DE102017202406B3 - Signalübertragungseinrichtung für Pulsdichte-modulierte Signale - Google Patents

Abstract

Eine Signalübertragungseinrichtung für Pulsdichte-modulierte Signale umfassteinen Signaleingang (1) für ein Eingangssignal (U) mit einem definierten Signal-Maximalwert (U),eine eingangsseitige Modulationsstufe (3) zur Erzeugung eines Pulsdichte-modulierten Übertragungssignals (U) aus dem Eingangssignal (U), wobei der Eingangsaussteuerbereich (U) der eingangsseitigen Modulationsstufe (3) um einen Differenz-Signalwert (Δ) höher als der begrenzte Signal-Maximalwert (U) des Eingangssignals (U) ist,eine der eingangsseitigen Modulationsstufe (3) nachgeschaltete Sperreinrichtung(4) für das Pulsdichte-modulierte Übertragungssignal (U) zu dessen Überschreiben mit einem statischen Störmeldesignal (U),eine Puls-rekonstruierende Übertragungsstrecke (8) für das Pulsdichte-modulierte Übertragungssignal (U),eine ausgangsseitige Demodulationsstufe (9) zur Rekonstruktion des Eingangssignals (U) aus dem übertragenen Pulsdichte-modulierten Übertragungssignal (U‘), sowieeine das Pulsdichte-modulierte Übertragungssignal (U‘) der Übertragungsstrecke (8) an deren Ausgang erfassende Signalwechsel-Überwachungseinrichtung (10), die einen Fehlersignal-Ausgang (11) zur Signalisierung der Detektion eines aufgrund des statischen Störmeldesignals (U) an der Übertragungsstrecke (8) ausbleibenden dynamischen Pulsdichte-modulierten Übertragungssignals (U‘) aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Signalübertragungseinrichtung für Pulsdichte-modulierte Signale.
• Bevor auf die eigentliche Erfindung eingegangen wird, ist deren Hintergrund zum besseren Verständnis kurz zu beleuchten. So ist bei der Signalübertragung zum Einen eine Pulscode-modulierte Übertragung grundsätzlich bekannt, bei der ein zeit- und wertkontinuierliches analoges Signal in ein zeit- und wertdiskretes digitales Signal umgesetzt und übertragen wird. In vielen Bereichen der Elektrotechnik werden zum Anderen allerdings analoge Signalgrößen in nicht Pulscode-modulierte Rechtecksignale gewandelt, da sich diese Signalform verglichen mit der analogen Übertragung als äußerst robust gegen Übertragungsstörungen bzw. Verzerrungen erweist. Ebenso lässt sich die Erzeugung quasi analog (z. B. ohne Zuhilfenahme eines Microcontrollers) mit diskreten Bauteilen realisieren. Eine Rekonstruktion des analogen Signals aus dem nicht Pulscode-modulierten Rechtecksignal wird in der Regel mittels Tiefpassfilterung vorgenommen.
• Derartige nicht Pulscode-modulierte Signale werden auch als Pulsdichte-modulierte Signale bezeichnet. Die wichtigsten Beispiele für entsprechende Modulationsarten sind die Pulsweitenmodulation und die Sigma-Delta-Modulation.
• Die bekannten Grundkomponenten von Signalübertragungseinrichtungen für solche Pulsdichte-modulierten Signale sind
• - ein Signaleingang für ein analoges Eingangssignal,
• - eine eingangsseitige Modulationsstufe zur Erzeugung eines Pulsdichte-modulierten Übertragungssignals aus dem Eingangssignal,
• - eine Puls-rekonstruierende Übertragungsstrecke für das Pulsdichte-modulierte Übertragungssignal, sowie
• - eine ausgangsseitige Demodulationstufe zur Rekonstruktion des Eingangssignals aus dem Pulsdichte-modulierten Übertragungssignal.
• Dieser Aufbau spiegelt sich beispielsweise in der DE 42 39 850 C2 wieder, die eine Schaltungsanordnung zur Steuerung und Überwachung eines von einem elektronischen Prozessor gesteuerten Leistungsstellers für ein Batterie-Ladegerät offenbart. Mit dem Leistungssteller ist ein Interface verbundener, das über eine optische Strecke mit dem Prozessor gekoppelt ist. Über den entsprechenden Lichtleiter der optischen Strecke werden PWM-Signale übertragen, wobei verschiedene Bereiche des Tastverhältnisses dieser PWM-Signale für eine reguläre Signalübertragung bzw. eine Störsignalübertragung herangezogen werden. Diese Signalisierungsfunktion hat mit der eigentlichen Signalübertragung nichts zu tun.
• Aus der DE 10 2011 075 182 A1 ist eine Vorrichtung zur Übertragung von Pulsdichte-modulierten Signalen bekannt, bei der über eine Logikschaltung Fehlersignale an eine PWM-Schaltung kommuniziert werden. Im Falle eines Fehlers wird ein Signal erzeugt, welches die PWM-Schaltung veranlasst, ihre Ausgangssignale in einen definierten Zustand zu bringen.
• Grundsätzlich besteht bei der Übertragung von Pulsdichte-modulierten Signalen das Problem, dass das erzeugte Signal - anders als bei digitalen Signal-Formaten - keine (hierarchische) Datenstruktur oder dergleichen aufweist. Damit sind eine Übertragung von zusätzlichen, z. B. binären Signalen sowie die Implementierung einer Signalintegritätsprüfung (wie z. B. eine CRC-Überprüfung) nicht möglich.
• Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Signalübertragungseinrichtung so weiter zu verbessern, dass die Signalisierung eines eine Fehlermeldung auslösenden Signals über eine quasi analoge Pulsdichte-modulierte Übertragungsstrecke sowie eine einfache Signalintegritätsprüfung der Signalübertragungseinrichtung ermöglicht werden.
• Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Demnach zeichnet sich die Signalübertragungseinrichtung neben den oben bereits angegebenen Grundkomponenten ferner durch folgende Charakteristika aus:
• - das analoge Eingangssignal ist auf einen definierten Signal-Maximalwert begrenzt, wobei der Eingangsaussteuerbereich der eingangsseitigen Modulationsstufe um einen Differenz-Signalwert höher als dieser definierte Signal-Maximalwert des Eingangssignals ist,
• - eine der eingangsseitigen Modulationsstufe nachgeschaltete Sperreinrichtung für das Pulsdichte-modulierte Übertragungssignal zu dessen Überschreiben mit einem statischen Störmeldesignal, sowie
• - eine das Pulsdichte-modulierte Übertragungssignal der Übertragungsstrecke an deren Ausgang erfassende Signalwechsel-Überwachungseinrichtung, die einen Fehlersignal-Ausgang zur Signalisierung der Detektion eines aufgrund des statischen Störmeldesignals an der Übertragungsstrecke ausbleibenden dynamischen Pulsdichte-modulierten Übertragungssignals aufweist.
• Durch den definierten Signal-Maximalwert wird erreicht, dass es aufgrund des Differenz-Signalwertes zum maximalen Eingangsaussteuerbereich im regulären praktischen Betrieb der Übertragungseinrichtung zu keinem Aussetzen der Pulsdichte-modulierten Signale am Ausgang der Signalübertragungseinrichtung kommt. Für deren definierten Signalbereich wird also ein Wert des Tastverhältnisses des Übertragungssignals von 0 % bzw. 100 % nie erreicht. Durch die Sperreinrichtung wird sodann auf der Eingangsseite in einem Fehlerfall ein gezieltes Sperren der Pulsdichte-modulierten Übertragungssignale erzielt, was beispielsweise durch ein einfaches Logik-Gatter bewerkstelligbar ist. Dieses erzeugt ein statisches High- oder Low-Signal als Störmeldesignal. Auf der Ausgangsseite kann sodann mithilfe der Signalwechsel-Überwachungseinrichtung erfasst werden, ob die im regulären Betrieb üblichen dynamischen Pulsdichte-modulierten Signale oder ein einen Fehlerzustand anzeigendes statisches Signal vorliegen.
• In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Signalübertragungseinrichtung angegeben. So kann die Begrenzung des Eingangssignals auf den Signal-Maximalwert durch einen eingangsseitigen Amplitudenbegrenzer in schaltungstechnisch einfacher und zuverlässiger Weise realisiert werden.
• Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Signalübertragungseinrichtung bei einer entsprechenden Auslegung der eingangsseitigen Modulationsstufe und der ausgangsseitigen Demodulationsstufe besonders geeignet zur Verarbeitung von Pulsweiten-modulierten (PWM-) oder Sigma-Delta-modulierten Signalen, welche beide typische Vertreter von Pulsdichte-modulierten Signalübertragungsverfahren darstellen.
• In an sich bekannter Weise kann die Sperreinrichtung von einer Überwachungseinrichtung auf der Eingangsseite vorzugsweise in Form einer Mikrocontroller-gesteuerten Watchdog-Schaltung gebildet sein. Damit können zusätzlich beispielsweise die Funktion des Mikrocontrollers selbst überwacht und Fehler an diesem sowie an Schaltungsteilen, die vom Mikrocontroller überwacht werden, signalisiert werden.
• In an sich ebenfalls bekannter Weise kann die Puls-rekonstruierende Übertragungsstrecke durch einen galvanisch getrennten Impulsübertrager, wie vorzugsweise einen Hochspannungsimpulsübertrager, gebildet sein. Mithilfe der Erfindung kann dann dieses elektronische Standardgerät entsprechend funktionell aufgerüstet werden.
• Eine schaltungstechnisch einfache, dabei zuverlässige Ausbildung der Signalwechsel-Überwachungseinrichtung auf der Ausgangsseite ist durch die Verwendung eines retriggerbaren Monoflops gegeben.
• Alternativ dazu kann die Signalwechsel-Überwachungseinrichtung auch durch eine Wechselspannungskopplung des Übertragungssignals mittels Kondensator und (Einweg-)Gleichrichtung über eine Diode und einen Ladekondensator gebildet sein, wobei eine Parallelschaltung eines Widerstandes zum Ladekondensator zur Implementierung einer Zeitkonstante der Überwachungseinrichtung vorgesehen ist.
• Weitere abhängige Ansprüche kennzeichnen Alternativen für die Verwertung des am Fehlersignal-Ausgang der Signalwechsel-Überwachungseinrichtung verfügbaren Fehlersignals. So kann dieses beispielsweise binär ausgelegt sein und etwa zur Ansteuerung einer optischen Fehleranzeige in Form einer Anzeigeleuchte dienen oder an eine nachgelagerte Überwachungs- oder Signalverarbeitungseinrichtung weitergegeben werden.
• Alternativ oder zusätzlich kann dem Fehlersignal-Ausgang der Signalwechsel-Überwachungseinrichtung eine vom Fehlersignal aktivierbare Fehlermelde-Einrichtung nachgeschaltet sein, die ein definiertes, vorzugsweise normiertes Fehlermelde-Signal auf der Ausgangsseite der Signalübertragung zur Verfügung stellt. Ein typischer Vertreter eines solchen Fehlermelde-Signals ist ein Stromsignal von 0 mA bei einer 4 ... 20 mA Live-Zero-Normsignal-Übertragungseinrichtung oder von 28 mA bei einer 20 mA-Normsignal-Übertragungseinrichtung. Damit kann die erfindungsgemäße Signalübertragungseinrichtung problemlos in ein übliches industrielles Messumfeld integriert werden.
• Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Diese
• 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Signalübertragungseinrichtung.
• Wie aus der Zeichnung deutlich wird, weist die Signalübertragungseinrichtung einen Signaleingang 1 auf, über den ein zu übertragendes Eingangssignal U_E eingegeben wird. Dem Signaleingang 1 ist ein Amplitudenbegrenzer 2 nachgeschaltet, der dafür sorgt, dass das Eingangssignal U_E für die weitere Verarbeitung in der Schaltung auf einen Signal-Maximalwert U_Emax begrenzt wird, der um einen Differenz-Signalwert ΔU kleiner als der maximale Aussteuerungs-Signalwert U_R einer dem Amplitudenbegrenzer 2 nachgeschalteten, eingangsseitigen Modulationsstufe 3 ist. Es gilt also: $$\left|{\text{U}}_{\text{Emax}}\right|\Leftarrow \left|+\text{/-}\left({\text{U}}_{\text{R}}-\Delta \text{U}\right)\right|$$

  
• Die Modulationsstufe 3 erzeugt aus dem Eingangssignal U_E beispielsweise in üblicher Weise ein Pulsweiten-moduliertes (PWM-) Rechteck-Übertragungssignal U_PWM. Durch die Signalbearbeitung vor der Modulationsstufe 3 ist also im regulären Betrieb gewährleistet, dass das dynamische PWM-Übertragungssignal U_PWM über den Maximalaussteuerbereich des Eingangssignals U_E <= U_Emax ein von 0 % bzw. 100 % unterschiedliches Tastverhältnis, also beispielsweise von 10 % bis 90 % aufweist.
• Auf die Modulationsstufe 3 folgt eine Sperreinrichtung 4, bei der es sich um ein einfaches CMOS-Logik-Gatter handeln kann. Dessen einer Eingang 5 ist mit der Modulationsstufe 3 verbunden, während der zweite Eingang 6 mit einer µC-gesteuerten Überwachungseinrichtung 7 gekoppelt ist. Damit kann an dessen Ausgang entweder das PWM-Übertragungssignal U_PWM für den fehlerfreien Normalbetrieb oder eine statisches Störmeldesignal U_STAT beispielsweise in Form einer logischen 0 für den Fall ausgegeben werden, dass die Überwachungseinrichtung 7 in ihrer Funktion als Watchdog-Schaltung auf der Eingangsseite der Signalübertragungseinrichtung einen Fehler an den überbewachten Schaltungsteilen oder bei sich selbst detektiert hat.
• Auf die Sperreinrichtung 4 folgt dann die eigentliche Puls-rekonstruierende Übertragungsstrecke 8, die in Form eines Hochspannungstrennverstärkers durch eine z.B. induktive Impulsübertragung das PWM-Übertragungssignal U_PWM in galvanisch getrennter Form auf die Ausgangsseite der Signalübertragungseinrichtung überträgt. Dort steht es als Übertragungssignal U_PWM‘ zur Verfügung, aus dem in der nachgeschalteten Demodulationsstufe 9 in üblicher Weise das dem Eingangssignal U_E entsprechende Ausgangssignal U_A rekonstruiert wird.
• Für die Erkennung eines von der Eingangsseite her signalisierten Fehlerzustandes wird das ausgangsseitigen PWM-Übertragungssignal U_PWM‘ von einer Signalwechsel-Überwachungseinrichtung 10 überwacht, bei der sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um einen retriggerbaren Monoflop handelt. Diese Überwachungseinrichtung 10 erfasst, ob das dynamische PWM-Übertragungssignal U_PWM‘ ansteht oder ein dem statischen Störmeldesignal U_STAT entsprechender statischer Spannungszustand. In letzterem Fall wird durch das Ausbleiben der dynamischen PWM-Übertragungssignale U_PWM‘ an einem Fehlersignal-Ausgang 11 der Überwachungseinrichtung 10 ein entsprechendes binäres Fehlersignal S_F ausgegeben, mit dessen Hilfe beispielsweise eine LED-Warnleuchte 12 angesteuert und damit signalisiert wird, dass keine regulären Eingangssignale U_E übertragen werden, sondern ein Störzustand vorliegt.
• Das binäre Fehlersignal S_F kann auch - wie nicht näher dargestellt ist - in einer nachgelagerten Überwachungs- oder Signalverarbeitungseinrichtung weiterverarbeitet werden.
• Zur Einbindung dieser Fehlermeldung in ein übliches industrielles Messumfeld ist bei der in 1 gezeigten Ausführungsform eine Fehlermelde-Einrichtung 13 vorgesehen, die von der Signalwechsel-Überwachungseinrichtung 10 mithilfe deren Fehlersignals S_F aktivierbar ist. Dies ist in der Zeichnung gestrichelt angedeutet. Sobald eine solches Fehlersignal S_F ansteht, wird an einem Meldeausgang 14 der Fehlermelde-Einrichtung 13 ein Fehler-Stromsignal I_F von 0 mA angelegt, das analog in einer nicht näher dargestellten normierten 4 ... 20 mA-Live-Zero-Normsignal-Übertragungseinrichtung weiterverarbeitet werden kann.
• Die vorliegende Anordnung ermöglicht zusammenfassend die Überwachung von Schaltungsteilen und Microcontrollern sowie die Bereitstellung eines Fehlersignals ohne Zuhilfenahme eines (weiteren) Microcontrollers und ohne eine weitere potenzialtrennende Signalübertragungsstrecke, welche in einem Hochspannungstrennverstärker unerwünscht ist, da diese in der Regel die Ausfallwahrscheinlichkeit sowie die Störfestigkeit/EMV-Festigkeit und ähnlichem elektronische Kenngrößen durch parasitäre Effekte, wie z. B. zusätzliche parasitäre Kapazitäten, merklich verschlechtern.

Claims (12)

1. Signalübertragungseinrichtung für Pulsdichte-modulierte Signale, gekennzeichnet durch - einen Signaleingang (1) für ein Eingangssignal (U_E) mit einem definierten Signal-Maximalwert (U_Emax‘), - eine eingangsseitige Modulationsstufe (3) zur Erzeugung eines Pulsdichte-modulierten Übertragungssignals (U_PWM) aus dem Eingangssignal (U_E), wobei der Eingangsaussteuerbereich (U_R) der eingangsseitigen Modulationsstufe (3) um einen Differenz-Signalwert (Δ) höher als der begrenzte Signal-Maximalwert (U_Emax) des Eingangssignals (U_E) ist, - eine der eingangsseitigen Modulationsstufe (3) nachgeschaltete Sperreinrichtung(4) für das Pulsdichte-modulierte Übertragungssignal (U_PWM) zu dessen Überschreiben mit einem statischen Störmeldesignal (USTAT), - eine Puls-rekonstruierende Übertragungsstrecke (8) für das Pulsdichte-modulierte Übertragungssignal (U_PWM), - eine ausgangsseitige Demodulationsstufe (9) zur Rekonstruktion des Eingangssignals (U_E) aus dem übertragenen Pulsdichte-modulierten Übertragungssignal (U_PWM‘), - eine das Pulsdichte-modulierte Übertragungssignal (U_PWM‘) der Übertragungsstrecke (8) an deren Ausgang erfassende Signalwechsel-Überwachungseinrichtung (10), die einen Fehlersignal-Ausgang (11) zur Signalisierung der Detektion eines aufgrund des statischen Störmeldesignals (U_STAT) an der Übertragungsstrecke (8) ausbleibenden dynamischen Pulsdichte-modulierten Übertragungssignals (U_PWM‘) aufweist.
2. Signalübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen eingangsseitigen Amplitudenbegrenzer (2) zur Begrenzung des analogen Eingangssignals (U_E) auf den Signal-Maximalwert (U_Emax‘).
3. Signalübertragungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eingangsseitige Modulationsstufe (3) und die ausgangsseitige Demodulationsstufe (9) zur Verarbeitung von Pulsweiten-modulierten oder Sigma-Delta-modulierten Übertragungssignalen (U_PWM) ausgelegt ist.
4. Signalübertragungseinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperreinrichtung (4) als Logik-Gatter zur Einstellung eines statischen High- oder Low-Signals als Störmeldesignal (U_STAT) ausgebildet ist.
5. Signalübertragungseinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperreinrichtung (4) von einer vorzugsweise Mikrocontroller-gesteuerten Überwachungseinrichtung (7) aktivierbar ist.
6. Signalübertragungseinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Puls-rekonstruierende Übertragungsstrecke (8) durch einen galvanisch getrennten Impulsübertrager, vorzugsweise einen Hochspannungsimpulsübertrager gebildet ist.
7. Signalübertragungseinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalwechsel-Überwachungseinrichtung (10) als retriggerbarer Monoflop ausgelegt ist.
8. Signalübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalwechsel-Überwachungseinrichtung (10) durch eine Wechselspannungskopplung des Übertragungssignals mittels Kondensator und (Einweg-)Gleichrichtung über eine Diode und einen Ladekondensator gebildet ist, wobei eine Parallelschaltung eines Widerstandes zum Ladekondensator zur Implementierung einer Zeitkonstante der Überwachungseinrichtung vorgesehen ist.
9. Signalübertragungseinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Fehlersignal-Ausgang (11) der Signalwechsel-Überwachungseinrichtung (10) ein binäres Fehlersignal (S_F) verfügbar ist.
10. Signalübertragungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das binäre Fehlersignal (S_F) zur Ansteuerung einer vorzugsweise optischen Fehleranzeige (12) oder zur Weitergabe an eine nachgelagerte Überwachungs- oder Signalverarbeitungseinrichtung ausgelegt ist.
11. Signalübertragungseinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlersignal-Ausgang (11) der Signalwechsel-Überwachungseinrichtung (10) mit einer vom Fehlersignal (S_F) aktivierbaren Fehlermelde-Einrichtung (13) zur Erzeugung eines definierten, vorzugsweise normierten Fehlermelde-Signals (I_F) auf der Ausgangsseite der Signalübertragung gekoppelt ist.
12. Signalübertragungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das normierte Fehlermelde-Signal ein Stromsignal (I_F) von 0 mA bei einer 4 ... 20 mA Live-Zero- Normsignal-Übertragungseinrichtung oder von 28 mA bei einer 20 mA-Normsignal-Übertragungseinrichtung ist.

Images