-
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.