DE3213365A1 - METHOD AND DEVICE FOR THE OPTICAL TRANSMISSION OF ELECTRICAL SIGNALS WITH POSITIVE AND NEGATIVE VOLTAGE VALUES - Google Patents

Description

Richard HirschmannRichard Hirschmann

Radiotechnisches WerkRadio technical work

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D-73OO Esslingen a.N. 8.4.82D-73OO Esslingen a.N. 8.4.82

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PatentanmeldungPatent application

Verfahren und Einrichtung zur optischen Übertragung elektrischer Signale mit positiven und negativen Spanriungswerten 5 Method and device for the optical transmission of electrical signals with positive and negative stress values 5

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Übertragung elektrischer Signale mit positiven und negativen Spannungswerten, bei dem senderseitig mittels eines U/f-Wandlers die Eingangsspannungsänderungen in Frequenzänderungen umgesetzt und diese nach der Signalübertragung über einen E/O-Wandler, einen Lichtwellenleiter und einen O/E-Wandler empfängerseitig mittels eines f/U-Wandlers in Spannungsänderungen rückumgesetzt werden.The invention relates to a method for the optical transmission of electrical signals with positive and negative voltage values, the input voltage changes on the transmitter side by means of a U / f converter converted into frequency changes and these after the signal transmission via an E / O converter, a Optical fiber and an O / E converter on the receiver side by means of of an f / U converter can be converted back into voltage changes.

,! Derartige Verfahren werden hauptsächlich in Bereichen der Steuerungs- und Regelungstechnik, sowie in der Meßtechnik, vorzugsweise bei Signalfrequenzen unter 1 kHz benutzt, in denen eine hochgenaue Übertragung von Spannungen, insbesondere in elektromagnetisch verseuchter Umgebung gefordert ist. Dabei wird das Prinzip der U/f- bzw. f/U-Umwandlung bevorzugt angewendet, weil eine genaue Übereinstimmung der Ausgangs- und Eingangsspannungswerte bei direkter analoger Übertragung mit zur Spannung proportionaler Lichtleistung überhaupt nicht und bei anderen ebenfalls bekannten Einrichtungen (A/D-Wandler) nur mit höherem Bauteileaufwand erreichbar ist.
Dafür ist allerdings in Kauf zu nehmen, daß bei der Übertragung von positiven und negativen Spannungen sowohl im Sender, als auch im Empfänger eine Potentialverschiebung durchzuführen ist, die den Spannungspegel um wenigstens den maximalen negativen Wert in den positiven Bereich anhebt bzw. wieder zurücksetzt, weil negative Frequenzen physikalisch nicht möglich sind und die Schaltung somit in diesen Bereichen nicht arbeiten würde. Die hierzu erforderlichen beiden Referenzspannungsquellen müssen sehr genaue, untereinander exakt gleiche Spannungen liefern und sind daher teuer. Selbst bei den aufwendigsten Geräten lassen sich jedoch Toleranzen und temperaturabhängige Wertänderungen,! Such methods are mainly used in the fields of control and regulation technology, as well as in measurement technology, preferably at signal frequencies below 1 kHz, in which a highly accurate transmission of voltages is required, especially in an electromagnetically contaminated environment. The principle of U / f or f / U conversion is preferred because an exact correspondence of the output and input voltage values with direct analog transmission with light output proportional to the voltage is not at all and with other also known devices (A / D- Converter) can only be achieved with a higher number of components.
However, it must be accepted that when transmitting positive and negative voltages in both the transmitter and the receiver, a potential shift must be carried out which raises the voltage level by at least the maximum negative value in the positive range or resets it again, because negative frequencies are physically not possible and the circuit would therefore not work in these areas. The two reference voltage sources required for this must supply very precise voltages that are exactly the same as one another and are therefore expensive. Even with the most complex devices, however, tolerances and temperature-dependent changes in value can be made

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nicht ganz vermeiden, sodaß die im Hinblick auf die Funktionssicherheit bei Spannungsübertragungssystemen besonders wichtige Forderung nach Nullpunktstabilität nicht gewährleistet ist. Dies bedeutet, daß bei einer Sendereingangsspannung von 0 Volt S eine endliche Ausgangsspannung am Empfänger entsteht. Eine solche Nullpunkt-Verschiebung kann beispielsweise im Falle einer Maschinensteuerung einen Lauf der Maschine bewirken, obwohl keine Eingangsspannung anliegt. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Übertragungseinrichtung, wie sie in Fig. 1 in ihrem Prinzipaufbau als Blockschaltbild dargestellt ist, besteht darin, daß der zur Übertragung verfügbare Modulationsfrequenzbereich sich auf positive und negative Spannungen aufteilt, d.h. jeweils nur zum entsprechenden Teil nutzbar ist und somit eine geringe Auflösung ^f/ALL bewirkt. Eine höhere Auflösung wäre nur durch Vergrössern des Frequenzbereiches möglich, was in der Regel einen zusätzlichen Schaltungsaufwand erfordert.cannot be avoided entirely, so that the requirement for zero point stability, which is particularly important with regard to the functional reliability of voltage transmission systems, is not guaranteed. This means that with a transmitter input voltage of 0 volts S, a finite output voltage arises at the receiver. Such a zero point shift can, for example in the case of a machine control, cause the machine to run even though there is no input voltage. Another disadvantage of this known transmission device, as shown in its basic structure as a block diagram in FIG. 1, is that the modulation frequency range available for transmission is divided into positive and negative voltages, that is to say it can only be used for the corresponding part and thus a small one Resolution ^ f / ALL causes. A higher resolution would only be possible by increasing the frequency range, which usually requires additional circuitry.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Übertragungsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem mit ge— ringem Aufwand die Nullpunktstabilität gewährleistet und eine möglichst hohe Auflösung erreicht ist.The invention is based on the object of a transmission method of the type mentioned at the beginning, in which the zero point stability is guaranteed with little effort and a the highest possible resolution is achieved.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß sowohl im Sender als auch im Empfänger eine Auftrennung der jeweiligen elektrischen Eingangsspannung nach Betrag und Polarität vorgesehen und die Polaritätsinformation dem Ausgangssignal des vom jeweiligen Betragssignal angesteuerten U/f - bzw. f/U - Wandlers zugesetzt ist. Damit ist auf einfache und elegante Weise der Vorteil erreicht, daß keine Potentialverschiebung und folglich auch keine aufwendigen Referenzspannungsquellen und Addiernetzwerke nötig sind. Der Eingangsspannung O Volt ist die Modulationsfrequenz O Hertz und dieser wiederum die Ausgangsspannung O Volt fest zugeordnet» Im Empfänger ist nunmehr eine exakte und driftfreie Erkennung des Nullpunktes und damit eine hohe Nullpunktstabilität gewährleistet. This object is achieved in that the respective electrical input voltage is separated both in the transmitter and in the receiver provided according to amount and polarity and the polarity information is added to the output signal of the U / f or f / U converter controlled by the respective amount signal. This has the advantage, in a simple and elegant manner, that there is no potential shift and consequently also no costly one Reference voltage sources and adding networks are necessary. The input voltage O volts is the modulation frequency O Hertz and this in turn is assigned the output voltage O volts » An exact and drift-free detection of the zero point and thus a high zero point stability is now guaranteed in the receiver.

Außerdem ist beim erfindungsgemäßen Verfahren der verfügbareIn addition, the method according to the invention is the one available

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ν-ν-

Modulationsfrequenzbereich nicht mehr auf positive und negative Spannungen aufzuteilen, sodaß entweder die Auflösungsgenauigkeit bei gleichem Aufwand wesentlich vergrößert oder dieser Aufwand bei gleicher Auflösung verringert ist. 5Modulation frequency range can no longer be divided into positive and negative voltages, so that either the resolution accuracy significantly increased with the same effort or this effort is reduced with the same resolution. 5

In den Unteransprüchen 2 und 4 ist jeweils eine durch geringen Bauteileaufwand kostengünstige Schaltung zur sender- und empfängerseitigen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens be schrieben. In each of the subclaims 2 and 4 there is an inexpensive circuit for the sender and receiver side due to the low component outlay Implementation of the method according to the invention be written.

Eine Ausgestaltung der senderseitigen Schaltung gemäß Anspruch 3 bietet den Vorteil, daß der Wechsel des Polarisationssignales bis zum Einsetzen des nächsten Impulses des Betragssignals verzögert ist und damit im Empfänger ein sonst an der Stelle des Polarisationswechsels auftretender die Nachricht verfälschender Impuls vermieden wird. Die Schaltung ist damit auch für den Einsatz in hochempfindlichen Übertragungssystemen geeignet.An embodiment of the transmitter-side circuit according to claim 3 offers the advantage that the change in polarization signal until the onset of the next pulse of the amount signal is delayed and thus in the receiver an otherwise in place of the Polarization change occurring impulse falsifying the message is avoided. The circuit is thus also for use suitable in highly sensitive transmission systems.

In den Fig. 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Übertragungseinrichtung im Blockschaltbild dargestellt, wobei Fig. 2a die Senderseite und Fig. 3 a die Empfängerseite ist. Fig. 2 b zeigt den Aufbau des in Fig. 2 a mit V bezeichneten Verzögerungsgliedes und Fig. 3 b den Aufbau der in Fig. 3 a mit T bezeichneten Trennschaltung im einzelnen. Fig. 4 gibt den Verlauf der wesentlichen, in den Fig. 2 und 3 bezeichneten Spannungen in einem Impulsdiagramm wieder,FIGS. 2 and 3 show an exemplary embodiment of a transmission device operating according to the method according to the invention shown in the block diagram, with Fig. 2a the transmitter side and Fig. 3a is the receiver side. FIG. 2 b shows the structure of the delay element designated by V in FIG. 2 a and FIG. 3 b shows the structure of the isolating circuit denoted by T in FIG. 3 a in detail. Fig. 4 gives the course of the essentials in the Fig. 2 and 3 denoted voltages in a timing diagram again,

Im Senderteil der Übertragungseinrichtung wird das am Eingang E anliegende analoge Signal der Spannung U_ einerseits einem Komparator 1 zugeführt, der entsprechend den positiven und negativen U₁- - V/erten eine positive bzw. negative Steuerspannung U_Dt= als Polaritätsinformation liefert und zum anderen einem Vollweggleichrichter 2, der den Betrag der Eingangsspannung U bildet. Mit diesem wird ein Spannungen in Frequenzen umsetzender U/f-Wandler 3 angesteuert, dess.en Ausgangssignal mittels eines Impulsformers 4 in eine entsprechende Folge von RechteckimpulsenIn the transmitter part of the transmission device, the analog signal of the voltage U_ present at the input E is fed to a comparator 1 on the one hand, which supplies a positive or negative control voltage U _{Dt = as polarity information in accordance with the positive and negative U 1} - V / erts and, on the other hand, to a Full-wave rectifier 2, which forms the amount of the input voltage U. This controls a U / f converter 3 which converts voltages into frequencies, whose output signal is converted into a corresponding sequence of square-wave pulses by means of a pulse shaper 4

umgeformt wird. Dieses Signal U_oe ist mit dem durch ein Ver-is reshaped. This signal U _oe is linked to the

DODO

zögerungsglied 5 bis zur negativen Flanke des nächstfolgenden U₀₅ - Spannungsimpulses v/erzögerten Polaritätssignal U.L in einem Exclusiv-Oder-Glied 6 verknüpft.Delay element 5 linked to the negative edge of the next U ₀₅ voltage pulse v / delayed polarity signal UL in an exclusive-OR element 6.

5 Oas Verzögerungsglied 5 besteht aus einem vom Impulsformer 4 getakteten flankengetriggerten JK-Master-Slave-Flip-Flop 7, bei dem der eine Eingang (z.B. j) direkt und der andere (z.B. K) über einen Inverter 8 mit dem Ausgang des («Comparators I verbunden ist. Es verhindert in vorteilhafter Weise das Entstehen ein— es zusätzlichen die Nachricht verfälschenden Impulses beim Polarisationswechsel im Empfänger.5 Oas delay element 5 consists of a pulse shaper 4 clocked edge-triggered JK master-slave flip-flop 7, at one input (e.g. j) directly and the other (e.g. K) Connected to the output of the comparator I via an inverter 8 is. It advantageously prevents the occurrence of an additional pulse which falsifies the message when the polarization changes in the receiver.

Das Ausgangssignal Ug des Exclusiv-Oder-Gatters 6 wird mittels eines die elektrischen in optische Signale umsetzenden E/O-Wandlers 9, eines Lichtwellenleiters Io und eines die optischen in elektrische Signale umsetzenden O/E-Wandlers 11 zum Empfänger übertragen, dort zunächst in einer Trennschaltung 12 wieder in ein Polaritätssignal U_n- und ein Betragssignal U_Q_ aufgetrenntThe output signal Ug of the exclusive-OR gate 6 is transmitted to the receiver by means of an E / O converter 9 which converts the electrical signals into optical signals, an optical waveguide Io and an O / E converter 11 which converts the optical signals into electrical signals, there initially in a separating circuit 12 again separated into a polarity signal U _n - and an amount signal U _Q _

rt Dtrt Dt

und nach Umformung des digitalen Betragssignales in ein analoges Signal mittels eines f/u-Wandlers 13 in einem Operationsverstärker 14 mit steuerbarem Verstärkungsfaktor + 1 zusammengefügt und auf den Ausgang A geführt.and after conversion of the digital amount signal into an analog signal by means of an f / u converter 13 in an operational amplifier 14 combined with a controllable gain factor + 1 and fed to output A.

In dem Trennglied 12 wird das Signal U_c nach den im Abstand T eintreffenden Impulsen der konstanten Breite t abgetastet (Abtastimpulse U_rp). Der logische Pegel zu diesen Zeitpunkten wird in einem D-Flip-Flop 15 jeweils bis zum Eintreffen des nächsten Abtastimpulses gespeichert. Das Signal am Ausgang 8 des D-Flip-Flops 15 stellt das Polaritätssignal U_pp dar. Das Eingangssignal U„ und das am Ausgang Q des D-Flip-Flops 15 zur Verfugung οIn the separator 12, the signal U _{c is} sampled after the pulses of constant width t arriving at a distance T (sampling pulses U _rp ). The logic level at these times is stored in a D flip-flop 15 until the arrival of the next sampling pulse. The signal at the output 8 of the D flip-flop 15 represents the polarity _{signal U pp} . The input signal U "and that at the output Q of the D flip-flop 15 are available ο

stehende Polaritätssignal U_p_ bilden, verknüpft in einem Exclusiv-Oder-Gatter 16,das Triggersignal U__ eines monostabilen Multivibrators 17. Dieser erzeugt Impulse der Dauer t > t im Abstand T. Das Ausgangssignal U_n- des monostabilen MultivibratorsForm standing polarity _{signal U p} _, linked in an exclusive-OR gate 16, the trigger signal U__ of a monostable multivibrator 17. This generates pulses of duration t> t at a distance T. The output signal U _n - of the monostable multivibrator

OC.OC.

17 wird einerseits dem nachfolgenden f/U-Wandler 13 zugeführt; zum anderen werden daraus zusammen mit dem in einer Verzögerungsschaltung 18 um die Zeit f verzögerten invertierten Ausgangssignal U_O1_ über ein NDR-Glied 19 die genannten Abtastimpulse U₀,-□t Ij r17 is fed to the following f / U converter 13 on the one hand; on the other hand, together with the inverted output signal U _O1 _ delayed by the time f in a delay circuit 18, the above-mentioned sampling pulses U ₀ , - □ t Ij r

gewonnen, die als Taktimpulse der Dauer T des D-Flip-Flops 15 dienen.obtained as clock pulses of duration T of the D flip-flop 15 to serve.

Claims (1)

PatentansprücheClaims /Verfahren zur optischen Übertragung elektrischer Signale mit positiven und negativen Spannungswerten, bei dem senderseitig mittels eines U/f - Wandlers die Eingangsspannungsänderungen in Frequenzänderungen umgesetzt und diese nach der Signalübertragung über einen E/0 - Wandler, einen Lichtwellenleiter und einen 0/E - Wandler empfängerseitig mittels eines f/u — Wandlers in Spannungsänderungen rückumgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl im Sender als auch im Empfänger eine Auftrennung der jeweiligen elektrischen Eingangsspannung nach Betrag und Polarität vorgesehen und die ' Polaritätsinformation dem Ausgangssignal des vom jeweiligen Betragssignal angesteuerten U/f - bzw. f/U - Wandlers ( 3 bzw, 13 ) zugesetzt ist./ Method for the optical transmission of electrical signals with positive and negative voltage values, in which the input voltage changes by means of a U / f converter on the transmitter side converted into frequency changes and these after the signal transmission via an E / 0 converter, a fiber optic cable and a 0 / E converter on the receiver side converted back into voltage changes by means of an f / u converter are, characterized in that a separation of the respective electrical input voltage in both the transmitter and the receiver provided according to amount and polarity and the 'polarity information is the output signal of the respective Amount signal controlled U / f or f / U converter (3 or 13) is added. 2, Schaltung zur senderseitigen Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang (e) ein Komparator (l) zur Erzeugung des Polaritätssignals, sowie ein Vollweggleichrichter (2) angeschlossen ist, der den Betrag der Eingangsspannung bildet und diesen über den U/f—Wandler (3) und einen Impulsformer (4) einem Exclusiv-Oder-Glied (s) zuführt, dessen zweiter Eing»ng vom Komparator (l) angesteuert und dessen Ausgang mit dem Eingang des E/G - Wandlers verbunden ist,2, circuit for carrying out the method on the transmitter side Claim 1, characterized in that at the input (e) a Comparator (1) for generating the polarity signal, as well as a full-wave rectifier (2) is connected, the amount of the input voltage and this via the U / f converter (3) and a pulse shaper (4) to an exclusive-OR element (s) supplies, the second input of which is controlled by the comparator (1) and whose output is connected to the input of the E / G converter, 3, Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Komparator (l) und dem Exclusiv-Oder-Glied (6) ein flankengetriggertes JK-Master-Slave-Flip-Flop (7) eingeschaltet ist, dessen einer Eingang direkt und dessen anderer Eingang über einen Inverter (θ) mit dem Ausgang des Komparators (l) verbunden sind und das vom Ausgangssignal des Impuls formers (4) getaktet ist.3, circuit according to claim 2, characterized in that between the comparator (1) and the exclusive-or element (6) Edge-triggered JK master-slave flip-flop (7) switched on one input directly and the other input via an inverter (θ) to the output of the comparator (l) are connected and that from the output signal of the pulse shaper (4) is clocked. 4. Schaltung zur empfängerseitigen Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des o/E - Wandlers (ll) einerseits über ein Exclusiv-Oder-Glied (16), einen monostabilen Multivibrator (Γ7), sowie dem f/U - Wandler (13) und andererseits über ein das Polaritätssignal erzeugendes D-Flip-Flop (15) einem Ausgangsverstärker (14) mit dem steuerbaren Verstärkungsfaktor j- I zugeführt ist, wobei der eine Ausgang des monostabilen Multivibrators (17) direkt und der invertierte Ausgang über ein Verzögerungsglied (18) mit je einem Eingang eines NOR-Gliedes (19) verbunden ist, welches das D-Flip-Flop (15) taktet, dessen Ausgang ( Q ) mit dem zweiten Eingang des E>iclusiv-Oder-Gliedes (16) verbunden ist.4. Circuit for carrying out the method on the receiver side according to claim 1, characterized in that the output signal of the O / E converter (ll) on the one hand via an exclusive-OR element (16), a monostable multivibrator (Γ7), and the f / U converter (13) and, on the other hand, via a das Polarity signal generating D flip-flop (15) an output amplifier (14) with the controllable gain factor j-I is fed, the one output of the monostable multivibrator (17) directly and the inverted output via a Delay element (18) is connected to one input each of a NOR element (19) which clocks the D flip-flop (15), its output (Q) with the second input of the E> inclusive-OR element (16) is connected.