DE19728786C1

DE19728786C1 - Verfahren zur galvanisch getrennten Übertragung pulsweitenmodulierter Signale

Info

Publication number: DE19728786C1
Application number: DE1997128786
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl Ing Dittmann
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: EZW ELEKTRONIK ZENTRUM WEST GMBH, 42579 HEILIGENH
Priority date: 1997-07-05
Filing date: 1997-07-05
Publication date: 1999-01-21
Anticipated expiration: 2017-07-06

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanisch getrennten Übertragung pulsweitenmodulierter Signale in der analogen elektronischen Meßtechnik.

Bei der Übertragung analoger elektrischer Größen ist zur Überwindung von Potentialdifferenzen zwischen dem Potential an der Meßstelle und dem Potential meßwertverarbeitender Einrichtungen eine galvanische Trennung in den Übertragungsweg eingefügt.

Als Mittel zur galvanischen Trennung in einem Übertragungsweg sind durch offenkundige Vorbenutzung Trennübertrager und Optokoppler bekannt und allgemein gebräuchlich. Infolge des vergleichsweise großen Fertigungsaufwandes von Wickelgütern in Form von Trennübertragern haben sich in der Vergangenheit Optokoppler als konfektionierte, handelsübliche Bauteile zur galvanischen Trennung elektrischer Stromkreise zumindest im niedrigen und mittleren Frequenzbereich durchgesetzt.

Zur Kompensation von Fertigungstoleranzen hinsichtlich des Gleichstromübertragungsverhältnisses typgleicher Optokoppler ist gleichfalls durch offenkundige Vorbenutzung bekannt, die über die galvanische Trennung mittels Optokoppler zu übertragende analoge Gleichgröße als analoges Signal mittels Pulsweitenmodulation in eine adäquate pulsierende Gleichspannung umzusetzen, die eine konstante Periode aufweist und bei der die Pulszeit proportional zur zu übertragenden analogen Gleichgröße ist.

Wird ein derartiges analoges Signal pulsweitenmoduliert über eine Optokopplerstrecke übertragen, so wirkt sich vor allem die Temperaturdrift der Ein- und Ausschaltzeiten des Optokopplers begrenzend auf die Genauigkeit des Analogsignals aus. Jede Drift der Ein- und Ausschaltzeiten geht unmittelbar in eine Drift der empfangenen Ausgangsgröße des Systems über. Diese Drift macht sich bei konstantgehaltener Eingangsgröße über den Temperaturbereich in einer schwankenden Ausgangsgröße bemerkbar, die eine Meßwertänderung vortäuscht und somit einen Meßfehler darstellt.

Dieser Meßfehler macht sich insbesondere bemerkbar, wenn zusätzlich eine Skalierung der auszugebenden Größe vorgesehen ist. Dabei steigt der auftretende Fehler proportional zum Skalierungsfaktor. Beispielsweise steigt der Fehler bei einer Skalierung des Meßbereichs von 0..20 mA auf 0..1 mA um das 20fache.

Zur Kompensation dieses Driftverhaltens ist es bekannt, das analoge Signal differentiell über zwei gleichartige Optokoppler zu übertragen. Nachteiligerweise ist dabei für jede galvanische Trennung der doppelte Bauelementeaufwand nötig und darüber hinaus infolge bauelementeindividueller Toleranzen zwischen den beiden Optokopplern ein Abgleich vorzusehen, der den Aufwand bei der Herstellung erhöht.

Aus der DE 36 38 316 A1 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur automatischen Dämpfungs-Kompensation einer faseroptischen Meßwertübertragung bekannt, bei dem der zu übertragende analoge Meßwert senderseitig periodisch ausgetastet wird und statt dessen ein analoges Referenzsignal gesendet wird. Das dem analogen Referenzsignal adäquate Empfangssignal wird mit einer empfangsseitigen Referenzspannung verglichen. Mit der Differenz aus dem dem analogen Referenzsignal adäquaten Empfangssignal und der empfangsseitigen Referenzspannung wird die Verstärkung eines Empfangsverstärkers eingestellt. Dabei unterliegen die Quellen der empfangsseitigen Referenzspannung und des senderseitigen Referenzsignals unterschiedlichen Umgebungseinflüssen. Infolge der Unabhängigkeit der empfangsseitigen Referenzspannung vom senderseitigen Referenzsignal wird zwar der Nullpunkt des Meßwerts korrigiert, jedoch sind dabei Verfälschungen des Endwertes unvermeidbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur galvanisch getrennten Übertragung pulsweitenmodulierter Signale in der analogen elektronischen Meßtechnik über Optokoppler anzugeben, das mit einem einzigen Optokoppler pro galvanischer Trennung auskommt und trotzdem Übertragungsfehler durch Drift vermeidet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 genannten Schritte gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 und 3 bezeichnet.

Das Wesen der Erfindung besteht in der Erkenntnis, daß der durch die Zeitunsicherheit der Übertragungsstrecke hervorgerufene Fehler bei der Rekonstruktion des Analogsignals nur dann dann vollständig eliminiert werden kann, wenn die Unsicherheit der Ein- und Ausschaltzeiten infolge der Drift der Optokoppler durch sich selbst kompensiert wird. Die Kompensation erfolgt dabei in idealer Weise durch sich selbst, indem zwei aufeinanderfolgende Perioden des pulsweitenmodulierten Signals empfangsseitig mit entgegengesetztem Vorzeichen bewertet werden, wobei die jeweils erste Periode die Signalinformation trägt, während die jeweils zweite, darauffolgende Periode signalfrei übertragen wird. Dadurch wird erreicht, daß sich nach zwei aufeinanderfolgende Perioden die Ein- und Ausschaltzeiten t_r und t_f der Optokoppler vollständig eliminieren, da die den Fehler hervorrufenden Ein- und Ausschaltzeiten t_r und t_f des Optokopplers in der Signalübertragungsperiode in der darauffolgenden Kompensationsperiode durch Subtraktion der Ein- und Ausschaltzeiten t_r und t_f desselben Optokopplers kompensiert werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Pulsweitenmodulator 1 so einzustellen, daß beim Nullpunkt des analogen Signals u₁ ein pulsweitenmoduliertes Sendesignal u₂ ausgegeben wird, dessen Pulsweite t_K mindestens gleich der maximalen Anstiegszeit t_r des Ausgangssignals des Optokopplers 1, das heißt, des pulsweitenmoduliertes Empfangssignal u₃, bei eingangsseitigem sprungförmigen Signalanstieg des pulsweitenmodulierte Sendesignals u₂ ist. Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß beliebig kleine zu übertragende analoge Größen u₁ fehlerfrei, inbesondere nullpunktfehlerfrei, übertragbar sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der Fototransistor des Optokopplers 1 in einer Kaskodeschaltung betrieben wird. Dadurch werden Speicherzeiten in dem Fototransistor vermieden und damit in vorteilhafter Weise die obere Schaltfrequenz erhöht.

Die Erfindung wird nachstehend an hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Pulsweitenmodulation zur Übertragung von Analogsignalen über galvanisch getrennte Strecken

Fig. 2 Signalverläufe der Pulsweitenmodulation, wobei im einzelnen

a) Pulsweitensignal mit Kompensationsperiode;
b) alternierendes Vorzeichen;
c) resultierendes Signal vor Demodulation (Tiefpaßfilterung)

Eine einfache Möglichkeit analoge Signale galvanisch getrennt zu übertragen, ist der Weg über Pulsweitenmodulation. Der prinzipielle Aufbau einer solchen Übertragungsstrecke ist in Fig. 1 gezeigt.

Die zu übertragende analoge Größe u₁ wird mit Hilfe des Pulsweitenmodulators 1 in ein pulsweitenmoduliertes Sendesignal u₂, dessen Pulsweite t_H proportional zur zu übertragenden analogen Größe u₁ ist, umgewandelt. Die Übertragungsfunktion ist dabei:

wobei:
U_ref: Referenzspannung
T_PWM: Periodendauer des Pulsweitenmodulators

Das pulsweitenmodulierte Sendesignal u₂ wird über den Optokoppler 2, der die galvanische Trennung zwischen dem Sendestromkreis und dem Empfangsstromkreis darstellt, übertragen. Am Ausgang des Optokopplers 2 ist das pulsweitenmodulierte Empfangssignal u₃ abgreifbar.

Die nichtidealen Eigenschaften der durch den Optokoppler 2 gebildeten Übertragungsstrecke verschleifen das vom Pulsweitenmodulator 1 kommende pulsweitenmodulierte Sendesignal u₂, was durch die verminderte Flankensteilheit des zugehörigen Signalverlaufs in der Fig. 1 symbolisiert ist. Die Verschleifungen wirken sich über die Veränderung der Dauer und Steilheit der Anstiegs- und Abfallflanken derart negativ auf die Übertragungsqualität aus, daß die Proportionalität zwischen der zu übertragenden analogen Größe u₁ und dem zurückzugewinnenden Signal u₄ nichtlinear verzerrt ist. Dies macht sich in einer Zeitunsicherheit Δt bemerkbar.

Das zurückzugewinnende Signal u₄ ergibt sich dabei zu:

Zur Eliminierung der Zeitunsicherheit Δt ist vorgesehen, zwei aufeinanderfolgende Perioden des pulsweitenmodulierten Sendesignals u₂ empfangsseitig mit entgegengesetztem Vorzeichen zu bewerten, wobei die jeweils erste Periode die Signalinformation der zu übertragenden analogen Größe u₁ trägt, während die jeweils zweite, darauffolgende Periode signalfrei übertragen wird.

Zur Veranschaulichung dieser Verfahrensweise sind in Fig. 2 Signalverläufe der Pulsweitenmodulation dargestellt. Im einzelnen zeigt Fig. 2a den Zeitverlauf von zwei aufeinanderfolgenden Perioden, wobei jeweils der mit durchgezogener Linie dargestellte Zeitverlauf das pulsweitenmodulierte Sendesignal u₂ und der mit gestrichelter Linie dargestellte Zeitverlauf das pulsweitenmodulierte Empfangssignal u₃ repräsentiert. Die erste, links dargestellte Periode wird im folgenden als Signalperiode SP und die zweite, rechts dargestellte Periode als Kompensationsperiode KP bezeichnet.

Die Pulszeit des pulsweitenmodulierten Sendesignals u₂ setzt sich während jeder Signalperiode SP aus der Zeitdauer t_H, die proportional zu der zu übertragende analoge Größe u₁ ist, und einer vorgebbaren Kompensationspulszeit t_K zusammen. Die Pulszeit jeder Kompensationsperiode KP des pulsweitenmodulierte Sendesignals u₂ ist genau gleich der vorgebbaren Kompensationspulszeit t_K. Die Pulse der Signalperiode SP und der Kompensationsperiode KP werden bei der Übertragung in exakt identischer Weise durch die Einschaltzeit t_r und die Ausschaltzeit t_f des Optokopplers 1 verzerrt.

Nach der fallenden Flanke jedes Pulses des pulsweitenmodulierten Empfangssignals u₃, gestrichelt dargestellter Zeitverlauf in Fig. 2a, wird das Bewertungsvorzeichen für den folgenden Puls gemäß Fig. 2b gewechselt.

In Fig. 2c ist der vorzeichenbewertete Zeitverlauf des pulsweitenmodulierten Empfangssignals u₃ dargestellt. Bei anschließender Demodulation mit einem als Tiefpaß ausgeführten Demodulators 3 werden genau die verzerrten Signalanteile des pulsweitenmodulierten Empfangssignals u₃ eliminiert.

Diesen Effekt macht auch nachfolgende Gleichung deutlich.

Im Effekt wird empfangsseitig als zurückzugewinnendes Signal u₄ genau ein proportionales Abbild der sendeseitig zu übertragenden analogen Größe u₁ regeneriert.

Bezugszeichenliste

u₁

;zu übertragende analoge Größe
u₂

;pulsweitenmoduliertes Sendesignal
u₃

;pulsweitenmoduliertes Empfangssignal
u₄

;zurückzugewinnendes Signal
t_H

Pulsweite
ΔtZeitunsicherheit
t_r

;Einschaltzeit
t_f

;Ausschaltzeit

1

Pulsweitenmodulator

2

Optokoppler

3

Demodulator
SPSignalperiode
KPKompensationsperiode

Claims

1. Verfahren zur Übertragung von pulsweitenmodulierten Analogsignalen über galvanisch getrennte, nichtlineare Übertragungsstrecken mittels Optokoppler, bei dem analoge Signale sendeseitig mittels eines Pulsweitenmodulators in pulsweitenmodulierte Signale konstanter Periode, deren Pulsweite sich proportional zum analogen Sendesignal verhält, umgesetzt und empfangsseitig aus dem pulsweitenmodulierten Signal regeneriert werden, dadurch gekennzeichnet,

1. daß aufeinanderfolgend zwei unterschiedliche pulsweitenmodulierte Signalperioden (SP, KP) übertragen werden, wobei in der ersten Signalperiode (SP) die Signalinformation (U1) und in der zweiten Signalperiode (KP) das Signal Null (U1 = 0) übertragen wird, und
2. daß empfangsseitig zwei aufeinanderfolgende Perioden des pulsweitenmodulierten Signals mit entgegengesetzten Vorzeichen bewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsweitenmodulator so eingestellt wird, daß beim Nullpunkt des analogen Signals ein pulsweitenmoduliertes Signal ausgegeben wird, dessen Pulsweite mindestens gleich der maximalen Anstiegszeit (t_r) des Ausgangssignals des Optokopplers bei eingangsseitigem sprungförmigen Signalanstieg ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Fototransistor des Optokopplers in einer Kaskodeschaltung betrieben wird.