DE2855517A1 - Verfahren und einrichtung zur signaluebertragung - Google Patents
Verfahren und einrichtung zur signaluebertragungInfo
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Description
Verfahren und Einrichtung zur Signalübertragung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Signalübertragung,
insbesondere zur üebertragung von Strom- und Spannungs-Messsignalen
durch einen potentialüberbrückenden Uebertragungskanal mit pulsmodulierten elektromagnetischen Wellen,
beispielsweise also Lichtleiter, nach dem Oberbegriff des Anpruchs 1. Zum Gegenstand der Erfindung gehört ferner eine Einrichtung
zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
In der Starkstrommesstechnik besteht seit einiger Zeit das
Bemühen die potentialüberbrückende Funktion der üblichen Stromwandler durch weniger aufwendige Lösungen zu ersetzen.
Dabei soll insbesondere das Problem der Hochspannungsisolation zwischen Primär- und Sekundärseite umgangen werden, das
zu erheblichen Kosten und bei extremen Spannungen (über 400 kV) auch zu grundsätzlichen technischen Schwierigkeiten führt.
Während passive Lösungen, z.B. Faraday-Rotatoren mit optischen üebertragungskanälen oder mit Mikrowellenübertragung
noch nicht zu befriedigenden Ergebnissen geführt haben, versprechen aktive Lösungen mit auf Hochspannung liegenden Modulatoren
und Messwertübertragung durch Lichtleiter (optische Faserleitungen), die zugleich die Potentialtrennung und überbrückung
besorgen, bessere Erfolge.
Da die optische Datenübertragung nur für Daten in binärer Form zuverlässig durchführbar ist, konzentriert sich das
Problem vor allem auf die Schaffung einer geeigneten Umwandlung des analogen Eingangs- oder Messsignals in ein Impulssignal,
das optisch übertragen werden kann und eine zuverlässige Wiedergewinnung auf der Empfangsseite ermöglicht.
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BBC Baden
Für die eigentliche Datenübertragung kommt z.B. pulsförmige
Frequenzmodulation sowie eine Puls.codemodulation«oder dergl.
in Betracht.
Für Verrechnungszwecke wird eine Amplituden-Genauigkeit (incl. Nullpunkt-Stabilität)
von typ. 0,1 bis 0,2% beim Nennstrom verlangt, der Phasenfehler soll typisch ca. 0,15-0,3 Grad nicht überschreiten.
(3ei 50, bzw. 60 Hz bedeutet dies eine Echtzeitmessung und üebertragung
mit ma*, ca. 8fl7 usec Gesamtverzögerung).
Für Schutzzwecke wird das Schwergewicht vor allem auf extreme Dynamik
gelegt (Messbereich bis ca. 1000:1) mit reduzierten Anforderungen an Amplituden- und Phasen-Genauigkeit (ca. ±3-r5%/ca.±l bis ±3 Grad)
Aktive Teile der Schaltungen können grossen Temperaturschwankungen
(-25 bis + 45 Grad oder mehr) und extremen elektromagnetischen Betriebsbedingungen
(Blitzeinschlag, Schalthandlungen, Kurzschluss an der Leitung) ausgesetzt werden. Wartung des Modulators auf Hochspannung
ist sehr schwierig und kaum ohne■Leitungsabschaltung möglich.
Daher wird auch möglichst hohe Zuverlässigkeit des Modulators zu zwingender Bedingung.
Die Anforderungen an die Amplitudengenauigkeit eines Verrechnungsstromwandlers
können mit einer 11 bis 12 bit PCM (Puls Code Modulation) erreicht werden. Auf der Hochspannung wird ein entsprechender
A/D (Analog-Digital Convertor) mit vorgeschaltetem S+H (Scimple and
Hold) verwendet (EPRI). Periodisch wird der Momentanwert des vorverarbeiteten Signals (verstärkt, abgeschwächt, gefiltert usw.) in S+H
gespeichert, nachher wird eine (meist auf dem "successive-approximation"
Prinzip beruhende) A/D Konversion durchgeführt. Die Daten werden dann seriell über die optische Faserleitung dem Empfänger/
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Demodulator übermittelt. Als Vorteil dieses Verfahrens kann die
Unabhängigkeit-einzelner Messungen und daraus resultierende hohe "slew-rate" (Folge-Geschwindigkeit für schnelle Aenderungen des
Eingangssignals) genannt werden.
Unabhängigkeit-einzelner Messungen und daraus resultierende hohe "slew-rate" (Folge-Geschwindigkeit für schnelle Aenderungen des
Eingangssignals) genannt werden.
Dagegen weist das Verfahren einige Nachteile auf. Es ist äusserst schwierig, die erforderliche Phasenechtheit, (kleine Zeitverzögerung)
zu erreichen. Von den verfügbaren 8-17 μsee entfällt schon
ein wesentlicher Teil für "acquisition-time" des S+H's. A/D Konversion
und Datenübermittelung müssen mit extremer bit-Rate erfolgen (erhöhte Anforderungen an den elektrooptischen Uebertragungskanal).
Demodulation muss synchron geschehen, daher übliche "clock-extraction"
auf der Empfängerseite notwendig. Damit beim Einschalten einer stromlosen Leitung (alle Bits gleich Null) die Messung ohne Verzögerung
(settling-time der "clock-extraction") anlaufen kann, muss
ständig ein Synchronisationssignal beigemischt werden, was anderseits zur weiteren Erhöhung der zu übertragenden bit-Rate führt.
ständig ein Synchronisationssignal beigemischt werden, was anderseits zur weiteren Erhöhung der zu übertragenden bit-Rate führt.
Ein Sample-and-Hold stellt im Hold-Mode eine extrem hochohmige Schaltung
dar, die empfindlich auf elektromagnetische Störungen ist. Hochauflösende schnelle A/D Wandler sind zur Zeit nur in Hybrid-Technik
verfügbar, bei der niedrigere Zuverlässigkeit als bei monolitischer Technik zu erwarten ist. (vgl. Military Standardisation Handbook
MIL-HDBK-217B).
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Signalübertragungsverfahrens
und einer entsprechenden Einrichtung, die eine zuverlässige, gegen Störsignale, Uebertragungsausfälle und Drifterscheinungen
sichere Wiedergewinnung eines Eingangssignals ermöglicht. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet
sich durch die im Ansnruch 1, die Einrichtung durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale. Danach wird das Signal in einer
mehrwertigen Pulsmodulation übertragen, z.B. in einer 2-bit DPCM (differential-pulse-code modulation) übertragen, Die Nullstellen
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des Signales in einer 1-bit PCM (pulse-code modulation") übertragen,
der eine übergeordnete Priorität über der -DPCM zugeteilt wird (die
1 bit PCM maskiert das 2 bit DPCM Signal).
Bei der DPCM werden nur Aenderungen des Signals (positiv oder negativ)
übertragen, was zur Reduktion der zu übertragenden bit-Rate führt. Zur Rekonstruktion des Signals beim Empfang muss allerdings
das Diffenz-Signal integriert werden. Es ist ein bekannter Nachteil aller DPCM Systeme,(incl. Delta-Modulation), dass dieser Integrator
auch Störungen und Offset mitintegriert, wodurch eine zeitlieh
unbestimmte(oder sogar zunehmende)Versetzung des Nullpunktes
(bis zur Linearitätsgrenze des Integrators) entstehen kann.
Durch Mitverwenden der übergeordneten 1 bit PCM kann dagegen in jedem
Nullpunktdurchgang des Eingangssignales ein Reset des Digitalintegrators im Empfangsteil durchgeführt werden. Das System wirkt
so selbstkorrigierend, die oben genannten Nachteile der DPCM entfallen. Bei abgeschalteter Leitung wird ständig "Null" Kod übertragen
und der Integrator auf Null gehalten.
Die 3 bit Information kann vorzugsweise in der Form einer Pulsbreiten-Modulation
(z.B. mit binär abgestuften Pulsbreiten für einzelne bits) über eine 1 Kanal Uebertragungsstrecke dem Empfänger übermittelt
werden, (vgl. 0. Lanz: Verfahren und Einrichtung zur Uebertragung
elektrischer Signale. CH Patentschrift 577 734).
Da die Dekodierung der Pulsbreitenmodulation asynchron geschehen kann, kann auch die ganze Messwertübertragung asynchron geschehen.
Dadurch entfällt auch "clock-extraction" im Empfängerteil.
Fig. 1 zeigt das stark vereinfachte Prinzipsignalschaltbild einer möglichen Realisierung des Modulators nach vorliegender Erfindung,
während Fig.2 und 3 Diagramme des Eingangssignals ES, des Folgesignals
FS und des Steuersignals SS sowie des Ausgangssignals AS über der Zeit t wiedergeben.
Nach Fig.l liefert ein Eingangssignalgeber aus Verstärker 2 und Nullstellengeber,
bestehend aus einem Analog-Sperrschalter 21 mit Nullstellengenerator 22 und an eine Signalquelle 1 angeschlossen, das
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Eingangssignal ES und ist über einen Summierwiderstand 3 nit dem Ausgang
8^1 eines Digitalanalogwandlers j3 verbunden. (Für bipolares
Eingangssignal wird 8_ ein bipolarer Digitalanalogwandler). Der Digital-Eingang
8_4_ des D/A 8_ wird mit dem Ausgang SM_ eines ir.ehrstufingen
Vorwärts-Rückwärts-Zählers 9_ verbunden, der den D/A £
steuert.
Komparatoren 6_ und 7. überwachen das Signal-Gleichgewicht am Ausgang
8_1 des D/A Wandlers. Verändert sich das Eingangssignal und überschreitet dabei die Differenz am JJJL die Grenze der toten Zone
von ± b" (typ. | U, | < |LSB|(%z »b. LSB/2) spricht der entsprechende
Komparator an und ermöglicht durch die UND-Verknüpfung in 10 bzw. Jj1 das Zuleiten des nächsten clock-Impulses vom clock-Genera tor _13_
zu dem Vorwärts- bzw. Rückwärts-Zähleingang (SQ1 bzw. 9j2) des Zählers
9_. Die Polarität ist dabei so gewählt, dass durch den Zähl-Vorgang
die Spannungsdifferenz am JJl1 verkleinert wird. (LSB = least
significant bit =geringstwertige Binärzahlstelle.) Kreuzt das Eingangssignal die Null-Linie, fällt das Ausgangssignal
von 2 in das Null-Fenster ± U (typ. |UQ|
< ILSE] des Signals) des
Fenster-Diskriminators (Komparatoren £, 5_, UND-Kreis 4^).Ueber eine
UND-Verknüpfung _12_ wird dann ein clock-Impuls dem Reset-Eingang
des Zählers £ zugeführt, wodurch £ und ö_ auf Null gesetzt werden.
Vorwärts- und Rückwärts-Zählimpulse und der Resetimpuls werden gleichzeitig
auch einem Impulskodierer 14_ (z.B. Pulsbreiten-Modulator) zugeführt.
Der kodierte Ausgang wird mittels eines Senders I^ (im
Beispiel als LED gezeigt), einer Uebertragungsleitung _1£ (z.B. Lichtfaser)
und eines Detektors 1/7 (z.B. Photodetektor) dem Empfänger _18
und dem Dekodierer I1^ zugeführt.
An den Ausgängen von 19_ werden wieder 3 Signale rekonstruiert, die
in gleicher Bedeutung und Zuordnung dem Vorwärts- und Rückwärts-Zähleingang und dem Reset-Eingang (201, 202, 203) des mehrstufigen Vorwärts-Rückwärts-Zählers
2£ zugeführt werden.
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Beide Zähler 9_ und j20_ laufen parallel, am Ausgang 204 von ^2. liegt
dieselbe bit-Kombination vor, wie am D/A Eingang 84.
Für eine Rekonstruktion des Analogsignals von 1 kann 204 dem digitalen
Eingang eines zweiten D/A-Konvertors 205 zugeführt werden.
Für eine praktische Ausführung wird eine kompliziertere Struktur der Logik benötigt. So werden vorzugsweise D-Flip-Flops als Zwischenspeicher
zwischen den Ausgängen von £, T_, £5 und den Eingängen
von _1£, IJL, \2_ eingesetzt, die von einem Mehrphasen clock-Generator
13 gesteuert werden. Eine zusätzliche Logik wird ein Ueberlaufen
beider Zähler beim Ueberschreiten des Signal-Maximalwertes in beiden Richtungen verhindern. Der Pulskodierer 14_ wir-d vorzugsweise
mit dem clock-Generator verknüpft. ·
Da aber diese Zusätze dem bekannten Stand der Technik entsprechen,
wird hier auf eingehendere Diskussion verzichtet. .
Als D/A Konvertoren J3 und 205 können lineare, aber auch kompandierende
D/A verwendet werden (z.B. für Schutzzwecke).
Für eine genaue Uebertragung von Gleichspannungssignalen, bzw. Signalen,
die die Null-Linie selten oder gar nicht' kreuzen, kann aus einem Zeitgeber ein periodisches Resetsignal (z.B. als Ersatz oder
Zusatz zum Ausgang von 4jS) abgeleitet werden, dass eine periodische
Eichung des Nullpunktes erlaubt.
Die maximale slew-rate (Folgegeschwindigkeit) für ein zeitlich varierendes
Signal ist begrenzt durch die clock-Frequenz und die Auflösung (Grosse des LSB). Diese Eigenschaft kann bei richtiger Dimensionierung
zur Unterdrückung von kurzzeitigen Störungen ausgenützt werden.
Ueberschreitet die Steilheit des Signalanstieges die maximale "slewrate"
des Systems (bei Delta-Modulation als "slope-overload" bekannt)
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entsteht (je nach Polarität der Signal-Ableitung) eine kontinuierliche
Sequenz von Vorwärts- (bzw. Rückwärts-) Zählimpulsen, mit je
1 Impuls/clock-Periode. Dies kann an der Empfangsseite·leicht detektiert
werden und als Frühwarnung eines voraussichtlichen Ueberschreitens
des Messbereiches benutzt werden. So kann z.B. bei Mehrkanal-Systemen
mit abgestuften Messbereichen dieses "slope-overload" Signal als Befehl zur Umschaltung auf einen Kanal mit grössereni
Messbereich benutzt werden.
Dieselbe Modul'ationstechnik kann auch für die Signalübertragung von
Spannungssignalen aus kapazitiven Spannungswandlern benutzt werden.
Weist der Messignal-Geber selber eine unerwünschte Temperatürabhängigkeit
auf, kann diese durch Verwendung einer entsprechend temperaturabhängigen Referenzspannung beim Digital/Analog Konvertor 8_
kompensiert werden.
Pig.2, zeigt den Zeitverlauf des Eingangssignals und die Grenzkurven
ES + U. sowie ES - U,, innerhalb deren die neutrale Zone des
durch die Elemente 6 und 7 gebildeten Vergleichers liegt. Nach Unterschreiten von ES - U. sowie nach Ueberschreiten von ES + U
folgt jeweils ein Vorwärts-Zählimpuls als Wert P, bzw. ein Rückwärts-Zählimpuls
als Wert P2 des Steuersignals SS, während bei
einer Lage von FS innerhalb der neutralen Zone beim entsprechenden
clock-Zeitpunkt ein Stillstandsignal P , hier beispielsweise der
Wert Null des Steuersignals SS, eintritt.·Nach Eintritt des Eingangssignals
ES in die durch +u und -U bestimmte Schwellenwertzone folgt ein Zähler-Nullstellsignal in Form des Wertes P von SS,
in Fig.Z beispielsweise zum Zeitpunkt t . Dabei ist eine Pulsbreitenmodulation
des Steuersignals angenommen. Fig.3 zeigt ferner ein Eingangssignal ES ohne Nulldurchgänge, wobei mit Hilfe des in Fig.l
dargestellten Nullstellengenerators bei t eine Zählernullstellung erzwungen wird. Damit verschwindet auch eine angenommene Störabweichung
des Ausgangssignals AS. Anschliessend läuft das Folgesignal und damit das Ausgangssignal wieder in die neutrale Zone beiderseits
ES. In pig.3 ist der Einfachheit halber der Verlauf von ES
ununterbrochen angedeutet. Eine entsprechende Wirkung kann durch ein
Rückstellglied in der ZähLeKsieu^rungH^rijeicht werden.
Claims (12)
- BBC Aktiengesellschaft 157/78 FdBrown, Boveri & Cie.
Baden (Schweiz)PatentansprücheVerfahren zur Signalübertragung, insbesondere zur Uebertragung von Strom- oder Spannungs-Messsignalen durch einen potentialüberbrückenden Uebertragungskanal mit pulsmodulierten elektromagnetischen Wellen, bei dem ein Eingangssignal mit einem diesem nachgeführten Folgesignal verglichen und ein dem Vorzeichen der Differenz zwischen Eingangssignal und Folgesignal entsprechendes Steuersignal übertragen sowie empfangsseitig zur Gewinnung eines dem Eingangssignal entsprechenden Ausgangssignals durch Ansteuerung eines; Integralgliedes verwendet- wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein mehrwertiges Steuersignal (SS) gebildet wird, von dessen Signalwerten jeweils zwei (P,, Pp) den beiden Vorzeichen der Differenz zwischen Eingangssignal (ES) und Folgesignal (FS) sowie ein dritter (P ) dem NichtÜberschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes (U-, ) des Eetrages dieser Differenz (ES - FS) zugeordnet sind, dass die Gewinnung des Ausgangssignals (AS) durch zeitliche Aufwärts- bzw. Abwärtsintegration beim ersten bzw. zweiten Wert (P, bzw. P) bzw. durch Festhalten des vorhandenen Integralwertes beim dritten Wert (P ) des Steuersignals (SS) erfolgt, dass weiterhin in Abhängigkeit vom Auftreten von Nullstellen im Zeitverlauf des Eingangssignals (ES) eine Rückstellung des Folgesignals (FS) auf den Wert Null ausgelöst wird und dass ein entsprechendes Rückstellsignal (P-x) zur Empfangsseite übertragen und hier 2;ur Rückstellung des Ausgangssignals (AS) auf Null verwendet wird. - 2. Verfahren zur Signalübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Eingangssignal (ES) Nullstellen für eine zusätzliche Rückstellung des integralen Folgesignals (FS) aufgeprägt werden.030024/05 5 0EBC Baden I57/78
- 3. Verfahren zur Signalübertragung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens zwei-Werte (P , Pp) des zu übertragenden Steuersignals (SS) unterschiedliche Pulsbreiten verwendet werden.
- H. Verfahren zur Signalübertragung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Uebertragung eines Rückstellsignals (Ρ-,) eine zusätzliche, unterschiedliche Pulsbreite verwendet wird.
- 5. Verfahren zur Signalübertragung nach Anspruch 3 oder H3 dadurch gekennzeichnet, dass für den dem Festhalten des Integralwertes zugeordneten Wert des Steuersignals (SS) die Amplitude Null verwendet wird.
- 6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein eingangsseltig an einen Eingangssignalgeber (2, 21, 22) und an einen Folgesignalgeber (8, 9) angeschlossener Ver- _gleicher (S, 7) mit dreiwertigem Ausgangssignal als Steuersignal (SS) vorgesehen ist, von dessen Signalwerten jeweils zwei (P,, P2) den beiden Vorzeichen der Differenz zwischen Eingangssignal (ES) und Folgesignal (FS) sowie der dritte (P ) dem NichtÜberschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes (U-.) des Betrages dieser Differenz (ES - FS) zugeordnet sind, dass der Folgesignalgeber ein zwischen Auf- und Abwärtsintegration sowie Festhalten seines Ausgangssignals umsteuerbares und mit einer entsprechenden Steuereingangsanordnung (91» 92, 93) mit einer Ausgangsanordnung des Vergleichers (6, 7) in Wirkverbindung stehendes Integralglied (9) aufweist, dass der Eingangssignalgeber an einen Nullstellendetektor {h, 5, 45) mit einem an einen Rückstelleingang (93) des Integralgliedes angeschlossenen Ausgang gekoppelt ist und dass ein mit den030024/0550 ORIG/NAL INSPECTEDBBC Baden 157/7828555Ausgängen des Vergleichers (6, 7) und des Nullstellendetektors (4, 5# 45) in Wirkverbindung stehender Kodierer (14) mit nachgeordnetem Sender (15) sowie Empfänger (17) und Dekodierer (18) reit einem mindestens vierwertigen Uebertragungskanal und ein nachgeordnetes, err.pfangsseifciges Integrierglied (20) vorgesehen ist.
- 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleicher (6, 7) mit einer dem Festhalten des Folgesignalwertes zugeordneten neutralen Zone (+U,, -U,) vorgesehen ist.
- 8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7* dadurch gekennzeichnet, dass als sendeseitiges und/oder empfangsseitiges Integrierglied ein Vorwärts-Rückwärtszähler mit Nullrückstellung vorgesehen ist.
- 9· Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Folgesignalgeber elen ausgangsseitlgen, dem Vcrwärts-Rückwärtszähler nachgeordneten Digital-Analogwandler (8) aufweist.
- 10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9* dadurch gekennzeichnet, dass der Kodierer (14) eingangsseitig mit einer Steuereingangsanordnung des Integriergliedes (9) in Wirkverbindung steht.
- 11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein gesondert ansteuerbarer Nullstellengeber (21, 22) vorgesehen 1st.
- 12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Kodierer bzw. Dekodierer ein Pulsbreitenmodulator bzw. Pulsbreit endefnodulator vorgesehen ist.030024/0 5 50
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