DE3029517C2

DE3029517C2 - Schaltungsanordnung zum Übertragen von Analogsignalen

Info

Publication number: DE3029517C2
Application number: DE19803029517
Authority: DE
Inventors: Siegfried Ing.(grad.) 6744 Kandel Block; Egbert Ing.(grad.) 6729 Wörth Ruschitzka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-08-04
Filing date: 1980-08-04
Publication date: 1985-06-27
Also published as: DE3029517A1

Description

JHi Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Übertragen von Analogsignalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Anordnungen zum Erfassen von analogen Meßwerten Ist häufig verlangt, daß die Meßstellen untereinander und von einer Zentralen galvanisch getrennt sind. Man führt deshalb die Signale von den Meßstellen über sogenannte Trennverstärker. Hierzu kann man in der Meßstelle einen Spannungs-Frequenz-Umformer oder einen

Λ5 Analog-Digital-Umsetzer oder einen Modulator vorsehen und die Meßwerte über einen Übertrager übertragen. Häufig Ist es aber aus Kosten- oder Platzgründen nicht möglich, einen Spannungs-Frequenz-Umformer, einen Analog-Digital-Umsetzer oder einen Modulator In der Meßstelle unterzubringen. Aus der Firmendruckschrift von Burr-Brown »Opto-IC-Trennverstärker mit Gleichspannungskopplung« ist es bekannt, als Trennverstärker Opto-Koppler vorzusehen, die auf der Pr'.märselte ein analoges Signal in eine der Amplitude des Signals proportionale Lichtintensität umsetzen. Diese wird nach Übertragung durch ein optisches Medium auf der Ausgangsseite wieder In ein analoges Strom- oder Spannungssignal rückgeformt. Eine solche Übertragung von Analogsignalen hat den Nachteil, daß die Übertragungscharakteristik stark temperaturabhängig Ist und auch eine Langzeitdrift auftritt. Die schlechten Übertragungseigenschaften von Opto-Kopplern für Analogsignale kann man, wie z. B. aus der DE-OS 23 03 585 und DE-OS 29 03 327 bekannt, durch Digitalisieren der Analogsignale auf der Eingangsseite umgehen, d. h.. das Analogsignal wird auf der Eingangsseite durch Pulsbreiten- oder Frequenzmodulation in ein Digitalsignal umgesetzt und In digitalisierter Form über den Opto-Koppler potentialfrei übertragen. Auf der potentialgebundenen Empfängerseite wird das Digitalsignal von einer Demodulatorschaltung in ein Analogsignal rückgeformt. Diese Art der Übertragung ist sehr bauteile- und kostenaufwendig; außerdem wird die Signalbandbreite durch die Modulationsfrequenz eingeschränkt.

5n Es werden Opto-Koppler mit direkter Modulation der Lichtstärke angeboten, bei denen Linearltäts- und Driftfehler dadurch reduziert werden, daß man speziell ausgesuchte und gepaarte Opto-Koppler in einer Differenzkonfiguration, ähnlich einer Differenz-Verstärkerschaltung, betreibt. Dabei werden als Fehler nur noch Differenzen zwischen den beiden Opto-Kopplern wirksam. Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß ausgesuchte Opto-Koppler verwendet werden müssen.

Ein Verfahren, mit dem bei Registrierung die Genauigkeit analoger Meßvorgänge gesteuert wird, ist in der DE-AS 24 37 438 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird zur Reduzierung der Fehler, die bei der analogen Ein- und Ausgabe von Meßdaten im Zusammenhang mit der Signalerzeugung und -aufbereitung stehen, vor jeder Messung eine Kalibrierung vorgenommen, indem am Eingang der analogen Meßkette nacheinander mindestens zwei genau bekannte Kalibrierwerte angelegt, über die Meßkette einem Digitalsystem zugeführt und dort in

6u digitaler Form gespeichert werden. Die gespeicherten Werte stehen beliebig lange zur Verfügung. Sie bieten eine genaue Kennzeichnung der Übertragungseigenschaften der analogen Meßkette und damit eine eindeutige Zuordnung definierter physikalischer Werte zu den beim Meßvorgang gespeicherten Digitalzahlen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Übertragen von Analogsignalen zu schaffen, die eine Korrektur von Linearitätsfehlcrn der Übertragungsstrecke gestattet und mit

ft? der die Analogsignale potentialfrei übertragen werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Es werden damit die Vorteile der direkten Übertragung von Analogsignalen ohne Modulation bei vollständiger galvanischer Trennung von Ein- und Ausgang der Übertragungsstrecke erzielt.

Der nichtlineare Zusammenhang zwischen dem Eingangssignal U₁. und dem Ausgangssignal U,.' der elektrooptischen Übertragungsstrecke kann mit einer Potenzreihe

U_r = O₀ + a\ Ui + a₂Up ...O_n., UJ"-¹

dargestellt werden. Da die Referenzsignalquelle « verschiedene Referenzspannungen U_tl . .. l'_rn liefert und die jeweilige Ausgangsspannung U_rl... iJ',„ der Übertragungsstrecke gemessen werden können, können η Gleichungen gebildet werden, aus denen die Koeffizienten ao, a,, ... a„_, errechnet werden. Diese Koeffizienten werden gespeichert. Aus dem Ausgangsslgnal der elektrooptischen Übertragungsstrecke, die nach Anlegen eines unbekannten Eingangssignals auftritt, wird mittels der Rechen- und Speicherschaltung mit den gespeicherten Koeffi- iu zienten nach der genannten Potenzreihe ein dem Eingangssignal i/, angenäherter Wert U₁. errechnet und dieser als Ausgangssignal abgegeben. Damit werden zumindest die Temperatur- und Langzeitfehler aller innerhalb der Kompensationsschleife liegenden Bauelemente, also die der Übertragungsstrecke sowie eines gegebenenfalls zwischen dieser und der Rechen- und Speicherschaltung liegenden Analog-Digital-Umsetzers kompensiert. Im allgemeinen wird schon mit zwei Koeffizienten eine ausreichende Fehlerkompensation erreicht. In diesem Fall is sind zwei Referenzspannungen erforderlich, die z. B. bei 0% und 75% des Meßbereiches liegen. Der berechnete Näherungswert für das Eingangssignal beträgt dann

T, _ UrI U'a - Ur₁ If rl , UrI - U,l ,,,

V_n - Va ΙΤλ - U¹ _r2

Ist die Referenzspannung U_r2 = 0, so vereinfacht sich die Rechnung zu

V_n - U'r2

Anstelle der Korrektur für den gesamten Wertebereich der Eingangssignale kann man auch so vorgehen, daß der gesamte Wertbereich in mehrere Bereiche unterteilt wird und für jeden Teilbereich zwei Referenzspannungen vorgesehen sind und jeweils eine gesonderte Korrektur vorgenommen wird. In jedem Falle wird man den x> Aussteuerbereich der elektrooptischen Übertragungsstrecke möglichst klein wählen.

Anhand der Zeichnung, die das Schaltbild eines Ausführungsbeisplels der Erfindung zeigt, werden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert.

Mit MSl, MS2 sind zwei von mehreren übereinstimmend aufgebauten Meßstellen bezeichnet. Die Meßstelle MSl enthält einen Meßwertgeber MWG, der eine Ausgangsspannung U₁. abgibt. Diese wird über einen Schalter 51 und einem Summlerwidersiand Λ1 dem invertierenden Eingang eines Verstärkers l'l zugeführt, an den der Eingang eines Opto-Kopplers OKI angeschlossen ist. Dieser besteht aus einer Lumineszenzdiode LED. die Im Gegenkopplungszweig des Verstärkers l'l liegt, einer optischen Übertragungsstrecke und einem Fototransistor Fi. dessen Kollektor an eine Versorgungsspannung U_b2 angeschlossen ist. Sein Ausgangssignal wird \όπ einem Verstärker V2 verstärkt und gelangt über einen Schalter 510 auf eine Sammelleitung, die zu einer Rechen- und Speicherschaltung Λ5 führt. Das Ausgangssignal der Meßstelle Λ/52 kann über einen Schalter 520 auf diese Sammelleitung geschaltet werden. Die in der Rechen- und Speicherschaltung RS eingehenden Analogsignale werden von einem Analog-Digital-Umsetzer ADN verschlüsselt. In weiter unten beschriebener Welse verarbeitet und als Ausgangsslgnal U_a abgegeben. Die Meßstelle MSl wird von einem Oszillator 05 über einen Trenntransformator TR mit Wechselspannung versorgt, aus der ein Gleichrichter GL eine Speisespannung i/_M bildet, mit der die in der Meßstelle enthaltenen Bauteile versorgt werden.

Die Meßstellen des Ausführungsbeispiels enthalten zwei Referenzspannungsquellen RQl. RQ2, von denen die Spannungsqueiie RQ2 stets über einen Summlerwiderstand R2, mit dem der Arbeitspunkl der Lumineszenzdiode LED eingestellt wird, auf den invertierenden Eingang des Verstärkers 11 geschaltet Ist. Der Widerstand /<1 bestimmt die Aussteuerung der Lumineszenzdiode LED. In einer dem Meßvorgang vorgeschalteten Korrek- so turphase werden die beiden Referenzspannungsquellen über Schalter 52, 53 nacheinander auf den Eingang des Verstärkers Kl geschaltet, wobei der Schalter 51 geöffnet und der Schalter 510 geschlossen ist. Hierzu werden von der Rechen- und Speicherschaltung RS nacheinander Schalter 511, 512 geschlossen, so daß Lumineszenzdioden von Opto-Kopplern OKI. OKi angeregt werden, an deren Ausgang eine Steuerschaltung 57" angeschlossen Ist, die im wesentlichen die Ausgangssignale der Opto-Koppler verstärkt auf die Steuereingänge der Schalter 52, 53 schaltet und ein ODER-Glied enthält, welches den Schalter 51 öffnet, wenn von einem der beiden Opto-Koppler OK2, OK3 ein Signal erhalten wird. Die Korrekturphasen werden In der geforderten Meßgenauigkeit angepaßten Zeitabständen wiederholt.

Die Werte der Referenzspannungen werden in der Rechen- und Speicherschaltung RS gespeichert. Ferner werden die beim Anlegen der Referenzspannungen an den Verstärker Kl von der Rechen- und Speicherschal- 6u tung erhaltenen Analogwerte verschlüsselt und gespeichert und daraus Korrekturwerte

οι = — und ο,) = —

U'a - U',2 U¹A - U'_r2

gebildet. Danach werden die Schalter 52 und 53 geöffnet und der Schalter 51 geschlossen. Aus dem dann erhaltenen Mcßsignal W₁. bildei die Rechen- und Speicherschaltung ein korrigiertes Meßsignal D₁ = ci₀ + a, W₁.. In entsnrechender Weise werden die von den anderen Meßstellen erhaltenen Meßsignale korrigiert.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht, Opto-Koppler üblicher Qualität einzusetzen und dennoch Meßgenauigkeiten von ca. 1% zu erreichen. Insbesondere dann, wenn die Widerstände Al, Ä2 so gewählt sind, daß die Aussteuerung der Lumineszenzdiode LED möglichst klein wird. Die Meßstellen sind voneinander und von der Rechen- und Speicherschaltung RS galvanisch getrennt. Die verwendeten Schalter können mit elektronischen Bauteilen aufgebaut sein und sind dann verschleißfrei. Die Opto-Koppler können handelsüblich mit einer Spannungsfestigkeit von einigen kV sein; die Lichtübertragungsstrecke kann aber auch aus einem Lichtleiter bestehen, so daß die Meßstellen mit Hochspannung führenden Teilen von Hochipannungsanlagen galvanisch verbunden sein können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Übertragen von Analogsignalen, die eingangsseitig eine P.eferenzspannungsquelle enthält, die mindestens zwei Referenzspannungen erzeugt, welche wahlweise anstelle des zu übertragenden Analogsignals auf die Übertragungsstrecke schaltbar sind, und die ausgangsseitig eine Rechen- und Speicherschaltung enthält, welche die beim eingangsseitigen Aufschalten der Referenzspannungen ausgangsseitig abgegebenen Signale als Referenzwerte speichert und beim Aufschalten des eigentlichen analogen Eingangssignals ein Ausgangssignal abgibt, das als ein dem Eingangssignal angenäherter Wert mit Hilfe der gespeicherten Referenzwerte errechnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste opto-elektronische

lu Übertragungsstrecke [OKl) zum potentialfreien übertragen der Analogsignale und In der Gegenrichtung mindestens eine weitere opto-elektronische Übertragungssirecke (OKI, OK3) zur Übertragung von Steuersignalen vorgesehen sind und daß über die letztgenannten Übertragungsstrecke, von der Rechen- und Speicherschaltung (RS) gesteuert, die elngangsseitigen Referenzspannungen zu- und abschaltbar sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die erste opto-elektronisehe Übertragungssirecke (OKI) und die Rechen- und Speicherschaltung (RS) ein Analog-Digital-Umsetzer (ADU) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtemitter (LED) der erster opto-elektronischen Übertragungsstrecke (OKI) an eine Summierschaltung (Rl, Λ2, Kl) angeschlossen ist, der eine Konstantspannung und das Ausgangssignal eines Meßwertgebers (MWG) zugeführt sind.

2"

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere jeweils

einen Meßwertgeber (MWG). eine mindestens zwei Referenzspannungen erzeugende, von der Rechen- und Speicherschaltung (ÄS) gesteuerte Referenzspannungsquelle (RQl, RQl, S2, S3) enthaltende Meßstellen (MSl, MS2) vorhanden sind, deren Ausgänge jeweils über eine opto-elektronische Übertragungsstrecke und einen Schalter (SlO, S20) auf eine mit dem Eingang der Rechen- und Speicherschaltung (RS) verbundene Sammelleitung geführt sind.