DE19503106A1

DE19503106A1 - Verfahren und Vorrichtung zur galvanisch entkoppelten breitbandigen Übertragung binärer Signale

Info

Publication number: DE19503106A1
Application number: DE1995103106
Authority: DE
Inventors: Joerg Dipl Ing Becker
Original assignee: Individual
Current assignee: Becker Joerg Dipl-Ing 21629 Neu Wulmstorf De
Priority date: 1995-02-01
Filing date: 1995-02-01
Publication date: 1995-08-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur galvanisch entkoppelten Übertragung binärer Signale über symmetrische oder unsymmetrische Leitungen.

Binäre Signale können über symmetrische oder unsymmetrische Leitungen übertragen wer den. Dazu sind Sende- und Empfangseinrichtungen erforderlich. Bei der galvanischen Kopplung dieser Einrichtungen können Störungen auftreten, verstärkt und übertragen werden. Zur Ver ringerung dieser Störungen können die elektronischen Komponenten durch geeignete Verfahren voneinander galvanisch entkoppelt werden. Zu diesem Zwecke werden u. a. Optokoppler, Über trager, kapazitive Koppler und Leitungskoppler eingesetzt. Optokoppler erlauben auch das Über tragen sehr niedriger Frequenzen bis zum Gleichanteil, während Übertrager, kapazitive Koppler und Leitungskoppler keinen Gleichanteil übertragen können. Niederfrequente Signale müssen deshalb auf einen Träger moduliert werden. Dieses setzt die maximal erzielbare Bandbreite nach dem Nyquist-Kriterium auf einen Wert unterhalb der halben Trägerfrequenz fest. Außerdem muß für die Modulations- und Demodulationseinrichtung zusätzlicher Schaltungsaufwand be trieben werden.

Diese Probleme werden durch die in Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Modulationsverfahren über flüssig werden und statt dessen die Signale direkt übertragen werden können. Damit vergrößert sich die maximale Bandbreite bei gleichzeitiger Verringerung des Schaltungsaufwandes.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 3 gegeben. Die Kop pelstrecke kann mit geringem Aufwand mechanisch trennbar ausgeführt werden. Da die Signale durch die Koppelstrecke galvanisch entkoppelt werden, ergibt sich die Möglichkeit der Realisie rung einer kontaktlosen Steckverbindung.

Beim Einsatz herkömmlicher elektrischer Steckverbinder tritt mechanischer Verschleiß an den Kontakten auf, der die Übertragungseigenschaften der Verbindung mit zunehmender Anzahl von Steckvorgängen verschlechtert. Die Erfindung ermöglicht die Realisierung kontaktloser und damit verschleißfreier Verbindungen zur Übertragung binärer Signale hoher Bandbreite.

Das Verfahren basiert auf der Erkenntnis, daß binäre Signale aus genau zwei Zuständen und deren Änderungen bestehen. Bei Kenntnis eines Anfangszustandes läßt sich alleine aus den Zu standsänderungen das Signal zurückgewinnen. Eine Modulation auf ein Trägersignal, wie sie i. A. vorgenommen wird, ist unnötig. Ebenso ist ein im Eingangssignal eventuell vorhandener Gleich anteil ohne Auswirkung. Das Eingangssignal kann gleichanteilfrei oder auch gleichanteilbehaftet sein. Da die Zustandsänderungen bei binären Signalen nur aus steilen Flanken bestehen, genü gen zu deren galvanisch entkoppelten Übertragung einfache Bauelemente, die nur diese Flanken übertragen können müssen, wie Kapazitäten oder gekoppelte Induktivitäten (Übertrager). Aus den übertragenden Zustandsänderungen wird das Originalsignal regeneriert.

Nach Fig. 1 wird ein vorliegendes unsymmetrisches binäres Signal 1 mit einem geeigneten Baustein 2 symmetriert, d. h. in zwei zueinander komplementäre Signale 2a und 2b umge wandelt. Liegt das Signal bereits symmetrisch vor, so kann dieser Baustein entfallen. Dieses symmetrische Signal wird über eine Übertragungsstrecke 3 überkoppelt. Diese Übertragungs strecke besteht entweder aus zwei Kapazitäten (3.1, Fig. 1.1) oder einem Übertrager (3.2, Fig. 1.2). Bei Verwendung eines Übertragers kann eventuell auf eine Symmetrierung des Signals ver zichtet werden, da der Ausgang des Übertragers selbst ein symmetrisches Signal bereitstellt. Auch eine Kombination von Kapazitäten und Übertrager ist denkbar (3.3, Fig. 1.3). Damit ist die galvanische Entkopplung sichergestellt. Das Ausgangssignal der Koppelstrecke besteht aus den Impulsen 3a und 3b. Die Impulse enthalten die Flanken des ursprünglichen Signales. Eine nachgeschaltete Regenerationsstufe 4 wertet die Signalflanken der überkoppelten Signa limpulse aus und regeneriert daraus das Originalsignal 5. Die Regenerationsschaltung muß in jedem Fall eine speichernde Wirkung haben, um aus den Vorderflanken der Impulse wieder die Eingangssignale bilden zu können.

Diese Auswertung der Impulsflanken kann entsprechend den Ansprüchen 12 bis 15 mit ver schiedenen Vorrichtungen erfolgen. Durch die Verwendung symmetrischer Signale läßt sich bei spielsweise sehr einfach deren Differenz auswerten. Störimpulse, die in die Übertragungsstrecke einstreuen, bewirken lediglich eine Gleichtaktaussteuerung, die wegen der Differenzbildung wir kungslos bleibt. In Fig. 2 ist ein Anwendungsbeispiel gezeigt. Die Koppelelemente werden hier durch zwei Kapazitäten 3.1 gebildet. Ein einfacher Differenzverstärker 4 mit nachgeschaltetem RS-Flip-Flop 6 kann das ursprüngliche Signal regenerieren. Der Differenzverstärker ist notwendig, damit Gleichtaktstörsignale nicht die RS-Bedingung verletzen können. Bei Verwendung eines an deren Flip-Flops (bei dem die RS-Bedingung automatisch erfüllt ist) kann die Differenzbildung auch entfallen. Das RS-Flip-Flop erzeugt aus den Impulsen wieder Rechtecksignale. Dabei wird das Flip-Flop in dem vorliegenden Anwendungsbeispiel bei einem positiven Signalimpuls am Setzeingang das RS-Flip-Flop gesetzt und bei einem positiven Signalimpuls am Rücksetzein gang zurückgesetzt. Negative Signalimpulse an den Eingängen bleiben wirkungslos.

Als Elemente mit speichernder Wirkung eignen sich z. B. auch Komparatoren mit Hysterese (Schmitt-Trigger, Anwendungsbeispiel in Fig. 3). Hier dient der Differenzverstärker 4 dazu, die komplementären Signalimpulsfolgen zu einer Impulsfolge zusammenzufassen. Falls der nachfol gende Schmitt-Trigger 6 symmetrische Eingänge besitzt, kann der Differenzverstärker entfallen.

Durch die Übertragung mittels zweier Koppelkapazitäten entsteht in Verbindung mit der Eingangskapazität der Regenerationsstufe ein kapazitiver Spannungsteiler, der die Amplitude der Impulse am Eingang der Regenerationsstufe begrenzen kann. Je nach Eingangsimpedanz der Regenerationsstufe und verwendeter Technologie reichen die Amplituden der Impulse an den Eingängen der Regenerationsstufe dann eventuell nicht mehr zum Ändern des gespeicherten Zustandes aus. Deshalb können nach Anspruch 6 die Ruhepotentiale der Eingänge mit einer geeigneten Vorspannung 7 verschoben und in die Nähe der Umschaltschwelle gelegt werden (Anwendungsbeispiel in Fig. 4). Natürlich kann dies auch durch eine entsprechende Verstärkung des Symmetrierbausteins 2 oder des Differenzverstärkers 4 ausgeglichen werden.

An den Eingängen der Regenerationsschaltung können positive und negative Pulsspitzen auf treten. Dabei kann eventuell der zulässige Eingangsspannungs- oder Strombereich überschritten werden. Falls Impulsspitzen außerhalb des zulässigen Eingangsspannungs- oder Strombereiches unerwünscht sind (z. B. bei CMOS-Technologie), können sie nach Anspruch 7 mit einer geeig neten Schutzschaltung unterdrückt werden (Anwendungsbeispiel in Fig. 5).

Da bei kapazitiver Übertragung die benötigten Koppelkapazitäten sehr gering sind (nur einige pF), lassen sie sich vorteilhaft als planare Flächen direkt auf dem Trägermaterial einer gedruck ten Schaltung (pads) ausbilden. Durch Anbringen einer (ggfs. dielektrischen) Isolierschicht auf den pads läßt sich eine kontaktlose, verschleißfrei trennbare Verbindung einfach realisieren. Na türlich kann auch eine Luftschicht als Dielektrikum wirken, so daß die mechanische Verbindung in der Koppelstrecke völlig berührungslos ausgeführt werden kann. Interessante Anwendungen sind z. B. modulationsfreie Übertragungssysteme für kontaktlose Chipkarten. Weiterhin ist eine An wendung in der Roboterindustrie denkbar für den Einsatz von kontaktlosen Verbindungen auch an zueinander translatorisch oder rotatorisch bewegten Elementen von Handhabungssystemen.

Da bei dem oben beschriebenen Verfahren nur die Signaländerungen und nicht die Signale selbst oder ein Modulationsgemisch übertragen werden, muß zur einwandfreien Rekonstrukti on der Signale der Anfangszustand bekannt sein. Nach Zuführen der Betriebsspannung ist der Schaltzustand des hier als Regenerationsstufe arbeitenden Speicherelementes i. a. jedoch un definiert. Eine Initialisierung muß deshalb vor Inbetriebnahme der Datenübertragung erfolgen.

Dazu wären mehrere Verfahren denkbar:
Mit Senden eines geeigneten Impulses kann das Speicherelement durch Software initialisiert werden. Alternativ ist auch eine geeignete Hardware denkbar (z. B. ein Mono-Flop), die durch einen geeigneten Impuls das Speicherelement initialisiert.

Claims

1. Verfahren zur galvanisch entkoppelten breitbandigen Übertragung binärer Signale, da durch gekennzeichnet, daß die Zustandsänderungen der Signale über eine aus Koppel elementen bestehenden Übertragungsstrecke ohne Modulation auf ein Trägersignal über tragen werden und daß die Signalzustände aus den übertragenen Zustandsänderungen mit einer Auswertungsstufe regeneriert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente Kapazitäten und/oder Induktivitäten sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente trenn bar ausgeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustands änderungen mit einem elektronischen Schaltkreis ausgewertet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertra gungsstrecke symmetrisch ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ruhepo tentiale der Eingänge der Auswertungsstufe gegenüber dem Bezugspotential verschoben sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge der Auswertungsstufe vor Spannungs- oder Stromspitzen geschützt sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangs- Schaltzustand der Auswertungsstufe durch Software festgelegt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangs- Schaltzustand der Auswertungsstufe durch Hardware festgelegt wird.

10. Vorrichtung zur galvanisch entkoppelten breitbandigen Übertragung binärer Signale, da durch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente als Kapazitäten und/oder Induktivitäten ausgeführt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsstrecke symmetrisch ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungsstufe aus einem Komparator besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungsstufe aus einem Schmitt-Trigger besteht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungsstufe aus einem bistabilem Kippglied (Flip-Flop) besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungsstufe aus einer analogen oder digitalen Differenziereinrichtung mit nachfolgendem Komparator, Schmitt-Trigger oder Flip-Flop besteht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente selbst die lösbare Verbindung darstellen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur berührungslosen Datenübertragung zwischen integrierten Schaltkreisen und Trägerplatinen eingesetzt wird.

18. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Herstellung kontakt loser Steckverbindungen angewendet wird.