СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ШИРОКОПОЛОСНОЙ СВЯЗИ С ВЫСОКИМ УРОВНЕМ (ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ) РАЗВЯЗКИ
METHOD AND DEVICE FOR BROADBAND HIGH ISOLATION COUPLING

Изобретение относится к устройству и способу широкополосной связи с высоким уровнем (гальванической) развязки.
Для гальванически развязанных измерительных сигналов хорошо подходят разделительные трансформаторы. Таким образом, возможность преобразования длительного (постоянного) тока с помощью трансформаторов отсутствует. Если трансформаторы с обеих сторон подключены к резисторам и имеют сердечник с большой магнитной проницаемостью, то отношение верхней предельной частоты к нижней предельной частоте может достигать 500. Этот коэффициент может быть еще более увеличен.
Для передачи полного гальванически развязанного сигнала необходимо выделить постоянную токовую составляющую входного сигнала. Передача этой постоянной токовой составляющей сигнала может быть осуществлена, например, с помощью оптронов. Ширина полосы пропускания, которая может быть достигнута с помощью этого устройства, ограничена шириной полосы пропускания фотоэлемента и трансформатора. Например, если ширина полосы пропускания фотоэлемента достигает 500 кГц, а трансформатор имеет относительную ширину полосы пропускания 500:1, максимальная ширина полосы пропускания устройства может составлять 500×500 кГц = 250 МГц. Однако это теоретическое вычисление выглядит очень оптимистично. В действительности, могут быть получены гораздо меньшие ширины полосы пропускания устройства. Кроме того, устройство, в котором использованы фотоэлементы и трансформаторы, подвержено погрешностям смещения. Также использование таких устройств обеспечивает получение исключительно низкого отношения сигнал-шум.
Кроме того, из современного уровня техники известен способ модуляции полного входного сигнала прямоугольным сигналом с частотой, равной, по меньшей мере, удвоенной максимальной частотной составляющей входного сигнала. Затем этот модулированный входной сигнал полностью преобразуют с помощью одного трансформатора. Такая конфигурация приведена, например, в патенте США 4608541.
Однако такой элемент гальванической развязки обладает рядом недостатков. Вследствие необходимости модулировать сигнал, частота которого в два раза выше максимальной частотной составляющей, большая часть достижимой ширины полосы пропускания трансформатора остается неиспользованной. Кроме того, при значительном использовании теоретической ширины полосы пропускания трансформатора производственный допуск может служить значимым фактором достижимой точности и отношения сигнал-шум.
Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в создании элемента гальванической развязки и способа передачи сигнала, имеющих высокое отношение сигнал-шум и низкую степень сложности.
Для решения поставленной задачи могут быть использованы признаки по п. 1 формулы изобретения для элемента развязки и признаки по п. 9 для способа. Зависимые пункты формулы изобретения относятся к дальнейшим разработкам.
Для достижения максимальной ширины полосы пропускания трансформаторов высокочастотный парциальный сигнал преобразуют посредством разделительного трансформатора, имеющего широкие абсолютную и относительную полосы пропускания. Низкочастотный парциальный сигнал может модулируют с помощью прямоугольного сигнала. Преобразование высокочастотного и низкочастотного парциальных сигналов выполняют с помощью двух различных разделительных трансформаторов. Поэтому значение частоты модуляции может быть выбрано значительно меньшим ширины полосы пропускания трансформаторов. Для упрощения фильтрации демодулированного сигнала это значение предпочтительно должно быть выбрано гораздо большим максимальной частоты низкочастотного парциального сигнала.
Предпочтительное частотное разделение входного сигнала и суммирование преобразованных сигналов могут быть получены методом вычитания. Фильтрацию входного сигнала выполняют посредством его пропускания через фильтр нижних частот. Этот парциальный сигнал, прошедший через низкочастотный фильтр, вычитают из входного сигнала. Результирующий парциальный сигнал не содержит никаких составляющих постоянного тока и поэтому может быть передан при непосредственном использовании разделительного трансформатора. Далее парциальный сигнал, прошедший через низкочастотный фильтр, модулируют с помощью модулятора и, таким образом, преобразуют в сигнал с другим частотным диапазоном, который, в свою очередь, преобразуют с помощью второго разделительного трансформатора. Как вариант, модуляция низкочастотного парциального сигнала осуществляют с помощью синусоидального сигнала. Это способствует ограничению ширины полосы пропускания модулируемого сигнала до удвоенной ширины полосы пропускания низкочастотного фильтра. Как правило, при модуляции используют прямоугольный сигнал.
При демодуляции предпочтительно используют синхронный демодуляционный сигнал, идентичный модуляционному сигналу. При использовании прямоугольного сигнала должно быть преобразовано максимальное количество гармоник модуляционного сигнала. При изменении ширины полосы пропускания трансформаторов коэффициент трансформации для преобразованного модулированного сигнала также изменен, поскольку не все гармоники могут участвовать в восстановлении сигнала до прежней величины.
Кроме того, существенным недостатком модуляции (прототипа) является необходимость синхронного выполнения модуляции и демодуляции. Вследствие необходимости фильтрации модуляционных составляющих до сложения высокочастотного и низкочастотного парциальных сигналов частота модуляции должна быть значительно выше частоты среза низкочастотного фильтра. Возникновение при передаче модуляционного сигнала и модулированного сигнала небольших временных задержек составляющей частоты модуляции оказывает отрицательное влияние на коэффициент трансформации. Изменение коэффициента трансформации одной частотной составляющей относительно другой частотной составляющей может привести к более высокой пульсации всего устройства в целом. Так как демодулированный низкочастотный парциальный сигнал имеет высокий уровень шума, низкочастотная фильтрация должна быть выполнена до сложения сигнала с высокочастотным парциальным сигналом. В зависимости от порядка используемого фильтра это может привести к возникновению фазовой погрешности после сложения сигналов. И вновь это может проявиться в виде сильной пульсации устройства при выполнении функции пропускания частот.
Настоящее изобретение позволяет устранить оба указанных выше недостатка. Недостаток, связанный с временной задержкой, компенсируют предпочтительно за счет использования устройства дискретизации и запоминания. Ширина полосы пропускания трансформатора, используемого для преобразования низкочастотного парциального сигнала, значительно превышает частоту модуляции. Поэтому выходной сигнал является практически идеально прямоугольным. Таким образом, для получения оптимальной дискретизации необходимость выполнения дискретизации в середине (по времени) каждого импульса прямоугольного сигнала отсутствует. С другой стороны, устройство дискретизации и запоминания создает дополнительную задержку низкочастотного сигнала по сравнению с высокочастотным парциальным сигналом, полученным за полупериод модуляции. При этом еще более возрастает отрицательный эффект низкочастотного фильтра, удаляющего шум из демодулированного низкочастотного парциального сигнала. Эта задержка может быть преимущественно уменьшена вдвое за счет перемены местами демодулятора и устройства дискретизации и запоминания. В этом случае имеют место две дискретизации за период демодуляции. Далее для демодуляции могут быть использованы ступенчатые сигналы дискретизации и хранения. Тем не менее, временная задержка оказывается уменьшена только до половины первоначальной временной задержки.
Для компенсации этой временной задержки предпочтительно может быть использован второй низкочастотный фильтр, используемый в разностном методе для разделения высокочастотного парциального сигнала и низкочастотного парциального сигнала. Так как частотное разделение может быть главным образом охарактеризовано частотой среза первого низкочастотного фильтра, то суммирование сигналов в области этой частоты среза имеет большое значение для частотных характеристик элемента развязки. Суммирование сигналов с фактическими фазами может быть обеспечено при создании вторым низкочастотным фильтром групповой задержки, сопоставимой с групповой задержкой низкочастотного фильтра шумов и устройства дискретизации и запоминания, используемого после демодуляции.
Вторым низкочастотным фильтром, применяемым при реализации разностного метода, предпочтительно является фильтр того же типа и порядка, что и шумоподавляющий фильтр.
Элемент гальванической развязки согласно изобретению содержит делитель частоты, обеспечивающий возможность разделения входного сигнала на низкочастотный и высокочастотный парциальные сигналы, и первый разделительный трансформатор, обеспечивающий возможность формирования преобразованного высокочастотного парциального сигнала посредством преобразования сигнала, полученного из высокочастотного парциального сигнала. Кроме того он содержит модулятор, обеспечивающий возможность получения модулированного низкочастотного парциального сигнала посредством модуляции низкочастотного парциального сигнала с помощью модуляционного сигнала, и второй разделительный трансформатор, выполненный с возможностью формирования преобразованного низкочастотного парциального сигнала посредством преобразования сигнала, полученного из модулированного низкочастотного парциального сигнала. Таким образом, может быть обеспечена возможность передачи - гальванически развязанного - полного сигнала с широкой полосой пропускания.
Также элемент гальванической развязки предпочтительно содержит демодулятор, обеспечивающий возможность формирования демодулированного низкочастотного парциального сигнала посредством демодуляции преобразованного низкочастотного парциального сигнала с помощью демодуляционного сигнала, и сумматор, обеспечивающий возможность формирования выходного сигнала посредством сложения преобразованного высокочастотного парциального сигнала с сигналом, полученным из демодулированного низкочастотного парциального сигнала. Такая конфигурация позволяет получить высокое отношение сигнал-шум.
Модуляционным сигналом преимущественно служит прямоугольный сигнал, частота которого равна по меньшей мере удвоенному значению максимальной частотной составляющей низкочастотного парциального сигнала. Таким образом, может быть обеспечено преобразование полного низкочастотного парциального сигнала. Как вариант также может быть использован синусоидальный или любой другой периодический сигнал.
Кроме того, элемент гальванической развязки предпочтительно содержит устройство дискретизации и запоминания, выполненное с возможностью формирования дискретизированного низкочастотного парциального сигнала посредством дискретизации и запоминания сигнала, полученного из преобразованного низкочастотного парциального сигнала. Хронометрирование при демодуляции ослабляет ее влияние на точность сигнала.
Элемент гальванической развязки также предпочтительно содержит низкочастотный фильтр для устранения наведенных помех, обеспечивающий возможность формирования отфильтрованного преобразованного низкочастотного парциального сигнала, посредством устранения нежелательных составляющих сигнала, полученного из преобразованного низкочастотного парциального сигнала. Устранение помех, наведенных при демодуляции, способствует повышению отношения сигнал-шум.
Делитель частоты предпочтительно содержит первый низкочастотный фильтр, обеспечивающий возможность получения низкочастотного парциального сигнала посредством фильтрации входного сигнала; второй низкочастотный фильтр, обеспечивающий возможность получения отфильтрованного низкочастотного парциального сигнала посредством фильтрации низкочастотного парциального сигнала; и сумматор, обеспечивающий возможность получения высокочастотного парциального сигнала посредством вычитания отфильтрованного низкочастотного парциального сигнала из входного сигнала. Таким образом, может быть обеспечено эффективное выполнение частотного разделения. Сумматором может служить блок суммирования или вычитающее устройство.
Второй низкочастотный фильтр преимущественно выполнен для компенсации задержки огибающей отфильтрованного преобразованного низкочастотного парциального сигнала относительно преобразованного высокочастотного парциального сигнала. Задержка огибающей может быть обеспечена первым низкочастотным фильтром и устройством дискретизации и запоминания. Таким образом, может быть предотвращено снижение качества сигнала.
Кроме того, элемент гальванической развязки предпочтительно содержит третий разделительный трансформатор для подачи преобразованного модуляционного сигнала на модулятор. Это позволяет предотвратить нежелательную передачу составляющих сигнала через шину модуляционного сигнала.
Также элемент гальванической развязки преимущественно содержит первый усилитель, обеспечивающий возможность усиления высокочастотного парциального сигнала до его преобразования с помощью первого разделительного трансформатора, и/или второй усилитель, обеспечивающий возможность создания преобразованного высокочастотного парциального сигнала после преобразования с помощью первого разделительного трансформатора, и/или третий усилитель, выполненный с возможностью усиления низкочастотного парциального сигнала до преобразования с помощью второго разделительного трансформатора, и/или четвертый усилитель, обеспечивающий возможность создания преобразованного низкочастотного парциального сигнала после преобразования с помощью второго разделительного трансформатора, и/или пятый усилитель, выполненный с возможностью усиления сигнала, из которого может быть получен модуляционный сигнал, и шестой усилитель, обеспечивающий возможность создания модуляционного сигнала. Это обеспечивает возможность передачи сигналов с низким уровнем шума.
Согласно способу гальванической развязки разделяют входной сигнал на низкочастотный и высокочастотный парциальные сигналы; получают преобразованный высокочастотный парциальный сигнал посредством преобразования сигнала, сформированного из высокочастотного парциального сигнала с помощью первого разделительного трансформатора; получают модулированный низкочастотный парциальный сигнал, сформированный посредством модуляции низкочастотного парциального сигнала модуляционным сигналом; и получают преобразованный низкочастотный парциальный сигнал посредством преобразования сигнала, сформированного из модулированного низкочастотного парциального сигнала с помощью второго разделительного трансформатора. Таким образом, обеспечена возможность преобразования - с гальванической развязкой - полного сигнала с широкой полосой пропускания.
Более подробное объяснение примеров осуществления изобретения приведено со ссылкой на чертежи, где:
на фиг. 1 показана блок-схема примера элемента гальванической развязки по изобретению, а
на фиг. 2 показана схема последовательности операций согласно способу по изобретению.
Фиг. 1 иллюстрирует конфигурацию и работу элемента гальванической развязки по настоящему изобретению. Фиг. 2 иллюстрирует последовательность выполнения операций согласно способу по изобретению. Одинаковые элементы и номера позиций на разных чертежах не показаны.
На фиг. 1 показан пример элемента гальванической развязки согласно настоящему изобретению. Элемент содержит делитель частоты 36, соединенный с первым усилителем 30а и модулятором 21. Кроме того, первый усилитель 30а соединен с первым разделительным трансформатором 33, который, в свою очередь, соединен со вторым усилителем 30b. Второй усилитель 30b также соединен с блоком 24 суммирования, который представляет собой сумматор. Модулятор 21 соединен с третьим усилителем 31а, который, в свою очередь, соединен со вторым разделительным трансформатором 34. Он соединен с четвертым усилителем 31b, который подключен к демодулятору 25. Демодулятор 25 соединен с устройством 26 дискретизации и запоминания, которое, в свою очередь, соединено с низкочастотным фильтром для устранения наведенных помех 27. Этот фильтр 27 подключен к блоку суммирования 24. Кроме того, пятый усилитель 32а соединен с модулятором 21. Пятый усилитель 32а также соединен с третьим разделительным трансформатором 35, который, в свою очередь, подключен к шестому усилителю 32b. Кроме того, вход шестого усилителя 32b соединен с демодулятором 25.
Делитель частоты 36 также содержит первый низкочастотный фильтр 20. Кроме того, он содержит второй низкочастотный фильтр 22 и сумматор, в частности блок суммирования 23. Вход первого низкочастотного фильтра 20 соединен со входом блока суммирования 23. Выход первого низкочастотного фильтра 20 соединен со входом второго низкочастотного фильтра 22. Выход второго низкочастотного фильтра 22 соединен с отрицательным входом блока суммирования 23.
Выход блока суммирования 23 соединен с первым усилителем 30а. Выход первого низкочастотного фильтра 20 соединен с модулятором 21.
На элемент гальванической развязки подают входной сигнал 1. Входной сигнал 1 может быть также подведен к первому низкочастотному фильтру 20. Далее входной сигнал фильтруют первым низкочастотным фильтром 20, в результате чего формируют низкочастотный парциальный сигнал 2. При подаче этого сигнала 2 на второй низкочастотный фильтр 22, его фильтруют с возможностью создания отфильтрованного низкочастотного парциального сигнала 3. Далее входной сигнал 1 и отфильтрованный низкочастотный парциальный сигнал 3 подают на блок суммирования 23. Блок суммирования 23 выполнен с возможностью вычитания отфильтрованного низкочастотного парциального сигнала 3 из входного сигнала 1. При этом формируют высокочастотный парциальный сигнал 4.
При подаче сигнала 4 на первый усилитель 30а его усиливают и передают на разделительный трансформатор 33, обеспечивающий возможность выполнения гальванической развязки. Первым разделительным трансформатором выполняют преобразование в отношении 1:1. Как вариант может быть использован другой коэффициент преобразования. Результирующий сигнал подают на второй усилитель 30b, обеспечивающий возможность создания результирующего преобразованного высокочастотного парциального сигнала 5. Далее сигнал 5 подают на блок суммирования 24.
Кроме того, низкочастотный парциальный сигнал 2 подают на модулятор 21. Также демодуляционный сигнал 13 подводят к демодулятору 25 и шестому усилителю 32b. Этот сигнал усиливают усилителем 32b и подают на третий разделительный трансформатор 35. Разделительный трансформатор 35 выполнен с возможностью осуществления гальванической развязки и подачи сигнала на пятый усилитель 32а, обеспечивающий возможность его усиления и создания, таким образом, модуляционного сигнала 6. Третьим разделительным трансформатором выполняют преобразование в отношении 1:1. Как вариант может быть использован другой коэффициент преобразования. Модуляционный сигнал 6 подводят к модулятору 21. С помощью модуляционного сигнала 6 модулятором 21 модулируют низкочастотный парциальный сигнал 2. Так как частота сигнала модуляции 6 значительно выше максимальной частотной составляющей низкочастотного парциального сигнала 2, то потери информации вследствие этой модуляции не происходит.
Таким образом, модулятор выполнен с возможностью создания модулированного низкочастотного парциального сигнала 7 и подачи его на третий усилитель 31а, который обеспечивает возможность усиления сигнала и подведения его ко второму разделительному трансформатору 34. Разделительный трансформатор 34 обеспечивает возможность выполнения гальванической развязки и подачи результирующего сигнала на четвертый усилитель 31b. Вторым разделительным трансформатором выполняют преобразование в отношении 1:1. Как вариант может быть использован другой коэффициент преобразования. Усилитель 31b выполнен с возможностью формирования преобразованного низкочастотного парциального сигнала 8 и подачи его на демодулятор 25. С помощью модуляционного сигнала 13 демодулятором 25 демодулируют преобразованный низкочастотный парциальный сигнал 8. Демодуляционный сигнал 13 в основном идентичен модуляционному сигналу 6. Результирующий демодулированный низкочастотный парциальный сигнал 9 подают на устройство дискретизации и запоминания 26 с возможностью его дальнейшей дискретизации. Далее результирующий дискретизированный низкочастотный парциальный сигнал 10 подводят к фильтру для устранения наведенных помех 27, которым предпочтительно может служить низкочастотный фильтр. Такая фильтрация обеспечивает возможность получения отфильтрованного преобразованного низкочастотного парциального сигнала 11, который суммируют с высокочастотным парциальным сигналом 5 с помощью блока суммирования 24. Результирующим сигналом 12 служит гальванически развязанный выходной сигнал 12, который соответствует входному сигналу 1.
Второй низкочастотный фильтр 22 выполнен для компенсации задержки огибающей отфильтрованного преобразованного низкочастотного парциального сигнала 11 относительно преобразованного высокочастотного парциального сигнала 5. Задержка огибающей вызвана первым низкочастотным фильтром 20 и устройством 26 дискретизации и запоминания. Вторым низкочастотным фильтром 22 предпочтительно служит фильтр того же типа и порядка, что и фильтры 25 для устранения наведенных помех.
Как вариант, демодулятор 25 и устройство дискретизации и запоминания 26 могут быть поменяны местами. Далее выходной сигнал четвертого усилителя 31b подают на устройство дискретизации и запоминания 26. Результирующий сигнал затем подводят к демодулятору 25. Это приводит к уменьшению результирующей задержки огибающей. Третий разделительный трансформатор 35, пятый усилитель 32а и шестой усилитель 32b являются просто дополнительными элементами. Независимые сигналы 6 и 13 подают на модулятор 21 и демодулятор 25. Подача синхронных сигналов может быть также осуществлена любым другим способом, отличным от использования разделительного трансформатора.
Кроме того, разностный метод не обязательно должен быть реализован с использованием в делителе частоты 36 первого низкочастотного фильтра 20 и второго низкочастотного фильтра 22. Возможно использование других способов частотного расщепления.
На фиг. 2 показан пример реализации способа по настоящему изобретению. На первом этапе 40 формируют низкочастотный парциальный сигнал. На втором этапе 41 формируют высокочастотный парциальный сигнал. Низкочастотный и высокочастотный парциальные сигналы созданы на основе входного сигнала. На третьем этапе 42 низкочастотный парциальный сигнал модулируют с помощью модуляционного сигнала. Частота модуляционного сигнала равна, по меньшей мере, двойному значению максимальной частотной составляющей низкочастотного парциального сигнала.
На четвертом этапе 43 выполняют преобразование низкочастотного и высокочастотного парциальных сигналов, например, с помощью разделительных трансформаторов. При выполнении пятого этапа 44 преобразованный низкочастотный парциальный сигнал демодулируют с помощью соответствующего демодуляционного сигнала. При выполнении шестого этапа 45 демодулированный низкочастотный парциальный сигнал восстанавливают, например, с помощью устройства дискретизации и запоминания и/или дополнительного фильтра. На этом этапе компенсируют задержку огибающей низкочастотного парциального сигнала относительно высокочастотного парциального сигнала. И, наконец, при выполнении седьмого этапа 46 обеспечивают возможность суммирования результирующего низкочастотного парциального сигнала и высокочастотного парциального сигнала.
Изобретение не ограничено рассмотренными выше примерами осуществления изобретения. Характерные признаки примеров осуществления могут быть использованы в любом сочетании.