DE10251504A1

DE10251504A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Übertragung von digitalen Signalen über einen Optokoppler

Info

Publication number: DE10251504A1
Application number: DE2002151504
Authority: DE
Inventors: Antoine Simon
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2002-11-04
Filing date: 2002-11-04
Publication date: 2004-05-19

Abstract

Bei einem Verfahren zur Übertragung von digitalen Signalen über einen Optokoppler wird aus einem Eingangssignal ES mit einem Pulsbreitenverhältnis P1 ein Flankensignal erzeugt, dessen Flankenpulse synchron zu den Flanken des Eingangssignals ES sind. Nach dem Durchgang durch den Optokoppler O1 wird das Flankensignal in ein Ausgangssignal AS umgewandelt, das das gleiche Pulsbreitenverhältnis wie das Eingangssignal ES aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Übertragung von digitalen Signalen über einen Optokoppler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 8.
Optokoppler werden bei elektronischen Schaltungen vielfach verwendet. Sie bestehen aus einer LED Diode und einem lichtempfindlichen Halbleiter z. B. einem Fototransistor. Dabei werden die elektrische Signale mit Hilfe der LED Diode in Licht umgewandelt und auf der Empfängerseite im Fototransistor wieder in elektrische Signale zurückgewandelt.
Optokoppler gestatten somit eine rückwirkungsfreie galvanisch getrennte Kopplung von elektronischen Baugruppen.
Häufig werden Optokoppler in der Prozessautomatisierungstechnik eingesetzt, um Signale von explosionsgeschützten Bereichen in nicht explosionsgeschützte Bereiche zu übertragen oder um Schaltungen in Sensoren galvanisch abzukoppeln.
Mikroprozessoren in Sensoren generieren sogenannte pulsbreitenmodulierte Signale (PWM-Signale), die z. B. nach einer entsprechenden Tiefpass-Filterung dem aktuellen Messwert eines Sensors entsprechen. Diese PWM-Signale werden über einen Optokoppler übertragen und auf der Empfängerseite in entsprechende bis 20 mA Analog-Signale umgewandelt.
Ein wesentlicher Nachteil bei Optokopplern besteht darin, dass die Flanken digitaler Signale mit unterschiedlichen Zeitverzögerung übertragen werden. Dies wird als „Jitter" bezeichnet. Dies bedeutet aber, dass die Signalform von Ausgangssignal und Eingangsignal nicht mehr übereinstimmen und somit sich das Pulsbreitenverhältnis bei der Übertragung ändert. Die zeitliche Verzögerung bei der Übertragung spielt dabei keine Rolle. Der „Jitter" führt zu Ungenauigkeiten im Analog-Signal Bei Anwendungen, bei denen Eingangssignal und Ausgangssignal in ihrem Pulsbreitenverhältnis exakt übereinstimmen müssen und es auf eine zeitliche Verschiebung von Eingangssignal und Ausgangssignal nicht ankommt, sind einfache Optokoppler zur galvanischen Trennung nicht geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb ein Verfahren zur Übertragung von digitalen Signalen über einen Optokoppler anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das insbesondere ein Ausgangssignal liefert, dessen Pulsbreitenverhältnis exakt dem ursprünglichen des Eingangssignals entspricht und das einfach und kostengünstig durchführbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels;
2 Signalverlauf verschiedener Signale gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 in einem Spannungs/ Zeit- Diagramm;
3 schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels;
4 Signalverlauf verschiedener Signale gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3 in einem Spannungs/ Zeit- Diagramm;
5 schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels;
6 Signalverlauf verschiedener Signale gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 5 in einem Spannungs/ Zeit- Diagramm.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, bei dem eine Prozessorbaugruppe 1 von einer Stromausgangsbaugruppe 2 galvanisch getrennt ist. Die Prozessorbaugruppe 1 besteht im wesentlichen aus einem Mikroprozessor M der mit einem Flankenmodul D verbunden ist. Zwischen Flankenmodul D und einem Toggle-Flip-Flop T ist ein Optokoppler O1 angeordnet der im wesentlichen aus einer LED-Diode LED und einem fotoempfindlichen Halbleiter FT z. B. einer Fotodiode besteht. Der Ausgang des Toggle-Flip-Flops T führt zu einer Stromausgangsschaltung SAS, die im wesentlichen aus einem Tiefpassfilter und einem Verstärker besteht und die an ihrem Ausgang ein analoges Ausgangssignal, wie z. B. ein 4 bis 20 mA Signal, liefert.
In 2 ist der Signalverlauf der verschiedenen Signale gemäß dem ersten Ausführungsbeispiels in einem Spannungs/ Zeit- Diagramm näher dargestellt. Der Mikroprozessor M liefert ein pulsbreitenmoduliertes digitales Eingangssignal ES mit einem definierten Pulsbreitenverhältnis P1 = T1/(T1 + T2). Im Flankenmodul D werden die Flanken des Eingangssignal ES in kurze Pulse umgesetzt und dadurch ein Flankensignal FS erzeugt. An jeder Flanke F des Eingangssignals ES entsteht so ein Flankenpuls FP. Die Flankenpulse FP des Flankensignals FS werden über den Optokoppler O1 übertragen, so dass am Ausgang des Optokopplers O aufgrund der zeitlichen Verzögerung bei der Übertragung ein Flankensignal FS' anliegt. Dieses Flankenpulssignal FS' wird auf den Eingang des Toggle-Flip-Flops T gegeben, der an seinem Ausgang ein Ausgangssignal AS mit dem Pulsbreitenverhältnis P1 = T1'/(T1' + T2') liefert. Da T1' = T1 und T2' = T2 entspricht das Pulsbreitenverhältnis P2 des Ausgangssignals AS dem des ursprünglichen Eingangssignal ES d.h. P2 = P1.
Nachteilig bei diesem ersten Ausführungsbeispiel ist, dass keine Pulslevelinformation über den Optokoppler O übertragen wird, so dass bei einem Pulsfehler, d. h. wenn ein Flankenpuls nicht übertragen wird, der Ausgang des Toggle-Flip-Flops ein Signal liefert, das einem invertierten Eingangssignal entsprechen würde. Dieses Signal würde dann auch ein entsprechend geändertes Pulsbreitenverhältnis aufweisen.
In 3 ist ein verbessertes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem neben einem Flankenmodul D ein Verzögerungsglied V vorgesehen ist. Flankenmodul D und Verzögerungsglied V sind jeweils mit einem Optokoppler O1 bzw. O2 verbunden. Den beiden Optokopplern O1 und O2 ist ein D-Flip-Flop DFF nachgeschaltet. Der Ausgang des D-Flip-Flops DFF ist wie in 1 dargestellt mit einer Stromausgangsschaltung SAS verbunden.
In 4 sind die 3 entsprechenden Signalverläufe näher dargestellt. Das Eingangssignal ES wird, wie bereits anhand von 2 erläutert, in ein Flankensignal FS umgewandelt, das über den Optokoppler O1 übertragen wird. Der Ausgang des Optokoppler O1 ist mit dem Clock-Eingang D-Flip-Flops DFF verbunden. Weiterhin wird das Eingangssignal ES mit einem Verzögerungsglied V zeitlich verzögert und über den Optokoppler O2 übertragen, so dass ein verzögertes ES' vorliegt, das dem Data-Eingang des D-Flip-Flops DFF zugeführt wird. Dadurch erhält man ausgangsseitig eine Levelinformation des Eingangssignals ES.
So wird auch bei einer Störung, d. h. wenn ein Flankenpuls nicht übertragen werden sollte, ein Ausgangssignal AS mit dem gleichen Pulsbreitenverhältnis P2 wie dem des Eingangssignals erzeugt. D.h. P2 = P1 mit P1 = T1/(T1 + T2) und P2 = T1'/(T1' + T2').
Nachteil bei dieser Lösung ist, dass zwei Optokoppler benötigt werden.
In 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Der Ausgang eines Mikroprozessors M ist jeweils mit einem Flankenmodul D1 bzw. Flankenmodul D2 verbunden. Die Ausgänge der Flankenmodule D1 und D2 werden zusammengeführt und sind mit einem Optokoppler O1 verbunden. Der Ausgang des Optokopplers O1 ist mit einem Pulsbreiten-Diskriminator PD und einem Toggle-Flip-Flop T verbunden. Der Ausgang des Pulsbreiten-Diskriminators PD ist ebenfalls mit dem Toggle-Flip-Flop T verbunden. Der Ausgang des Toggle-Flip-Flops T ist mit einer Stromausgangsschaltung SAS verbunden.
In 6 ist der Signalverlauf der verschiedenen Signale gemäß dem Ausführungsbeispiels nach 5 in einem Spannungs-Zeitdiagramm näher dargestellt. Das Eingangssignal ES, das dem Eingangssignal der 2 bzw. 4 entspricht, wird jeweils den Flankenmodulen D1 bzw. D2 zugeführt. Das Flankenmodul D1 wandelt die positiven Flanken des Eingangssignals ES in kurze Flankenpulse FP' um. Das Flankenmodul D2 wandelt die negativen Flanken des Eingangssignals ES in Flankenpulse FP'' um, die länger als die Flankenpulse FP' sind um. Die Pulse FP' und FP'' bilden das Flankensignal FS'', das über den Optokoppler O1 geführt wird. Nach dem Optokoppler O1 liegt ein verzögertes Flankensignal FS''' vor. Im Pulsbreiten-Diskriminator PD werden die unterschiedlichen Pulse des Flankensignals FS''' diskriminiert und somit ein Signal erzeugt, das z. B. mit den längeren Flankenpulsen FP'', des Signals FS''' bzw. FS''' synchron ist. Dieses Synchronisationssignal SC wird dem Toggle-Flip-Flop T zugeführt. Der Toggle-Flip-Flop T erzeugt aus dem Flankensignal FS''' und mit dem Synchronisationssignal SC ein Ausgangssignal AS, dass das gleiche Pulsbreitenverhältnis wie das Eingangssignal ES aufweist. D.h. P2 = P1 mit P1 = T1/(T1 + T2) und P2 =T1'/(T1' + T2').
Die Diskriminatorschwelle des Pulsbreitendiskriminators PD kann fest vorgegeben sein oder auch autoadaptiv sein. Bei einer autoadaptiven Schwelle werden die Pulse miteinander verglichen und die kürzeren von den längeren Pulsen diskriminiert. Hierbei ist es unerheblich ob die Pulslänge der einzelnen Pulse sich im Laufe der Zeit verändern.

Claims

Verfahren zur Übertragung von digitalen Signalen über einen Optokoppler, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Eingangssignal ES mit einem Pulsbreitenverhältnis P1 ein Flankensignal FS, FS'' erzeugt wird, das Flankenpulse FP bzw. FP' und FP'' synchron zu den Flanken des Eingangssignals ES aufweist und das nach dem Durchgang durch den Optokoppler O1 in ein Ausgangssignal AS umgewandelt wird, dass das gleiche Pulsbreitenverhältnis wie das Eingangssignal ES aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal AS mit einem Toggle-Flip-Flop T gewonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flankenpulse FP' und FP'' des Flankensignals FS'' je nach Flankenform des Eingangssignals ES unterschiedliche Pulsbreiten aufweisen, und mit Flankenpulsen gleicher Pulsbreite z. B. FP'' ein Synchronisationssignal SC für den Toggle-Flip-Flop T erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flankenpulse gleicher Breite z. B. FP'' mit einem Pulsbreiten-Diskriminator PD gewonnen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Diskriminatorschwelle des Pulsbreiten-Diskriminators PD auto-adaptiv ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einganssignal ES mit einer zeitlichen Verzögerung über einen mit dem Ausgangssignal AS eine Pulslevelinformation des Eingangssignals ES zur Verfügung steht.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Flankensignal FS' und das verzögerte Eingangssignal ES' ausgangsseitig einem D-Flip-Flop DFF zugeführt werden, dass das Ausgangssignal AS erzeugt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.