude.

Anstelle des Nebenschluswiderstands 110 könnte auch eine andere Strommesseinrichtung verwendet werden, die ein von der Stromstärke 20 abhängiges Messsignals liefert. Beispielsweise könnte statt des Nebenschluswiderstands 110 ein Hall-Sensor oder ein Fluxgate-Sensor mit galvanischer Trennung vorgesehen sein. Das von diesen Sensoren gelieferte Messsignal ersetzt dann das analoge Spannungssignal 115.Instead of shunt resistance 110 could also be used another current measuring device, one of the amperage 20 dependent measurement signal supplies. For example, instead of the shunt resistance 110 a Hall sensor or a fluxgate sensor with galvanic isolation may be provided. The measurement signal supplied by these sensors then replaces the analog voltage signal 115 ,

Die Schaltungsanordnung 100 umfasst weiter ein analoges Filter 120. Das analoge Filter 120 ist dazu ausgebildet, das analoge Spannungssignal 115 zu filtern und als gefiltertes analoges Signal 125 auszugeben. Dabei führt das analoge Filter 120 eine frequenzabhängige Verstärkung des analogen Spannungssignals 115 durch. Das analoge Filter 120 entspricht insofern einem aus der Regelungstechnik bekannten realen PD-Glied.The circuit arrangement 100 further includes an analog filter 120 , The analog filter 120 is designed to be the analog voltage signal 115 to filter and as a filtered analog signal 125 issue. This leads the analog filter 120 a frequency-dependent amplification of the analog voltage signal 115 by. The analog filter 120 corresponds to a known from the control engineering real PD element.

Bevorzugt besteht das analoge Filter 120 aus einem Hochpass- und einem Tiefpassfilter. Der Hochpassfilter kann dabei eine Grenzfrequenz von beispielsweise 100 Hz aufweisen. Der Tiefpassfilter kann eine Grenzfrequenz von beispielsweise 1600 Hz aufweisen. Dann werden Frequenzen des analogen Spannungssignals 115 unter 100 Hz durch das analoge Filter 120 nicht verstärkt. Frequenzen des analogen Spannungssignals 115 über 1600 Hz können beispielsweise um 24 dB, also um einen Faktor 16, verstärkt werden. Der Tiefpassfilter des analogen Filters 120 ist vorteilhaft, damit ein im analogen Spannungssignal 115 enthaltenes hochfrequentes Rauschen nicht zu stark verstärkt wird.Preferably, the analog filter 120 from a high pass and a low pass filter. The high-pass filter can have a cutoff frequency of, for example, 100 Hz. The low-pass filter may have a cut-off frequency of 1600 Hz, for example. Then frequencies of the analog voltage signal 115 below 100 Hz through the analog filter 120 not reinforced. Frequencies of the analogue voltage signal 115 For example, over 1600 Hz can be amplified by 24 dB, which is a factor of 16. The low-pass filter of the analog filter 120 is advantageous, so that in the analog voltage signal 115 high-frequency noise is not amplified too much.

In der beispielhaft genannten Auslegung weist das analoge Filter 120 eine Übertragungsfunktion G₁₂₀ auf, die sich wie folgt berechnet:

In the example mentioned design has the analog filter 120 a transfer function G ₁₂₀ , which is calculated as follows:

Dabei ist T₁ die Zeitkonstante des Hochpassfilters, T₂ die Zeitkonstante des Tiefpassfilters, s der komplexe Frequenzoperator zur Frequenz f und i die imaginäre Einheit: T₁ = 1 / 2π·100 Hz; T₂ = 1 / 2π·1600 Hz; s = iω = i2πf. T _{1 is} the time constant of the high-pass filter, T ₂ the time constant of the low-pass filter, s the complex frequency operator to the frequency f and i the imaginary unit: T ₁ = 1 / 2π x 100 Hz; T ₂ = 1 / 2π × 1600 Hz; s = iω = i2πf.

2 zeigt ein Bodediagramm 200 des analogen Filters 120 aus 1 in der beispielhaft genannten Auslegung. Auf der horizontalen Achse ist eine Frequenz 230 des dem analogen Filter 120 zugeführten analogen Spannungssignals 115 aufgetragen. Die obere Tafel des Bodediagramms 200 zeigt einen Amplitudengang 210 des analogen Filters 120. Dabei ist auf der vertikalen Achse eine durch das analoge Filter 120 bewirkte Verstärkung 240 der Amplitude in dB aufgetragen. Eine horizontale Linie markiert die maximale Verstärkung 241 von 24 dB. 2 shows a Bode diagram 200 of the analog filter 120 out 1 in the exemplified design. On the horizontal axis is a frequency 230 of the analog filter 120 supplied analog voltage signal 115 applied. The upper panel of the Bode diagram 200 shows an amplitude response 210 of the analog filter 120 , It is on the vertical axis through the analog filter 120 effected reinforcement 240 the amplitude is plotted in dB. A horizontal line marks the maximum gain 241 of 24 dB.

Die untere Tafel des Bodediagramms 200 zeigt einen Phasengang 220 des analogen Filters 120. Dabei ist auf der vertikalen Achse eine durch das analoge Filter 120 bewirkte Phasenverschiebung 250 in Grad aufgetragen. Vertikale Linien markieren die untere Grenzfrequenz 231 von 100 Hz und die obere Grenzfrequenz 232 von 1600 Hz.The lower panel of the Bode diagram 200 shows a phase response 220 of the analog filter 120 , It is on the vertical axis through the analog filter 120 caused phase shift 250 Plotted in degrees. Vertical lines mark the lower limit frequency 231 of 100 Hz and the upper limit frequency 232 from 1600 Hz.

Aus dem Bodediagramm 200 ist ersichtlich, dass das analoge Filter 120 unterhalb der unteren Grenzfrequenz 231 keine Verstärkung des analogen Spannungssignals 115 bewirkt. Signalanteile des analogen Spannungssignals 115 mit Frequenzen oberhalb der oberen Grenzfrequenz 232 werden hingegen mit der maximalen Verstärkung 241 von 24 dB verstärkt. Zwischen der unteren Grenzfrequenz 231 von 100 Hz und der oberen Grenzfrequenz 232 von 1600 Hz findet sich ein Übergangsbereich mit zunehmender Verstärkung.From the Bode diagram 200 it can be seen that the analog filter 120 below the lower limit frequency 231 no amplification of the analogue voltage signal 115 causes. Signal components of the analog voltage signal 115 with frequencies above the upper limit frequency 232 on the other hand, with the maximum gain 241 amplified by 24 dB. Between the lower limit frequency 231 of 100 Hz and the upper limit frequency 232 1600Hz, there is a transition region with increasing gain.

Das analoge Filter 120 kann jedoch auch anders als in diesem Beispiel ausgelegt sein und eine andere Übertragungsfunktion als die in 2 exemplarisch dargestellte Übertragungsfunktion aufweisen.The analog filter 120 However, it can also be designed differently than in this example and has a different transfer function than the one in 2 having transfer function shown by way of example.

Die Verstärkung hochfrequenter Signalanteile des analogen Spannungssignals 115 durch das analoge Filter 120 ist insbesondere dann möglich, wenn der Stromkreis 10 zur Ansteuerung einer induktiven Last, etwa eines Servomotors, dient. Induktive Lasten bewirken eine Dämpfung hochfrequenter Anteile in der Stromstärke 20. Dadurch treten hochfrequente Anteile im analogen Spannungssignal 115 prinzipbedingt nur mit geringer Amplitude auf. Daher kann auch eine Verstärkung der hochfrequenten Anteile des analogen Spannungssignals 115 durch das analoge Filter 120 nicht zu einer Übersteuerung führen.The amplification of high-frequency signal components of the analogue voltage signal 115 through the analog filter 120 is particularly possible when the circuit 10 for controlling an inductive load, for example a servomotor, serves. Inductive loads cause a damping of high-frequency components in the current 20 , This causes high-frequency components in the analog voltage signal 115 inherently only with low amplitude. Therefore, a gain of the high-frequency components of the analog voltage signal 115 through the analog filter 120 not lead to an overload.

Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung 100 weist weiter einen Analog-Digital-Wandler 130 auf. Der Analog-Digital-Wandler 130 ist dazu vorgesehen, das gefilterte analoge Signal 125, das durch das analoge Filter 120 bereitgestellt wird, in einen Bitstrom 135 zu wandeln. Ein Bitstrom ist ein kontinuierlicher digitaler Datenstrom aus Einsen und Nullen. Die im gefilterten analogen Signal 125 enthaltenen Informationen werden im Bitstrom 135 durch die Dichte der Einsen und Nullen repräsentiert. Die Dichte der Einsen ist proportional zum analogen Spannungsniveau des gefilterten analogen Signals 125. Je näher die Spannung des gefilterten analogen Signals 125 an einem maximalen Spannungswert liegt, desto höher ist die Dichte der Einsen im Bitstrom 135. Je näher die Spannung des gefilterten analogen Signals 125 an einem minimalen Spannungswert liegt, desto geringer ist die Dichte der Einsen im Bitstrom 135.In the 1 illustrated circuit arrangement 100 further includes an analog-to-digital converter 130 on. The analog-to-digital converter 130 is intended to provide the filtered analog signal 125 that through the analog filter 120 is provided in a bitstream 135 to change. A bitstream is a continuous digital stream of ones and zeros. The filtered in the analog signal 125 Information contained in the bitstream 135 represented by the density of ones and zeros. The density of the ones is proportional to the analog voltage level of the filtered analog signal 125 , The closer the voltage of the filtered analog signal 125 is at a maximum voltage value, the higher the density of the ones in the bit stream 135 , The closer the voltage of the filtered analog signal 125 is at a minimum voltage value, the lower the density of the ones in the bitstream 135 ,

Der Analog-Digital-Wandler 130 ist bevorzugt ein Sigma-Delta-Modulator. Besonders bevorzugt ist der Analog-Digital-Wandler 130 ein Sigma-Delta-Modulator zweiter Ordnung.The analog-to-digital converter 130 is preferably a sigma-delta modulator. Particularly preferred is the analog-to-digital converter 130 a second-order sigma-delta modulator.

Die naturgemäß begrenzte Auflösung des Analog-Digital-Wandlers 130 bei der Wandlung des gefilterten analogen Signals 125 in den Bitstrom 135 bewirkt ein Quantisierungsrauschen, das dem im Bitstrom 135 enthaltenen Nutzsignal überlagert ist. Das Quantisierungsrauschen tritt dabei überwiegend im hohen Frequenzbereich auf und wird den durch das analoge Filter 120 verstärkten hochfrequenten Anteilen des Nutzsignals im Bitstrom 135 überlagert. Die Amplitude des Quantisierungsrauschens ist dabei von der Amplitude der hochfrequenten Nutzsignalanteile im gefilterten analogen Signal 125 unabhängig. Durch die vorherige Verstärkung der hochfrequenten Nutzsignalanteile durch das analoge Filter 120 wird somit das Verhältnis der Amplitude des Nutzsignals zur Amplitude des Quantisierungsrauschens erhöht, wodurch sich ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis ergibt.The naturally limited resolution of the analog-to-digital converter 130 in the conversion of the filtered analog signal 125 in the bitstream 135 causes a quantization noise that in the bitstream 135 superimposed on the useful signal contained. The quantization noise occurs predominantly in the high frequency range and is due to the analog filter 120 amplified high-frequency components of the useful signal in the bit stream 135 superimposed. The amplitude of the quantization noise is determined by the amplitude of the high-frequency useful signal components in the filtered analog signal 125 independently. By prior amplification of the high-frequency useful signal components by the analog filter 120 Thus, the ratio of the amplitude of the useful signal is increased to the amplitude of the quantization noise, resulting in an improved signal-to-noise ratio.

Die Schaltungsanordnung 100 weist ferner eine Einrichtung 140 zur Potentialtrennung auf. Die Einrichtung 140 zur Potentialtrennung dient dazu, der Einrichtung 140 zur Potentialtrennung nachfolgende Schaltungsteile der Schaltungsanordnung 100 galvanisch vom Stromkreis 10 zu trennen. Die Einrichtung 140 zur Potentialtrennung empfängt den Bitstrom 135 vom Analog-Digital-Wandler 130 und gibt einen potentialgetrennten Bitstrom 145 aus, der dieselben Daten enthält wie der Bitstrom 135, gegenüber diesem aber galvanisch getrennt ist.The circuit arrangement 100 also has a device 140 for potential separation. The device 140 for electrical isolation serves the device 140 for electrical isolation subsequent circuit parts of the circuit arrangement 100 galvanic from the circuit 10 to separate. The device 140 for potential isolation receives the bit stream 135 from the analog-to-digital converter 130 and gives a floating bitstream 145 which contains the same data as the bit stream 135 , but is galvanically isolated from this.

Die Einrichtung 140 zur Potentialtrennung ist bevorzugt als Optokoppler ausgebildet. Die Einrichtung 140 zur Potentialtrennung kann jedoch auch eine kapazitive oder eine induktive Potentialtrennung vornehmen. Die Einrichtung 140 zur Potentialtrennung kann auch mit dem Analog-Digital-Wandler 130 zu einer gemeinsamen integrierten Schaltung zusammengefasst sein.The device 140 for potential separation is preferably designed as an optocoupler. The device 140 For potential separation, however, can also make a capacitive or inductive potential separation. The device 140 for potential separation can also with the analog-to-digital converter 130 be combined into a common integrated circuit.

In der Schaltungsanordnung 100 folgt auf die Einrichtung 140 zur Potentialtrennung ein digitales Filter 150. Das digitale Filter 150 empfängt den potentialgetrennten Bitstrom 145 von der Einrichtung 140 zur Potentialtrennung und gibt einen gefilterten Bitstrom 155 aus. Das digitale Filter 150 kann beispielsweise in einem ASIC, einem FPGA oder einem digitalen Signalprozessor implementiert sein.In the circuit arrangement 100 follows the device 140 for potential separation, a digital filter 150 , The digital filter 150 receives the floating bitstream 145 from the institution 140 for potential separation and outputs a filtered bit stream 155 out. The digital filter 150 For example, it may be implemented in an ASIC, an FPGA, or a digital signal processor.

Das digitale Filter 150 weist eine Übertragungsfunktion auf, die etwa invers zur Übertragungsfunktion des analogen Filters 120 ist. Somit führt das digitale Filter 150 eine frequenzabhängige Dämpfung hochfrequenter Signalanteile des im potentialgetrennten Bitstrom 145 enthaltenen Signals durch.The digital filter 150 has a transfer function that is approximately inverse to the transfer function of the analog filter 120 is. Thus, the digital filter performs 150 a frequency-dependent attenuation of high-frequency signal components of the potential-separated bit stream 145 signal contained.

3 zeigt ein Bodediagramm 500 der Übertragungsfunktion des in 1 dargestellten digitalen Filters 150 in einer beispielhaften Auslegung. Die beispielhafte Auslegung des digitalen Filters 150 ist dabei auf die in 2 dargestellte beispielhafte Auslegung des analogen Filters 120 abgestimmt. 3 shows a Bode diagram 500 the transfer function of in 1 represented digital filter 150 in an exemplary design. The exemplary design of the digital filter 150 is doing the in 2 illustrated exemplary design of the analog filter 120 Voted.

Auf der horizontalen Achse ist eine Frequenz 530 des dem digitalen Filter 150 zugeführten potentialgetrennten Bitstroms 145 aufgetragen. Die obere Tafel des Bodediagramms 500 zeigt einen Amplitudengang 510 des digitalen Filters 150. Dabei ist auf der vertikalen Achse eine durch das digitale Filter 150 bewirkte Verstärkung 540 der Amplitude in dB aufgetragen. Eine negative Verstärkung 540 bedeutet hierbei eine Dämpfung. Eine horizontale Linie markiert die maximale Dämpfung 541 von 24 dB.On the horizontal axis is a frequency 530 of the digital filter 150 supplied isolated bitstream 145 applied. The upper panel of the Bode diagram 500 shows an amplitude response 510 of the digital filter 150 , It is on the vertical axis through the digital filter 150 effected reinforcement 540 the amplitude is plotted in dB. A negative reinforcement 540 this means a damping. A horizontal line marks the maximum damping 541 of 24 dB.

Die untere Tafel des Bodediagramms 500 zeigt einen Phasengang 520 des digitalen Filters 150. Dabei ist auf der vertikalen Achse eine durch das digitale Filter 150 bewirkte Phasenverschiebung 550 in Grad aufgetragen. Vertikale Linien markieren die untere Grenzfrequenz 531 von 100 Hz und die obere Grenzfrequenz 532 von 1600 Hz. The lower panel of the Bode diagram 500 shows a phase response 520 of the digital filter 150 , It is on the vertical axis through the digital filter 150 caused phase shift 550 Plotted in degrees. Vertical lines mark the lower limit frequency 531 of 100 Hz and the upper limit frequency 532 from 1600 Hz.

Das digitale Filter 150 überträgt in diesem Auslegungsbeispiel Frequenzen unterhalb von 100 Hz ohne Dämpfung oder Verstärkung. Frequenzen über 1600 Hz werden durch das digitale Filter 150 um 24 dB, also um einen Faktor 16, gedämpft. Zwischen der unteren Grenzfrequenz 531 von 100 Hz und der oberen Grenzfrequenz 532 von 1600 Hz findet sich ein Übergangsbereich mit zunehmender Dämpfung. Somit ist die Übertragungsfunktion des digitalen Filters 150 invers zur Übertragungsfunktion des analogen Filters 120.The digital filter 150 transmits in this design example frequencies below 100 Hz without attenuation or amplification. Frequencies above 1600 Hz are through the digital filter 150 attenuated by 24 dB, ie by a factor of 16. Between the lower limit frequency 531 of 100 Hz and the upper limit frequency 532 1600Hz, there is a transition region with increasing attenuation. Thus, the transfer function of the digital filter 150 inverse to the transfer function of the analog filter 120 ,

Das digitale Filter 150 kann jedoch auch anders als in diesem Beispiel ausgelegt sein und eine andere Übertragungsfunktion als die in 3 exemplarisch dargestellte Übertragungsfunktion aufweisen.The digital filter 150 However, it can also be designed differently than in this example and has a different transfer function than the one in 3 having transfer function shown by way of example.

Da, wie bereits ausgeführt, sich das durch den in 1 dargestellten Analog-Digital-Wandler 130 zugefügte Quantisierungsrauschen überwiegend im hohen Frequenzbereich des Bitstroms 135 bzw. des potentialgetrennten Bitstroms 145 befindet und der hohe Frequenzbereich des Bitstroms 135 bzw. des potentialgetrennten Bitstroms 145 durch das digitale Filter 150 gedämpft wird, wird auch die Amplitude des Quantisierungsrauschens durch das digitale Filter 150 abgeschwächt.Since, as already stated, this is due to the in 1 illustrated analog-to-digital converter 130 added quantization noise predominantly in the high frequency range of the bitstream 135 or the isolated bit stream 145 and the high frequency range of the bitstream 135 or the isolated bit stream 145 through the digital filter 150 is attenuated, so is the amplitude of the quantization noise by the digital filter 150 weakened.

Falls das analoge Filter 120 hohe Frequenzen um 24 dB verstärkt und das digitale Filter 150 die hohen Frequenzen wieder um 24 dB dämpft, ergibt sich eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses um ebenfalls annähernd 24 dB. Dies entspricht einer um etwa 4 Bit verbesserten Auflösung.If the analog filter 120 high frequencies increased by 24 dB and the digital filter 150 The high frequencies are attenuated by 24 dB, resulting in an improvement of the signal-to-noise ratio by about 24 dB. This corresponds to an improved resolution of about 4 bits.

Die Schaltungsanordnung 100 weist zusätzlich einen Dezimator 160 auf. Der Dezimator 160 ist dazu vorgesehen, den gefilterten Bitstrom 155 vom digitalen Filter 150 zu empfangen und in digitale Datenworte 165 zu konvertieren. Dabei kann die Datenrate der digitalen Datenworte 165 durch Überabtastung gegenüber der Datenrate des gefilterten Bitstroms 155 reduziert sein.The circuit arrangement 100 also has a decimator 160 on. The decimator 160 is intended to be the filtered bitstream 155 from the digital filter 150 to receive and into digital data words 165 to convert. In this case, the data rate of the digital data words 165 by oversampling to the data rate of the filtered bitstream 155 be reduced.

Der Dezimator 160 ist bevorzugt als Sinc^k-Filter, besonders bevorzugt als Sinc³-Filter dritter Ordnung ausgebildet. Der Dezimator 160 kann beispielsweise mit einem Überabtastungsfaktor von 32 oder 64 betrieben werden. Der Dezimator 160 kann beispielsweise in einem ASIC, einem FPGA oder in einem digitalen Signalprozessor implementiert sein.The decimator 160 is preferably designed as a sinc ^k filter, particularly preferably as a third-order sinc ³ filter. The decimator 160 can be operated, for example, with an oversampling factor of 32 or 64. The decimator 160 For example, it may be implemented in an ASIC, an FPGA or in a digital signal processor.

Die vom Dezimator 160 ausgegebenen digitalen Datenworte 165 stellen eine digitale Repräsentation des zeitlichen Verlaufs der im Stromkreis 10 fließenden Stromstärke 20 dar. Die digitalen Datenworte 165 können beispielsweise in einem Regelsystem zur Regelung der Stromstärke 20 im Stromkreis 10 ausgewertet werden.The decimator 160 output digital data words 165 represent a digital representation of the temporal course of the in the circuit 10 flowing current 20 dar. The digital data words 165 For example, in a control system for controlling the current 20 in the circuit 10 be evaluated.

Das digitale Filter 150 und der Dezimator 160 können in einer alternativen Ausführungsform auch vertauscht angeordnet sein. In dieser Ausführungsform folgt das digitale Filter 150 dem Dezimator 160 nach. In dieser Ausführungsform ist der Dezimator 160 dazu ausgebildet, den potentialgetrennten Bitstrom 145 von der Einrichtung 140 zur Potentialtrennung zu empfangen und in digitale Datenworte zu konvertieren. Das digitale Filter 150 ist dann dazu vorgesehen, die von dem Dezimator 160 gelieferten digitale Datenworte mit niedrigerer Datenrate frequenzabhängig zu dämpfen. Diese Ausführungsform ist vorteilhafterweise technisch einfacher zu realisieren.The digital filter 150 and the decimator 160 may also be arranged reversed in an alternative embodiment. In this embodiment, the digital filter follows 150 the decimator 160 to. In this embodiment, the decimator is 160 designed to handle the isolated bit stream 145 from the institution 140 to receive potential separation and convert it into digital data words. The digital filter 150 is then provided by the decimator 160 supplied digital data words with lower data rate frequency dependent to attenuate. This embodiment is advantageously technically easier to implement.

Das zur frequenzabhängigen Verstärkung ausgebildete analoge Filter 120 kann passiv oder aktiv ausgebildet sein. 4 zeigt ein erstes analoges Filter 300 gemäß einer ersten passiven Ausführungsform. Das erste analoge Filter 300 kann als analoges Filter 120 in der Schaltungsanordnung 100 gemäß 1 verwendet werden.The analogue filter designed for frequency-dependent amplification 120 can be passive or active. 4 shows a first analog filter 300 according to a first passive embodiment. The first analog filter 300 can as an analog filter 120 in the circuit arrangement 100 according to 1 be used.

4 zeigt einen Ausschnitt des Stromkreises 10 mit der durch den Nebenschlusswiderstand 110 fließenden Stromstärke 20. Das erste analoge Filter 300 weist eine Induktivität 320 auf, die mit dem Nebenschlusswiderstand 110 in Reihe geschaltet im Stromkreis 10 angeordnet ist. Die Induktivität 320 kann beispielsweise als Spule ausgebildet sein. Weiter weist das erste analoge Filter 300 einen zweiten Widerstand 310 auf, der der Reihenschaltung aus Nebenschlusswiderstand 110 und Induktivität 320 parallel geschaltet ist. Das durch das erste analoge Filter 300 ausgegebene gefilterte analoge Signal 125 kann als Spannungsabfall über dem zweiten Widerstand 310 abgegriffen werden. 4 shows a section of the circuit 10 with the through the shunt resistor 110 flowing current 20 , The first analog filter 300 has an inductance 320 on that with the shunt resistor 110 connected in series in the circuit 10 is arranged. The inductance 320 may be formed, for example, as a coil. Next points the first analog filter 300 a second resistor 310 on, that of the series circuit of shunt resistor 110 and inductance 320 is connected in parallel. That through the first analog filter 300 output filtered analog signal 125 can be considered a voltage drop across the second resistor 310 be tapped.

Die am zweiten Widerstand 310 des ersten analogen Filters 300 als gefiltertes analoges Signal 125 abgegriffene Spannung berechnet sich zu:

wobei gilt:

The second resistance 310 of the first analog filter 300 as a filtered analogue signal 125 tapped voltage is calculated to:

where:

Dabei ist I der Wert der Stromstärke 20, R₁ der elektrische Widerstand des Nebenschlusswiderstands 110, R₂ der elektrische Widerstand des zweiten Widerstands 310 und L die Induktivität der Induktivität 320.Where I is the value of the current 20 , R _{1 is} the electrical resistance of the shunt resistor 110 , R _{2 is} the electrical resistance of the second resistor 310 and L is the inductance of the inductor 320 ,

Das erste analoge Filter 300 erlaubt eine Messung der Stromstärke 20 mit geringen Dissipationsverlusten, da der elektrische Widerstand des Nebenschlusswiderstands 110 klein gewählt werden kann. Allerdings ist es notwendig, den Induktivitätswert der Induktivität 320 hinreichend genau festzulegen. Die Herstellung von Induktivitäten mit genau festgelegtem Induktivitätswert ist jedoch relativ aufwändig und damit teuer. Allerdings führen Toleranzen der Induktivität 320 im Wesentlichen zu Verfälschungen im Frequenzbereich oberhalb von 100 Hz, was für viele Anwendungen unkritisch ist. Für solche Anwendungen stellt das erste analoge Filter 300 eine bevorzugte, einfache und verlustarme Realisierung für das analoge Filter 120 der Schaltungsanordnung 100 dar.The first analog filter 300 allows a measurement of the current 20 with low dissipation losses, as the electrical resistance of the shunt resistor 110 can be chosen small. However, it is necessary to know the inductance value of inductance 320 to be determined with sufficient accuracy. However, the production of inductors with a precisely defined inductance value is relatively complicated and therefore expensive. However, tolerances of the inductance lead 320 essentially distortions in the frequency range above 100 Hz, which is not critical for many applications. For such applications provides the first analog filter 300 a preferred, simple and low-loss implementation for the analog filter 120 the circuit arrangement 100 represents.

5 zeigt ein zweites analoges Filter 400 gemäß einer zweiten passiven Ausführungsform. Das zweite analoge Filter 400 kann ebenfalls als analoges Filter 120 in der Schaltungsanordnung 100 der 1 eingesetzt werden. 5 shows a second analog filter 400 according to a second passive embodiment. The second analog filter 400 can also be used as an analog filter 120 in the circuit arrangement 100 of the 1 be used.

5 zeigt einen Ausschnitt des Stromkreises 10 mit der durch den Nebenschlusswiderstand 110 fließenden Stromstärke 20. Das zweite analoge Filter 400 weist einen zweiten elektrischen Widerstand 410 und einen dritten elektrischen Widerstand 420 auf. Der zweite Widerstand 410 und der dritte Widerstand 420 sind einander in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung aus zweitem Widerstand 410 und drittem Widerstand 420 ist dem Nebenschlusswiderstand 110 parallel geschaltet. Weiter weist das zweite analoge Filter 400 eine Kapazität 430 auf, die dem dritten Widerstand 420 parallel geschaltet ist. Die Kapazität 430 kann beispielsweise als Kondensator ausgebildet sein. 5 shows a section of the circuit 10 with the through the shunt resistor 110 flowing current 20 , The second analog filter 400 has a second electrical resistance 410 and a third electrical resistance 420 on. The second resistance 410 and the third resistance 420 are connected in series. The series connection of second resistor 410 and third resistance 420 is the shunt resistor 110 connected in parallel. Next has the second analog filter 400 a capacity 430 on, the third resistance 420 is connected in parallel. The capacity 430 may be formed, for example, as a capacitor.

Das durch das zweite analoge Filter 400 ausgegebene gefilterte analoge Signal 125 kann als Spannung über dem zweiten Widerstand 410 des zweiten analogen Filters 400 abgegriffen werden. Diese strom- und frequenzabhängige Spannung berechnet sich zu:

wobei gilt:

That through the second analogue filter 400 output filtered analog signal 125 can be considered voltage across the second resistor 410 of the second analog filter 400 be tapped. This current- and frequency-dependent voltage is calculated as:

where:

Hierbei ist I der Wert der Stromstärke 20, R₁ der elektrische Widerstand des Nebenschlusswiderstands 110, R₂ der elektrische Widerstand des zweiten Widerstands 410, R₃ der elektrische Widerstand des dritten Widerstands 420 und C die Größe der Kapazität 430. Here, I is the value of the current 20 , R _{1 is} the electrical resistance of the shunt resistor 110 , R _{2 is} the electrical resistance of the second resistor 410 , R _{3 is} the electrical resistance of the third resistor 420 and C is the size of the capacity 430 ,

Das zweite analoge Filter 400 gemäß 5 bietet gegenüber dem ersten analogen Filter 300 gemäß 4 den Vorteil, dass die Bauteile des zweiten analogen Filters 400 mit geringerem Aufwand die gestellten Genauigkeitsanforderungen erfüllen können. Allerdings muss die Größe des Nebenschlusswiderstandes 110 bei Verwendung des zweiten analogen Filters 400 höher dimensioniert sein, als bei Verwendung des ersten analogen Filters 300. Daraus ergibt sich bei Verwendung des zweiten analogen Filters 400 ein höherer Dissipationsverlust als bei Verwendung des ersten analogen Filters 300.The second analog filter 400 according to 5 offers over the first analogue filter 300 according to 4 the advantage that the components of the second analog filter 400 can meet the specified accuracy requirements with less effort. However, the size of the shunt resistor must be 110 when using the second analog filter 400 higher than when using the first analog filter 300 , This results when using the second analog filter 400 a higher dissipation loss than when using the first analog filter 300 ,

Das analoge Filter 120 der Schaltungsanordnung 100 aus 1 kann auch als aktiver frequenzabhängiger Verstärker ausgebildet sein. In diesem Fall kann das analoge Filter 20 beispielsweise einen Operationsverstärker aufweisen. Allerdings ist dann auch eine Versorgungsspannung für den Operationsverstärker erforderlich.The analog filter 120 the circuit arrangement 100 out 1 can also be designed as an active frequency-dependent amplifier. In this case, the analog filter 20 For example, have an operational amplifier. However, then a supply voltage for the operational amplifier is required.

Falls der Analog-Digital-Wandler 130 der Schaltungsanordnung 100 als Sigma-Delta-Modulator ausgebildet ist, so kann er beispielsweise mit einer Modulatorfrequenz von 10 MHz oder 20 MHz betrieben werden. Bei einer Modulatorfrequenz von 20 MHz ergibt sich eine Periodendauer von 50 ns. Der Dezimator 160 kann beispielsweise als Sinc³-Filter dritter Ordnung ausgebildet sein und mit einem Überabtastungsfaktor von beispielsweise 64 betrieben werden. Im Falle einer Modulatorfrequenz von 20 MHz ergibt sich daraus eine Einschwingzeit von 64·3·50 ns = 9,6 μs.If the analog-to-digital converter 130 the circuit arrangement 100 is designed as a sigma-delta modulator, it can be operated, for example, with a modulator frequency of 10 MHz or 20 MHz. At a modulator frequency of 20 MHz results in a period of 50 ns. The decimator 160 For example, it may be configured as a third-order Sinc ³ filter and operated with an oversampling factor of, for example, 64. In the case of a modulator frequency of 20 MHz, this results in a settling time of 64 × 3 × 50 ns = 9.6 μs.

Ohne die Verwendung des analogen Filters 120 und des digitalen Filters 150 in der Schaltungsanordnung 100 ergäben sich bei einer Modulatorfrequenz von 20 MHz für unterschiedliche Überabtastfaktoren die folgenden Eigenschaften des Dezimators 160: M Data Rate (kHz) SNR/dB (ideal) ENOB/dB (ideal) ENOB/Bit (sinc³) Settling time/μs (sinc³) f –3 dB (sinc³/kHz) 4 5000 24,99 3,9 - 0,6 1310 8 2500 40,04 6,4 5 1,2 655 16 1250 55,09 8,9 7,2 2,4 327,5 32 625 70,14 11,4 9,7 4,8 163,7 64 312,5 85,19 13,9 12,2 9,6 81,8 128 156,25 100,24 16,4 14,0 19,2 40,9 Without the use of the analog filter 120 and the digital filter 150 in the circuit arrangement 100 At a modulator frequency of 20 MHz for different oversampling factors, the following characteristics of the decimator would result 160 : M Data Rate (kHz) SNR / dB (ideal) ENOB / dB (ideal) ENOB / bit (sinc ³ ) Settling time / μs (sinc ³ ) f -3 dB (sinc ³ / kHz) 4 5000 24,99 3.9 - 0.6 1310 8th 2500 40.04 6.4 5 1.2 655 16 1250 55,09 8.9 7.2 2.4 327.5 32 625 70.14 11.4 9.7 4.8 163.7 64 312.5 85.19 13.9 12.2 9.6 81.8 128 156.25 100.24 16.4 14.0 19.2 40.9

Dabei ist in der ersten Spalte der Überabtastungsfaktor M, in der zweiten Spalte eine sich daraus ergebende Datenrate in kHz, in der dritten Spalte ein ideales Signal-Rausch-Verhältnis in dB, in der vierten Spalte eine ideale effektive Bitzahl in dB, in der fünften Spalte eine effektive Bitzahl, in der sechsten Spalte eine Einschwingzeit und in der siebten Spalte eine Bandbreite bei –3 dB in kHz angegeben. Erkennbar ist, dass die effektive Bitanzahl, und damit die Genauigkeit, mit steigendem Überabtastungsfaktor vorteilhaft zunimmt, während die Einschwingzeit mit steigendem Überabtastungsfaktor nachteilig zunimmt und die Bandbreite mit steigendem Überabtastungsfaktor nachteilig abnimmt.In the first column, the oversampling factor M, in the second column a resulting data rate in kHz, in the third column an ideal signal-to-noise ratio in dB, in the fourth column an ideal effective bit number in dB, in the fifth column Column an effective number of bits, in the sixth column a transient time and in the seventh column a bandwidth at -3 dB in kHz. It can be seen that the effective number of bits, and thus the accuracy, advantageously increases with increasing oversampling factor, while the settling time disadvantageously increases with increasing oversampling factor and the bandwidth disadvantageously decreases with increasing oversampling factor.

Durch die bei der Schaltungsanordnung 100 durch das analoge Filter 120 vorgenommene frequenzabhängige Verstärkung von Signalanteilen mit hoher Frequenz und die anschließend durch das digitale Filter 150 der Schaltungsanordnung 100 vorgenommene Dämpfung von Signalanteilen mit hoher Frequenz, durch die auch das durch den Analog-Digital-Wandler 130 zugefügte Quantisierungsrauschen gedämpft wird, erhöht sich das Signal-Rausch-Verhältnis des gefilterten Bitstroms 155 und damit auch der digitalen Datenworte 165 im dargestellten Auslegungsbeispiel um annähernd 24 dB. Dies entspricht einer um etwa 4 Bit verbesserten Auflösung. Die somit erhöhte Genauigkeit erlaubt es, den Überabtastungsfaktor des Dezimators 160 geringer zu wählen und damit die Einschwingzeit zu verkürzen und die Bandbreite zu erhöhen. Beispielsweise lässt sich bei der Schaltungsanordnung 100 mit einem Überabtastungsfaktor von 32 eine effektive Bitzahl von etwa 13 erreichen. Dies ist eine höhere Genauigkeit als bei einer Schaltungsanordnung ohne das analoge Filter 120 und das digitale Filter 150 und Verwendung eines Überabtastfaktors von 64.By the case of the circuit arrangement 100 through the analog filter 120 made frequency-dependent amplification of signal components with high frequency and then by the digital filter 150 the circuit arrangement 100 made attenuation of signal components with high frequency, through which also by the analog-to-digital converter 130 attenuated quantization noise, the signal-to-noise ratio of the filtered bitstream increases 155 and thus also the digital data words 165 in the illustrated design example by approximately 24 dB. This corresponds to an improved resolution of about 4 bits. The thus increased accuracy allows the oversampling factor of the decimator 160 to choose lower and thus shorten the settling time and increase the bandwidth. For example, can be in the circuit arrangement 100 with an oversampling factor of 32, will achieve an effective bit count of about 13. This is a higher accuracy than a circuit without the analog filter 120 and the digital filter 150 and using an oversampling factor of 64.

Die Schaltungsanordnung 100 der 1 und das vorstehend erläuterte Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung 100 können zur Messung von Stromstärken in einem weiten Wertebereich verwendet werden. Besonders günstig ist die Schaltungsanordnung 100 zur Messung von Stromstärken bis etwa 20 A geeignet. Bei Verwendung einer Modulatorfrequenz des Analog-Digital-Wandlers 130 von 20 MHz und eines Überabtastungsfaktors des Dezimators 160 von 50 ergibt sich eine maximale Signalfrequenz von 20 MHz/50 = 400 kHz. In dieser beispielhaften Auslegung eignet sich die Schaltungsanordnung 100 somit zur Messung von Stromstärken mit einer Frequenz von bis zu 400 kHz.The circuit arrangement 100 of the 1 and the method explained above for operating the circuit arrangement 100 can be used to measure currents in a wide range of values. Particularly favorable is the circuit arrangement 100 suitable for measuring currents up to about 20 A. When using a modulator frequency of the analog-to-digital converter 130 of 20 MHz and an oversampling factor of the decimator 160 of 50 results in a maximum signal frequency of 20 MHz / 50 = 400 kHz. In this exemplary embodiment, the circuit arrangement is suitable 100 thus for measuring currents with a frequency of up to 400 kHz.

Claims

Circuit arrangement ( 100 ) for measuring a current ( 20 ) with - a current measuring device ( 110 ) for measuring one of the current ( 20 ) dependent measurement signal ( 115 ); An analogue filter ( 120 . 300 . 400 ) for frequency-dependent amplification of the measuring signal ( 115 ), - an analog-to-digital converter ( 130 ) intended to receive one of the analog filters ( 120 . 300 . 400 ) provided signal ( 125 ) into a bit stream ( 135 ), - a body ( 140 ) for the potential-separated transmission of the from the analog-to-digital converter ( 130 ) provided bitstream ( 135 ), and - a digital filter ( 150 ) and a decimator ( 160 ) provided for by the institution ( 140 ) for bit-separated transmission of bitstream ( 145 ) frequency dependent to attenuate and in data words ( 165 ) to convert.

Circuit arrangement ( 100 ) according to claim 1, wherein the digital filter ( 150 ) is to be used by the institution ( 140 ) for bit-separated transmission of bitstream ( 145 ) frequency-dependent attenuation, the decimator ( 160 ) is provided to one of the digital filter ( 150 ) supplied bit stream ( 155 ) in data words ( 165 ) to convert.

Circuit arrangement ( 100 ) according to one of claims 1 or 2, wherein the current measuring device ( 110 ) a shunt resistor ( 110 ), the measurement signal ( 115 ) on the shunt resistor ( 110 ) tapped voltage signal ( 115 ).

Circuit arrangement ( 100 ) according to claim 3, wherein the analog filter ( 120 . 300 ) one with the shunt resistor ( 110 ) in series inductance ( 320 ) and a shunt resistor ( 110 ) and the inductance ( 320 ) connected in parallel second resistor ( 310 ), wherein the analog filter ( 120 . 300 ), the analog-to-digital converter ( 130 ) on the second resistor ( 310 ) tapped voltage signal ( 125 ).

Circuit arrangement ( 100 ) according to claim 3, wherein the analog filter ( 120 . 400 ) a second resistor ( 410 ) and a third resistor ( 420 ) in series with each other and in parallel with the shunt resistor ( 110 ) are arranged, wherein the analog filter ( 120 . 400 ) a third resistor ( 420 ) parallel connected capacity ( 430 ), wherein the analog filter ( 120 . 400 ), the analog-to-digital converter ( 130 ) on the second resistor ( 410 ) tapped voltage signal ( 125 ).

Circuit arrangement ( 100 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the analogue filter ( 120 ) has an operational amplifier.

Circuit arrangement ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the analog filter ( 120 . 300 . 400 ) and the digital filter ( 150 ) have mutually inverse transfer functions.

Circuit arrangement ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the analog-to-digital converter ( 130 ) is a sigma-delta modulator.

Circuit arrangement ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the device ( 140 ) comprises an optocoupler for electrically isolated transmission.

Circuit arrangement ( 100 ) according to one of claims 1 to 8, wherein the device ( 140 ) has a capacitive or an inductive potential separation for potential-separated transmission.

Circuit arrangement ( 100 ) according to one of the preceding claims, wherein the decimator ( 160 ) comprises a sinc filter.

Control system with a circuit arrangement ( 100 ) according to one of the preceding claims.

Method for measuring a current ( 20 ), which comprises the following steps: measuring one of the current ( 20 ) dependent first signal ( 115 ), - frequency-dependent amplification of the first signal ( 115 ) to an analog second signal ( 125 ), - digitizing the second signal ( 125 ) to generate a first bitstream ( 135 ), - potential-separated transmission of the first bit stream ( 135 . 145 ), - frequency-dependent attenuation and digital decimation filtering of the first bit stream ( 145 ) containing digital data words ( 165 ) to obtain.

The method of claim 13, wherein said frequency-dependent amplification amplifies high frequencies of said first signal ( 115 ), wherein the frequency-dependent attenuation of high frequencies in the first bit stream ( 145 ) attenuates information contained.

Method according to claim 14, wherein the frequency-dependent amplification takes place with a first transfer function, wherein the frequency-dependent damping takes place with a second transfer function, wherein the second transfer function is inverse to the first transfer function.