DE3882790T2 - Gefilterte Gleichspannungsquelle. - Google Patents

Description

• Tiefpaßfilter werden oft zum Zurückgewinnen der Gleichstromkomponente eines Signales mit Wechselstrom- und Gleichstromkomponenten verwendet. Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Verbesserungen von Filterverfahren und -vorrichtungen, die für eine solche Rückgewinnung verwendbar sind.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Erfindung für solche Anwendungen besonders brauchbar, bei denen der Wert der Gleichspannung, die zurückgewonnen werden soll, sich entweder abrupt oder langsam über eine Zeitspanne ändern kann und bei denen die Veränderung abgeschätzt werden kann, während sie auftritt. Bei einer besonderen Anwendung der Erfindung ist eine zu erzeugende, sich plötzlich ändernde Gleichspannung mit verminderter Filtereinschwingzeit verfügbar. Dieses Ergebnis ist selbst für solche Fälle gültig, bei denen das Filter eine mehrpolige Variante ist, die normalerweise Einschwingzeiten von mehreren Zeitkonstanten hätte. Mit Hilfe der Erfindung schwingt ein tatsächliches sechspoliges 200 Hz Tiefpaßfilter in nur 40 Millisekunden innerhalb eines ppm-Bereiches (Partes per Millionen) ein. Ohne Hilfe der Erfindung benötigt dasselbe Filter drei Sekunden für denselben Einschwinggrad.
• Man betrachte das folgende Beispiel einer tatsächlichen Anwendung der Erfindung. Eine Art eines Hochauflösungs-Digital-Analogumsetzers (DAC) verwendet einen zweipoligen Schaltmechanismus, der zwischen einer präzisen Bezugsspannung und Masse angeschlossen ist. Der Schalter wird mit einer regelmäßigen Rate umgeschaltet, wobei eine Wellenform mit Wechselstrom- und Gleichstromkomponenten erzeugt wird. Das Verhältnis zwischen den Zeiten einer Verbindung zur Bezugsspannung und zu Masse bestimmt genau die Gleichstromkomponente. Das Ausgangssignal des Schalters wird an ein Filter angelegt, um die unerwünschte Wechselstromkomponente zu entfernen.
• Bei einem solchen DAC werden strenge Anforderungen an das Filter gestellt. Wenn der DAC hochgenau sein soll und ferner eine kurze Einschwingzeit haben soll. Insbesondere das Phänomen der dielektrischen Absorption in den Kondensatoren des Filters kann das Ausgangssignal des Filter s während einer relativ langen Zeitspanne nach einem Wechsel der Ausgangsspannung vom DAC stören. Gemäß der unten beschriebenen Erfindung kann eine solche Störung (und die damit verbundene Zunahme der Einschwingzeit) vermieden werden, indem die Gleichspannung über den Kondensatoren im Filter auf ein Minimum vermindert wird. Dies kann erreicht werden, indem das Filter zwischen dem DAC- Ausgang und einer Spannung, die den DAG-Ausgang annähert, betrieben wird, anstatt zwischen dem DAG-Ausgang und Masse. Die Näherungsspannung kann von einem zweiten weniger genauen Hochgeschwindigkeits-DAC erhalten werden.
• Fig. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Präzisions-DAC, dessen Ausgangsspannung gemäß der Erfindung gefiltert wird.
• In der Zeichnung kann man sehen, daß eine einpolige Zweiwegeumschaltvorrichtung 1 so angeschlossen ist, daß sie zwischen einer genauen Bezugsspannung Vref 2 und Masse 3 hin und her schaltet. Wie durch den Wellenformausschnitt 5 gezeigt, ist das Ausgangssignal 4 des Schalters 1 eine regelmäßige periodische Rechteckwellenform der Periode T. Die Schaltung von Fig. 1 erzeugt eine Gleichspannung Vout 15, die einem Bruchteil von Vref entspricht. Nach Maßgabe der gewünschten Ausgangsgleichspannung 15 bestimmt ein Steuermechanismus (nicht gezeigt) die Länge der Zeit t§< T, in der der Schalter 1 den Ausgang 4 mit Vref 2 verbindet. Während des verbleibenden Zeitanteiles T-t ist der Ausgang 4 mit Masse 3 verbunden. Wenn beispielsweise Vref zehn Volt wäre und eine Spannung Vout von sieben Volt gewünscht wäre, dann wäre das Verhältnis von t zu T sieben zu zehn. Und wenn T 500 ms wäre, dann wäre t 350 Us.
• Der Ausgang 4 des Schalters 1 wird an einen Eingang 16 eines Tiefßfilters 6 angelegt. Das Filter 6 kann als ein Netzwerk mit drei Anschlüssen betrachtet werden: einem Eingangsanschluß 16, einem Ausgangsanschluß 15 und einem weiteren Anschluß 14, der bei einer herkömmlichen Filteranordnung mit Masse verbunden ist. Es ist ersichtlich, daß für die Aufgabe des Filters 6 im vorliegenden Fall der Anschluß 14 nur mit einer Gleichstrommasse verbunden werden muß, um als ein wirksames Filter für den Ausgang 4 des Schalters 1 und die entsprechende Wellenform 5 zu wirken. D.h., der Anschluß 14 des Filters 6 könnte mit jedem gewünschten Gleichstrompotential verbunden werden, solange dieses eine ausreichend niedrige Wechselstromimpedanz aufweist.
• In der Zeichnung ist das Tiefpaßfilter 6 als ein aktives Filter dargestellt. Prinzipiell kann jedes geeignete Filter verwendet werden, selbst ein einfaches RC-Netzwerk mit einem einzigen Pol. In der Praxis legen mehrere Überlegungen die Verwendung eines aktiven Filters nahe: eine verminderte Einschwingzeit; eine erhöhte Dämpfung der Wechselstromkomponente; und eine geringere Notwendigkeit einer niedrigen Wechselstromimpedanz vom Anschluß 14 zu Masse, weil der "aktive" Teil des Filters seine eigene Wechselstrommasse hat.
• Da das als Tiefpaßfilter 6 gezeigte, spezielle aktive Filter 6 lediglich stellvertretend für eines von einer beliebigen Anzahl von Filtern, aktive und nicht aktive, ist, welche als das Filter 6 verwendet werden können, und da der Betrieb dieser speziellen Filteranordnung an sich aus Nachschlagewerken über den Aufbau aktiver Filter bekannt ist, ist es nicht notwendig, sich mit dem internen Betrieb dieses Filters aufzuhalten. Für die gegebenen Zwecke ist es ausreichend, festzuhalten, daß es aus Widerständen 7, 11 und 12, Kondensatoren 8, 9 und 13 und einem Verstärker 10 besteht. Dabei liegen die Schwierigkeiten bei den Kondensatoren und werden offensichtlich, wenn das Filter 6 bei mit Masse verbundenem Anschluß 14 betrieben wird. Dann müssen nämlich die Kondensatoren eine Ladung bis zu einer gewissen Gleichspannung annehmen, und sie zeigen dann das Phänomen der dielektrischen Absorption.
• Das Phänomen der dielektrischen Absorption wird oft als ein Serien-RC-Netzwerk parallel zur Hauptkapazität der betrachteten Kondensatoren modelliert; siehe die Einfügung in der Zeichnung. Entsprechend diesem Modell tritt die dielektrische Absorption für einen Kondensator, wie Kondensator 9 (der in der Einfügung durch Kondensator 9a dargestellt ist), so auf, als ob ein sehr großer Widerstand 9b (dessen Wert typischerweise 10&sup9;Ohm oder größer ist) in Reihe mit einem Kondensator 9c (dessen Wert typischerweise ein geringer Prozentsatz des Kondensators 9a ist) geschaltet wäre. Wenn der Kondensator 9a während einer ausreichend langen Zeit auf eine Gleichspannung geladen wird, wird auch der Kondensator 9c geladen. Wenn der Kondensator 9a auf eine andere Spannung geladen wird, gibt der Kondensator 9c Ladung durch Laden des Kondensators 9a zurück. Dieser Effekt kann sehr ausgeprägt sein, wenn der Kondensator 9 in einer hochohmigen Schaltung angeordnet ist. Bei der vorliegenden Anwendung (d. h., einer Kapazität in einem Filter) manifestiert sich das Phänomen der dielektrischen Absorption in einer Zunahme der Einschwingzeit des Filters. Dies ist besonders unerwünscht in einem Filter, das das Ausgangssignal eines hochgenauen DAC empfängt, weil es die Aufprägung einer längeren als sonst nötigen Verzögerung bedeutet, bevor eine neue Spannung vom DAC genutzt werden kann.
• Eine Lösung des Problems der dielektrischen Absorptions ist, Kondensatoren zu verwenden, die eine sehr geringe dielektrische Absorption aufweisen. Solche Teile sind jedoch teuer, erfordern vermutlich eine Prüfung, um ihre Eigenschaften zu verifizieren, und haben trotzdem immer noch eine minimale dielektrische Absorption. Eine bessere Lösung ist, die Schaltung des Filters so anzubringen, daß von vorneherein eine geringe oder keine dielektrische Absorption auftritt, unabhängig von den verwendeten Teilen. Dies kann erreicht werden, indem gewährleistet wird, daß es niemals eine Gleichstromkomponente (oder wenigstens nur eine sehr geringe) über den Kondensatoren im Filter gibt.
• Deshalb ist der Anschluß 14 des Filters 6 nicht mit Masse verbunden, sondern mit einer Spannung Vapprox, die immer die Ausgangsspannung Vout annähert. Vapprox wird von einem zweiten DAC 17 erhalten, der ein herkömmlicher DAC ist. Der Mechanismus, der den genauen DAC-Schalter 1 und das Filter 6 programmiert und steuert, programmiert und steuert auch den zweiten DAC, der Vapprox vorsieht. Bei einer anderen Anwendung kann erwünscht sein, eine andere Vorrichtung zum Erzeugen von Vapprox zu verwenden, beispielsweise einen Verstärker mit Verstärkungsfaktor 1, dessen Eingang von der Eingangsspannung abgeleitet wird, die an den Eingangsanschluß 16 des Filters 6 angelegt wird.
• Vapprox muß nicht sehr genau sein und muß nicht einmal eine besonders große Stabilität aufweisen. Zunächst ist die Spannung, die den "Kondensator" 9c (und durch Erweiterung irgendeinen der anderen Kondensatoren im Filter) lädt, nur die Differenz (der Fehler) zwischen dem Ausgang des zweiten DAC (Vapprox) und Vout. Diese Differenz kann leicht zu einem kleinen Bruchteil von Vout gemacht werden. Die Ladung am "Kondensator" 9c, welche die neue Ladung an der Hauptkapazität 9a stören kann, ist also nur ein Bruchteil von dem, was sie wäre, wenn die volle Gleichspannung von Vout anliegen würde. Die Wirkung ist dieselbe, als ob die tatsächliche Größe der dielektrischen Absorption im Kondensator um das Verhältnis von Vout zur Fehlerspannung zwischen den beiden DACs vermindert würde. Ferner beeinflußt die Stabilität der am Anschluß 14 des Filters 6 vom zweiten DAC angelegten Spannung Vout nicht, solange das Filter nicht irgendein dv/dt überschreitet.
• Die Verhinderung der dielektrischen Absorption ist ein Grund, warum das Filter 6 eine verminderte Einschwingzeit aufweist. Ein anderer Grund ergibt sich aus dem weitgehenden Fehlen der Gleichspannung über den Kondensatoren im Filter: wenn es eine Veränderung der am Anschluß 16 rückzugewinnenden Gleichspannung gibt, müssen sich die verschiedenen Kondensatoren im Filter 6 nicht auf die Gesamtheit dieses Wertes laden oder entladen. Die Kondensatoren müssen nur auf den Wert der Differenz (Verror) zwischen den Spannungen an den Anschlüssen 16 und 14 nachgeladen werden. Da diese Differenz relativ zu Vout sehr klein gemacht werden kann, kann es sein, daß das Einschwingen auf ein ppm von Vout lediglich das Einschwingen auf ein Prozent oder ein Zehntel von einem Prozent von Verror notwendig ist. Dadurch ist eine geringere Anzahl von Zeitkonstanten notwendig, um den gewünschten Grad des Einschwingens zu erreichen.

Claims (8)

1. Gefilterte Gleichspannungsquelle mit einem Tiefpass-Filter (6) mit einem Eingangsanschluß (16), an dem eine Eingangspannung mit einer Wechselstrom-Komponente und einer Gleichstrom-Komponente anliegt, einem Ausgangsanschluß (15), bei dem die Gleichstrom-Komponente abgegriffen wird, und einem Wechselstrom-Masseanschluß (14), gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (17) zum Erzeugen eines die Gleichstrom-Komponente der an den Eingangsanschluß (16) angelegten Eingangsspannung annähernden Signales, wobei diese Gleichstrom-Komponenten-Annäherungsvorrichtung (17) mit dem Wechselstrom-Masseanschluß (14) des Filters (6) verbunden ist.

2. Gefilterte Gleichspannungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstrom-Komponenten- Annäherungsvorrichtung einen Digital -Analogumsetzer aufweist.

3. Gefilterte Gleichstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstrom-Komponenten- Annäherungsvorrichtung einen Verstärker mit Verstärkung Eins aufweist, wobei ein Eingang-des Verstärkers mit einer Vorrichtung zum Erzeugen der Eingangsspannung mit der Wechselstrom-Komponente und der Gleichstrom-Komponente verbunden ist.

4. Gefilterte Gleichspannungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaß-Filter einen aktives Filter ist.

5. Gefilterte Gleichspannungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle selbst einen Digital-Analogumsetzer bildet und daß ferner eine Spannungs-Steuervorrichtung vorgesehen ist, die mit dem oder jedem Digital-Analogumsetzer zum Steuern der durch den oder die Digital-Analogumsetzer erzeugten Spannung verbunden ist.

6. Digital-Analogumsetzer mit einer Schaltvorrichtung (1, 2, 3) zum Erzeugen einer Wellenform, die sowohl Gleichstromals auch Wechselstrom-Komponenten aufweist, und einem Tiefpass-Filter (6) mit einem Eingangsanschluß (16), der zum Empfangen der von der Schaltvorrichtung erzeugten Wellenform angeschlossen ist, einem Wechselstrom- Masseanschluß (14) und einem Ausgangsanschluß (15), an dem abhängig von der am Eingangsanschluß anliegenden Gleichstrom-Komponente ein Signal erzeugt wird, gekennzeichnet durch eine Spannungs-Annäherungsvorrichtung (17) zum Erzeugen einer Spannung, die die Gleichstrom- Komponente in der durch die Schaltvorrichtung erzeugten Wellenform annähert, wobei die Spannungs- Näherungsvorrichtung (17) mit dem Wechselstrom- Massenanschluß (14) des Filters (6) verbunden ist.

7. Digital-Analogumsetzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs-Näherungsvorrichtung (17) einen Digital-Analogumsetzer aufweist.

8. Verfahren zum Vermindern der dielektrischen Absorption in den Kondensatoren eines Filters (6), der einen Eingangsanschluß (16), einen Ausgangsanschluß (15) und einem Wechselstrom-Masseanschluß (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingangsanschluß (16) des Filters ein Eingangssignal (4) mit einer Wechselstrom-Komponente und einer Gleichstrom-Komponente angelegt wird, die Gleichstrom-Komponente des Eingangssignals mit einer Spannungsquelle (17) angenähert wird und die die -Gleichstrom-Komponente annähernde Spannung an den Wechselstrom-Masseanschluß des Filters angelegt wird.