DE69824662T2 - Hochspannungstrennschaltung für einen Messkanal - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft allgemein elektronische Messinstrumente und insbesondere eine Schaltung zum Bereitstellen einer Spannungstrennung eines Messkanals unter Verwendung paralleler Niederfrequenz- und Hochfrequenzsignalpfade.
  • Prüf- und Messausrüstungen, wie z. B. Voltmeter und Oszilloskope, messen Signale in einem breiten Anwendungsbereich. Viele dieser Anwendungen erfordern das gleichzeitige Messen von mehreren Signalen unter Verwendung von Mehrfachmesskanälen. Oft teilen sich diese Mehrfachsignale keine gemeinsame Erdleitung, und sie können auf deutlich unterschiedlichen Bezugspegeln liegen, so dass eine Spannungstrennung sowohl zwischen Messkanälen, die mit den Mehrfachsignalen verbunden sind, als auch zwischen jedem der Messkanäle und dem Rest des Messinstruments erforderlich wird. Zum Beispiel muss eine Messanwendung, welche die Messung einer Ausgangsspannung einer Spannungsquelle bei gleichzeitiger Messung der Leistungsaufnahme aus dem Netz erfordert, mit zwei Messkanälen ausgeführt werden, die voneinander spannungsgetrennt sind. Jedoch weisen viele Messinstrumente Mehrfachmesskanäle auf, die sich an den Eingangsanschlüssen eine gemeinsame Erdleitung teilen, wodurch solche üblicherweise geforderten Messungen, wie das obige Spannungsquellenbeispiel, sehr erschwert werden.
  • Das Hauptproblem mit Messkanälen, die nicht spannungsgetrennt sind, besteht darin, gültige Messungen zu erreichen. Eine Interferenz zwischen den Mehrfachsignalen kann von den Differenzströmen herrühren, die wegen der unterschiedlichen Bezugspegel der Signale durch die gemeinsame Erdleitung fließen. Es ist auch möglich, dass die zu prüfende Vorrichtung durch die Differenzströme beschädigt werden kann, welche zwischen den Schaltungsknoten fließen können, die geprüft werden. Bei hohen Spannungen kann die gemeinsame Erdleitung bis zu gefährlichen Spannungspegeln hin „floaten", die zu einem Sicherheitsrisiko für den Bediener werden, der die gemeinsame Erdleitung einmal unerwartet bei einem gefährlichen Spannungspotential berührt. Es ist kritisch, dass die Geräteerde auf einem gefahrlosen Pegel verbleibt, statt zu versuchen, die Geräteerde auf einen unsicheren Pegel zu bringen, um eine Messung auszuführen.
  • Eine Lösung für das Problem einer gemeinsamen Erde, wenn keine spannungsgetrennten Messkanäle verfügbar sind, war das Bereitstellen zweier Messkanäle, die ein Signal differentiell messen können, so dass die Spannungsdifferenz nicht mit Bezug auf die Erde gemessen wird. Es war sowohl schwierig, solche Differenzmodus-Messungen einzurichten, als auch Signalmessungen mit einer annehmbaren Genauigkeit zu erhalten. Außerdem mussten zwei Messkanäle verwendet werden, um eine Spannungsmessung auszuführen. Somit waren insgesamt vier Eingangskanäle erforderlich, um zwei Parallelmessungen von Signalen mit unterschiedlichen Bezugspegeln auszuführen, wodurch diese Lösung vergleichsweise teuer wird und nur zum Teil gute Messergebnisse liefert.
  • Spannungsgetrennte Messskanäle, die sich nicht eine gemeinsame Erdverbindung teilen, weisen eine Anzahl von Vorzügen auf. Erstens erfordert eine genaue Messung, dass Signale zwischen den Messkanälen nicht durch Differenzströme verseucht werden, welche durch die gemeinsame Erdverbindung zwischen den Messkanälen fließen. Außerdem ist die Sicherheit des Bedieners betroffen, wo eine gemeinsame Erdverbindung zwischen Eingangskanälen, die nicht abgetrennt sind, den Gerätebediener mit einer gefährlichen Spannungsquelle verbinden kann. Die Spannungstrennung erfordert, dass ein jedes Eingangssignal über eine Spannungstrennsperre angekoppelt wird, welche das Eingangssignal hindurch laufen lässt, während sie ein Abtrennen eines jeden Messkanals vom Bezugsspannungspegel eines jeden Eingangssignals bewirkt.
  • Dadurch dass eine Spannungstrennung zwischen jedem der Messkanäle in dem Messgerät erreicht wird, werden unerwartete Verbindungen zu gefährlichen Spannungspegeln über die Geräteerde vermieden. Spannungsgetrennte Messkanäle mit separaten Messkanalerden erleichtern die Aufgabe, eine Messung auszuführen, da der Nutzer einfach ohne Berücksichtung des Bezugsspannungspegels eines jeden Signals jeden Messkanal an jedes Signal ankoppeln kann.
  • Vom Stand der Technik her ist bekannt, dass zum Erreichen eines flacheren Amplitudenganges über einen gewünschten Frequenzbereich hinweg optische Technik und Transformatortechnik als ein Niederfrequenzpfad (NF-Pfad) bzw. ein Hochfrequenzpfad (HF-Pfad) kombiniert werden. Die optische Technik – meist in Form eines Optoisolators – funktioniert bei tieferen Frequenzen, ist aber in der Bandbreite beschränkt, so dass ihr Amplitudengang bei höheren Frequenzen ausläuft. Umgekehrt arbeitet der Transformator bei höheren Frequenzen, aber sein Amplitudengang läuft bei tieferen Frequenzen aus. Durch Kombinieren der beiden Techniken als parallele HF- und NF-Pfade kann ein flacherer Frequenzgang über einen breiteren Frequenzbereich erreicht werden. In der Praxis jedoch scheitern solche Spannungstrennschaltungen in Messinstrumenten traditionell an der Fähigkeit, einen flacheren Frequenzgang über einen breiten Frequenzbereich zu erreichen, wobei oft komplexe Justierungen und Amplitudenausgleichsschaltungen erforderlich werden, um einen ausreichend flachen Frequenzgang zu erhalten.
  • In 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Spannungstrennschaltung 10 zum Erreichen einer Spannungstrennung eines Eingangssignals entsprechend dem Stand der Technik dargestellt. Die Spannungstrennung stellt parallele NF-Pfade und HF-Pfade zur Verfügung. Ein Eingangssignal wird einem NF-Pfad 14 und einem HF-Pfad 12 übergeben, welche so funktionieren, dass sie eine Spannungstrennung des Eingangssignals bewirken. Der NF-Pfad 14 und der HF-Pfad 12 werden an einem Summierknoten 16 wieder zusammengefasst, um ein abgetrenntes Eingangssignal zu erhalten.
  • Wie in 2 gezeigt ist, werden die Frequenzgangkennlinien des HF-Pfades 12, des NF-Pfades 14 sowie der zusammengefassten HF- und NF-Pfade dargestellt. Die Ordinate ist der Amplitudengang, der eine Übertragungsfunktion ist, die als H(f) in Einheiten von Dezibel (dB) dargestellt ist, während die Abszisse die Frequenz darstellt, welche gewöhnlich logarithmisch abgetragen wird. Unter Amplitudengang wird gewöhnlich das Verhältnis von Ausgangssignalamplitude von Eingangssignalamplitude verstanden. 2 ist als ein Bode-Diagramm aufbereitet, das unter Verwendung von Streckenabschnitten gezeichnet ist, wobei die Schnittpunkte der Streckenabschnitte auf das Vorliegen eines Pols oder einer Nullstelle hinweisen. Das Bode-Diagramm ist aus der Technik zur Untersuchung der Einflüsse von Polen und Nullstellen auf die Amplitudengänge allgemein bekannt.
  • Die zu dem NF-Pfad 14 und dem HF-Pfad 12 gehörenden Frequenzgänge 18 bzw. 20 können zusammengefasst werden, um einen Frequenzgang 22 für die zusammengefassten HF- und NF-Pfade zu erhalten. Der Frequenzgang 20 weist einen einzelnen Pol bei der Frequenz Fr auf. Der Frequenzgang 18 weist eine einzelne Nullstelle bei der Frequenz Fr auf. Um den Frequenzgang 22 so flach wie möglich zu machen, müssen die Verstärkungsfaktoren der Frequenzgänge 18 und 20 über ihre flachen Bereiche hinweg im Wesentlichen gleich sein, und der Einzelpol sowie die Nullstelle der Frequenzgänge 18 und 20 müssen – wie dargestellt – beide bei der Frequenz Fr liegen, ohne weitere Pole oder Nullstellen in der unmittelbaren Nachbarschaft. Die Frequenz Fr wird gewöhnlich als Überlappungsfrequenz bezeichnet. Um einen ausreichend flachen Frequenzgang 22 zu erhalten, sind oft zahlreiche Anpassungen und das Hinzufügen komplexer Frequenz-Kompensationsschaltungen erforderlich.
  • In JP-A-02 072706 wird eine Spannungstrennschaltung offenbart, in der ein Transformator und ein Photokoppler verwendet werden, um HF- und NF-Pfade zu erzeugen. Die NF und HF werden an einem gemeinsamen Operationsverstärker-Eingang zusammengefasst.
  • In der am 14. Mai 1996 ausgegebenen US-Patentschrift 5,517,154 von Baker u. a., übertragen auf Tektronix, Inc., wird eine Spannungstrennschaltung beschrieben, in der ein Transformator im HF-Pfad und ein Optokoppler im NF-Pfad eingesetzt ist. Baker u. a. legen eine Zusammenfassung des HF-Pfades und des NF-Pfades in der Sekundärwicklung des Transformators im HF-Pfad offen, um einen flachen Frequenzgang zu erhalten. Im Bereich der Überlappungsfrequenz kann ein flacher Frequenzgang erhalten werden, indem ein Zusammenwirken der Komponenten des magnetischen Flusses im Transformator von der Primär- und der Sekundärwicklung genutzt wird. Die Verstärkungen des HF-Pfades und der NF-Pfade müssen angepasst sein, und im NF-Pfad muss eine Offsetspannung abgestimmt werden.
  • Deshalb wäre es wünschenswert, eine Spannungstrennschaltung bereit zu stellen, die es ermöglicht, einen flachen Frequenzgang mit weniger Anpassungen und einer verringerten Komponentenzahl zu erhalten.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Ausbildungen der Erfindung werden in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Spannungstrennschaltung bereit ge stellt, die ein verbessertes Verfahren zum Zusammenfassen des HF-Pfades und des NF-Pfades unter Verwendung eines Zwischenpfad-Kompensationssignals aufweist. Der NF-Pfad umfasst einen Optoisolator, um eine Spannungstrennung des Eingangssignals zu erreichen, solange tiefe Frequenzen durchlaufen werden. Der HF-Pfad umfasst einen Transformator, um eine Spannungstrennung zu erreichen, solange hohe Frequenzen durchlaufen werden. Der HF-Pfad und der NF-Pfad werden an einem Summierknoten zusammengefasst, um ein abgetrenntes Eingangssignal zu erhalten.
  • Um einen flachen Frequenzgang zu erhalten, ist es erforderlich, dass die Überlappungsfrequenz zwischen dem NF-Pfad und dem HF-Pfad genau angepasst ist. Es ist schwierig, eine solche Anpassung zu erreichen, weil der Transformator eine Polfrequenz aufweist, die zwischen den Transformatoren beträchtlich variiert. Diese Variation wird durch das Einspeisen eines Anteils des NF-Pfades in den HF-Pfad behoben, wobei ein Querpfadeinspeisen so eingesetzt wird, dass die NF-Komponenten im Eingangssignal, die in den HF-Pfad eingeführt werden, im Bereich der Übergangsfrequenz ausgelöscht werden. Auf diese Weise kann die Polfrequenz des Transformators im HF-Pfad innerhalb eines Satzes von Grenzwerten variieren, und sie kann durch die Nullstelle des eingespeisten NF-Subtrahierungssignal kompensiert werden, um eine stabile und bekannte Übergangsfrequenz im HF-Pfad zu erhalten, die an den NF-Pfad angepasst ist. Um den im Transformator vorliegenden Pol zu kompensieren, muss lediglich die Verstärkung des NF-Subtrahierungssignals abgestimmt werden. Das Beseitigen der NF-Komponenten im HF-Pfad hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Gefahr einer Sättigung des Kerns im Transformator verringert wird. Das NF-Subtrahierungssignal ist ein Beispiel eines Zwischenpfad-Kompensationssignals.
  • Alternativ kann ein Anteil des HF-Pfades in den NF-Pfad als ein HF-Subtrahierungssignal so eingespeist werden, dass HF- Komponenten im Bereich der Übergangsfrequenz ausgelöscht werden. Auf diese Weise wird die Übergangsfrequenz des NF-Pfades durch den HF-Pfad gesteuert, um die erforderliche Anpassung an den HF-Pfad zu erreichen. Das HF-Subtrahierungssignal ist eine alternative Form des Zwischenpfad-Kompensationssignals.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer Spannungstrennschaltung, die einen flachen Frequenzgang aufweist.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer Spannungstrennschaltung, die einen HF-Pfad und einen NF-Pfad aufweist, welche ein Zwischenpfad-Kompensationssignal einsetzen, um Übergangsfrequenzen anzupassen.
  • Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen einer Spannungstrennschaltung, die einen HF-Pfad und einen NF-Pfad aufweist, die in einem Summierknoten zusammengefasst werden, wobei ein Zwischenpfad-Kompensationssignal eingesetzt wird, um Übergangsfrequenzen anzupassen.
  • Andere Merkmale, Errungenschaften und Vorzüge werden für Fachleute beim Lesen der folgenden Beschreibung ersichtlich, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Spannungstrennschaltung, in der separate HF- und NF-Pfade nach dem Stand der Technik verwendet werden.
  • 2 ist ein Bode-Diagramm dargestellt als Frequenzabhängigkeit des Amplitudenganges der Spannungstrennschaltung von 1.
  • 3 ist eine vereinfachte schematische Zeichnung einer Spannungstrennschaltung.
  • 4 ist ein Bode-Diagramm, das den Frequenzgang der Spannungstrennschaltung von 3 nachbildet.
  • 5 ist eine vereinfachte schematische Zeichnung einer Spannungstrennschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Spannungstrennschaltung zum Einsatz in einem Messinstrument. Das Eingangssignal kann eine hohe Gleichtaktspannung bezüglich der Erde des Messinstruments aufweisen, die es erforderlich macht, eine Spannungstrennung zwischen der Eingangsspannung und dem Messinstrument vorzusehen.
  • Das Eingangssignal ist an einen invertierenden Eingang eines Verstärkers 100 gekoppelt. Ein Ausgang des Verstärkers 100 ist mit einer Seite einer Eingangswicklung eines Transformators 102 verbunden. Die Eingangswicklung ist elektromagnetisch an eine Ausgangswicklung gekoppelt, während sie eine Spannungstrennung zwischen der Eingangs- und der Ausgangswicklung gewährleistet. Die andere Seite der Eingangswicklung ist an die Erde des Messkanals gekoppelt, während die Ausgangswicklung an die Instrumentenerde gekoppelt ist. Da der Transformator 102 eine Spannungstrennung gewährleistet, sind die Erde des Messkanals und die Instrumentenerde nicht verbunden und können auf völlig unterschiedlichen Potentialen liegen.
  • Viele andere Gesichtspunkte zur Gestaltung des Transformators 102, einschließlich der Zwischenwicklungskapazität und des Kernmaterialtyps, sind wichtig mit Hinblick auf die Bestimmung der minimalen und der maximalen nutzbaren Frequenz des Transformators 102 sowie des maximalen zulässigen Signalpegels, um eine Sättigung des Kerns zu vermeiden. Die Ausgangswicklung des Transformators 102 ist an eine Summierknoten 104 gekoppelt. Der HF-Pfad umfasst somit den Weg des Eingangssignals durch den Verstärker 100, den Transformator 102 und den Summierknoten 104. Der Transformator 102 weist einen Amplitudengang auf, der bei niedrigeren Frequenzen abfällt, was für einen einzelnen Pol bei einer Übergangsfrequenz kennzeichnend ist.
  • Das Eingangssignal ist außerdem an einen nicht invertierenden Eingang eines Verstärkers 108 gekoppelt. Ein Ausgang des Verstärkers 108 ist an eine Licht emittierende Diode (LED) 110 in einem Optoisolator 112 gekoppelt. Das Eingangssignal wird in optische Energie umgewandelt, welche von der LED 110 ausgesendet und optisch an die Photodioden 114 und 116 gekoppelt wird. Der Optokoppler 112 stellt somit eine Spannungstrennsperre zwischen der LED 110 und den Photodioden 114 und 116 bereit, während er das Eingangssignal bei niedrigen Frequenzen durchlässt. Der Optokoppler 112 weist eine begrenzte Bandbreite auf, und sein Amplitudengang fällt bei höheren Frequenzen ab, was für eine einzelne Nullstelle bei einer zweiten Übergangsfrequenz kennzeichnend ist.
  • Die Ausgangsgröße aus der Photodiode 114 wird auf einen invertierenden Eingang eines Verstärkers 118 übertragen. Ein Widerstand 120 ist zwischen dem invertierenden Eingang und einem Ausgang eingekoppelt, wodurch der Verstärker 118 dazu gebracht wird, als ein Strom-Spannungs-Wandler zu arbeiten, der ein NF-Signal erzeugt, das proportional zum Ausgabewert der Photodiode 114 ist. Die NF-Signalspannung wird in den invertierenden Eingang des Verstärkers 108 rückgekoppelt, um eine optische Rückkopplungsschleife zur Steuerung der Linearität der LED 110 auszubilden. Die NF-Signalspannung wird außerdem als ein Zwischenpfad-Kompensationssignal an die Widerstände 124 und 126 gekoppelt, welche die Verstärkung der NF-Signalspannung einstellen, die außerdem an einen nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 100 gekoppelt wird, um das NF-Subtrahierungssignal auszubilden.
  • Die Photodiode 116 ist an einen invertierenden Eingang eines Verstärkers 128 gekoppelt. Ein Widerstand 130 ist zwischen den invertierenden Eingang und einen Ausgang des Verstärkers 128 gekoppelt, wodurch der Verstärker 128 dazu gebracht wird, als ein Strom-Spannungs-Wandler zu arbeiten. Das NF-Signal vom Ausgang des Verstärkers 128 ist an einen Eingang des Summierungsknotens 104 gekoppelt. Das NF-Subtrahierungssignal wirkt als das Zwischenpfad-Kompensationssignal, um eine Anpassung zwischen den Übergangsfrequenzen des HF- bzw. NF-Pfades zu erreichen.
  • Der Summierknoten 104 kann einen aktiven Verstärker umfassen, der eine Trennung zwischen dem HF-Pfad und dem NF-Pfad bewirkt. Die Signale vom HF-Pfad und NF-Pfad werden in einer linearen Form zusammen addiert, um ein abgetrenntes Eingangssignal mit dem gewünschten Wert der Bandbreite zu erhalten und ohne einen wesentlichen Verzerrungsbeitrag zum Eingangssignal zu liefern. Alternativ kann der Summierknoten 104 nur passive Komponenten, wie z. B. Widerstände, umfassen, um einen weiteren Zuwachs an Linearität zu erreichen, jedoch mit etwas Verlust an Abtrennung zwischen dem HF-Pfad und dem NF-Pfad.
  • Das am Verstärker 100 anliegende NF-Subtrahierungssignal wird aus den NF-Komponenten, die im Eingangssignal vorliegen, invertiert und bewirkt ein Auslöschen dieser Komponenten entsprechend der Signalbreite, die vom Optokoppler 112 verfügbar ist. Solange die verfügbare Bandbreite des NF-Subtrahierungssignals die Frequenz des Pols des Transformators 102 übersteigt, wird der Pol effektiv ausgelöscht, und die Übergangsfrequenz des HF-Pfades wird durch den NF-Pfad effektiv festgelegt. Auf diese Weise kann eine Abstimmung zwischen den Übergangsfrequenzen des HF-Pfades und des NF-Pfades selbst dann erreicht werden, wenn es einen beträchtlichen Umfang der Variation der Polfrequenz des Transformators 102 gibt. Unter Verwendung der Widerstände 124 und 126 zum Einstellen des geeigneten Verstärkungspegels im Verstärkungselement kann der Pol des Transformators 102 effektiv durch die Nullstelle ausgelöscht werden, die durch das NF-Subtrahierungssignal aus dem NF-Pfad eingeführt wird. Die Übergangsfrequenz vom HF-Pfad wird jetzt durch die Übergangsfrequenz vom NF-Pfad bestimmt, um einen flachen Frequenzgang in den zusammengefassten HF- und NF-Pfaden zu erreichen. Das NF-Subtrahierungssignal wird als das Zwischenpfad-Kompensationssignal wirksam, um einen flachen Frequenzgang in den zusammengefassten HF- und NF-Pfaden zu erreichen.
  • 4 ist ein Bode-Diagramm der Frequenzabhängigkeit der Übertragungsfunktion zur vollständigeren Beschreibung der Arbeitsweise der Spannungstrennschaltung von 3. Die Kennlinie 150, welche der Übertragungsfunktion des NF-Pfades entspricht, hat eine Form, die hauptsächlich durch den Frequenzgang des Optoisolators 112 bestimmt wird. Die Kennlinie 150 zeigt einen Pol bei einer Frequenz F2, welche die primäre Auslauffrequenz des NF-Pfades ist.
  • Eine Kennlinie 152, die der Übertragungsfunktion des HF-Pfades ohne Kompensation entspricht, weist eine Form auf, die hauptsächlich durch den Frequenzgang des Transformators 102 gegeben ist. Infolge von Herstellungs- und Materialtoleranzen wird der Transformator 102 einen Pol aufweisen, der bei einer beliebigen Frequenz in dem Bereich um eine Übergangsfrequenz F1 herum auftreten kann, wie es durch den Doppelpfeil dargestellt ist. In dieser Abbildung tritt der Pol unmittelbar bei der Übergangsfrequenz F1 auf. Diese Veränderlichkeit der Polfrequenz über verschiedene Transformatoren hinweg wird durch den Einsatz des NF-Subtrahierungssignals kompensiert, um den gewünschten Grad der Flachheit zu erreichen, wie unten ausführlicher erklärt wird.
  • Eine Kennlinie 154 entspricht der Übertragungsfunktion des HF-Pfades, der den Verstärker 100 umfasst, welcher die differenzielle Subtraktion des NF-Subtrahierungssignals vom Eingangssignal ausführt, das an der Eingangswicklung des Transformators 102 vorliegt. Die Kennlinie 154 weist eine Nullstelle auf, welche nach Darstellung bei der Frequenz F1 auftritt, die aber in der Frequenz nach oben oder unten angepasst werden kann, um mit der Polfrequenz der Kennlinie 152 zusammenzufallen, indem das Verstärkungselement, das die Widerstände 124 und 126 umfasst, nach oben oder unten abgestimmt wird.
  • Eine Kennlinie 156, die der Übertragungsfunktion des kompensierten HF-Pfades entspricht, wird durch Zusammenfassen der Kennlinien 152 und 154 erhalten. Der kompensierte HF-Pfad weist nun eine Polfrequenz bei F2 auf, die der Nullstellenfrequenz des NF-Pfades entspricht.
  • Eine Kennlinie 158, die der Übertragungsfunktion des zusammengefassten kompensierten HF-Pfades und NF-Pfades entspricht, veranschaulicht den Gesamtfrequenzgang der Spannungstrennschaltung zwischen dem Eingangssignal und dem abgetrennten Eingangssignal. Um den Pol des Transformators 102 zu kompensieren, muss die Übergangsfrequenz F2 im NF-Pfad größer als oder gleich der Übergangsfrequenz F1 sein. Somit muss der Variationsbereich der Übergangsfrequenz F1 bei Variationen des Transformators 102 bekannt sein, um abzusichern, dass die Kompensation durch das Interpfad-Kompensationssignal erreicht werden kann.
  • In 5 wird eine vereinfachte schematische Darstellung einer Spannungstrennschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Statt ein NF-Subtrahierungssignal zu erstellen und es – wie oben erläutert wurde – vom NF-Pfad in den HF-Pfad einzuspeisen, arbeitet die Ausführungsform damit, dass ein HF-Subtrahierungssignal erstellt und in den NF-Pfad eingespeist wird, um in einer analogen Weise einen kompensierten NF-Pfad zu erhalten. Auf diese Weise wird das HF-Subtrahierungssignal als das Zwischenpfad-Kompensationssignal wirksam, um ein Ausrichten zwischen den Übergangsfrequenzen der jeweiligen HF- und NF-Pfade zu erreichen.
  • Das Eingangssignal ist an eine Eingangswicklung 201 eines Transformators 200 gekoppelt. Die Eingangswicklung ist elektromagnetisch an ein Paar von Ausgangswicklungen 202 und 204 gekoppelt, welche das Eingangssignal auf eine gleiche Weise empfangen, aber mit einer Spannungstrennung zwischen einander und zur Eingangswicklung 201. Die Ausgangswicklung 204 ist mit einem Summierknoten 206 verbunden, der das HF-Signal empfängt. Eine Kopie des HF-Signals wird durch die Ausgangswicklung 202 erstellt, die an die Widerständen 208 und 210 gekoppelt ist, welche zum Einstellen der Verstärkung des HF-Subtrahierungssignals dienen, das einem invertierenden Eingang eines Verstärkers 212 bereit gestellt wird. Ein Ende der Eingangswicklung 201 und ein Ende der Ausgangswicklung 202 sind an die Erde des Messkanals gekoppelt. Das Eingangssignal wird außerdem an einen nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 212 gekoppelt. Ein Ausgang des Verstärkers 212 ist über einen Widerstand 214 an einen nicht invertierenden Eingang eines Verstärkers 216 gekoppelt. Ein Ausgang des Verstärkers 216 ist an eine LED 218 eines Optokopplers 220 gekoppelt.
  • Die Photodioden 222 und 224 empfangen die Lichtenergie, die von der LED 218 erzeugt wird, um das Eingangssignal auszubilden, und sorgen außerdem für die Spannungstrennung. Das Signal von der Photodiode 222 wird dem invertierenden Eingang des Verstärkers 216 zugeführt, um eine optische Rückkopplungsschleife zu bilden. Die Photodiode 224 ist an einen invertierenden Eingang eines Verstärkers 226 gekoppelt. Die Photodioden 222 und 224 sind an die Erde des Messkanals bzw. die Instrumentenerde gekoppelt, und sie sind voneinander sowie von der LED 218 spannungsgetrennt. Der invertierende Eingang und ein Ausgang des Verstärkers 226 sind durch einen Widerstand 228 verbunden, wodurch der Verstärker 226 dazu gebracht wird, als ein Strom-Spannungs-Wandler zu arbeiten, um eine Kopie des Eingangssignals zu erzeugen, das auf einen Eingang des Summierknotens 206 übertragen wird. Der Summierknoten 206 fasst das HF-Signal und das NF-Signal zusammen, um das abgetrennte Eingangssignal zu erzeugen.
  • Für Durchschnittsfachleute ist es offensichtlich, dass viele Veränderungen in den Details der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgeführt werden können. Zum Beispiel können zusätzliche Formen der Zwischenpfad-Kompensationssignale verwendet werden, um die verschiedenen Kombinationen der Pole und Nullstellen auszugleichen. Andere Techniken, die verwendet werden, um eine Spannungstrennung zu erhalten, wie z. B. Lichtleiterverbindungen, können substituiert werden, um andere Formen von NF- und HF-Pfaden wie erforderlich auszubilden, und sie können noch aus den Zwischenpfad-Kompensationssignalen gemäß vorliegender Erfindung Nutzen ziehen.

Claims (2)

  1. Spannungstrennschaltung für ein Messgerät, umfassend: (a) einen Hochfrequenzpfad, der einen Eingang zum Empfangen eines Eingangssignals aufweist, wobei der Hochfrequenzpfad ein Hochfrequenzsignal gemäß einer ersten Übergangsfrequenz erzeugt, und welcher einen Transformator (200) umfasst, der eine Eingangswicklung (201) und eine erste Ausgangswicklung (202) aufweist, die elektromagnetisch mit der Eingangswicklung (201) gekoppelt wird, um das Eingangssignal zu empfangen; (b) einen Niederfrequenzpfad, der einen Eingang zum Empfangen des Eingangssignals aufweist, wobei der Niederfrequenzpfad ein Niederfrequenzsignal gemäß einer zweiten Übergangsfrequenz erzeugt; und (c) einen Summierknoten, der mit dem Hochfrequenzpfad gekoppelt ist, um das Hochfrequenzsignal zu empfangen, und mit dem Niederfrequenzpfad, um das Niederfrequenzsignals zu empfangen, wobei der Summierknoten ein getrenntes Eingangssignal erzeugt, wobei ein Zwischenpfad-Kompensationssignal von einem des HF-Pfades und des NF-Pfades an einem Eingang des anderen des HF-Pfads und des NF-Pfads bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenpfad-Kompensationssignal bereitgestellt wird, um die erste und die zweite Übergangsfrequenz des HF-Pfads und des NF-Pfads anzupassen, und wobei das Zwischenpfad-Kompensationssignal ein Hochfrequenz-Subtrahierungssignal umfasst, welches von dem Hochfrequenzpfad mit dem Eingang des Niederfrequenzpfads gekoppelt wird, um einen kompensierten Niederfrequenzpfad zu erhalten, und wobei der Transformator weiterhin eine zweite Ausgangswicklung (204) enthält und eine erste (201) und zweite (204) Ausgangswicklung das Hochfrequenz-Subtrahierungssignal erzeugen.
  2. Spannungstrennschaltung für ein Messgerät nach Anspruch 1, wobei der Niederfrequenzpfad weiterhin einen Optokoppler (220) umfasst, wobei der Optokoppler eine Leuchtdiode (218) umfasst, die gekoppelt ist, um das Eingangssignal zu empfangen, und die erste (222) und die zweite (224) Fotodioden umfasst, die optisch mit der Leuchtdiode (218) gekoppelt sind, um das Niederfrequenzsignal zu erzeugen, wobei die erste (222) und die zweite (224) Fotodiode von der Leuchtdiode (218) spannungsgetrennt sind.
DE69824662T 1997-05-01 1998-04-27 Hochspannungstrennschaltung für einen Messkanal Expired - Lifetime DE69824662T2 (de)

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