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Gebiet der
Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine elektrische
Datenübertragungseinrichtung
zur Übertragung
digitaler Daten in einem vorbestimmten Frequenzbereich. Die Datenübertragungseinrichtung
umfasst eine Busleitung mit einem vorbestimmten Wellenwiderstand
und eine Anzahl von an vorbestimmten Stellen entlang der Busleitung angeordneten
Koppeleinrichtungen zur Dateneinkopplung in die Busleitung und/oder
Datenauskopplung aus der Busleitung.
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Stand der
Technik
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Mittels dieser Datenübertragungseinrichtung
kann eine Mehrzahl von sendenden und/oder empfangenden, räumlich voneinander
getrennten Subsystemen eines Datenübertragungssystems elektrisch
miteinander verbunden werden. Bei einem Subsystemen kann es sich
um eine direkt an den Bus angeschlossene Datenendstelle oder um
eine Abzweigleitung, an die wieder weitere Subsysteme angekoppelt
sind, handeln. Beispielsweise greift man bei modernen Luftfahrtelektroniksystemen
auf Datenbusnetzwerke zurück,
um eine Datenübertragung
zwischen räumlich
getrennten Subsystemen zu ermöglichen,
welche Flug- und Navigationselektronik und Flugsteuerungseinrichtungen
umfassen.
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Im Flugzeugbereich sind derzeit drei
Lösungen
zur Datenübertragung
mit galvanischer Ankopplung an die Busleitung in Verwendung.
- 1. Viele der derzeitigen kommerziellen Flugzeuge
sind mit einem Bussystem ausgerüstet,
bei welchem ein Datenbus ausschließlich einer einzigen datensendenden
Endstelle zugeordnet ist (ARINC 429). Daten, die von dieser datensendenden
Endstelle ausgehen, können
von einer Anzahl an diesen Datenbus angeschlossener datenempfangender
Endstellen aufgenommen werden. Da das Elektroniksystem eines Flugzeugs
eine recht große
Anzahl über
das Flugzeug verteilter und damit teilweise recht weit voneinander
entfernter Subsysteme mit je einer datensendenden Endstelle enthalten
kann, kann die hierfür
erforderliche Verdrahtung recht umfangreich sein.
- 2. Für
viele militärische
Anwendungen ist die Verwendung einer Lösung mit Multiplex-Datenbus
vorgeschrieben (MIL-Standard 1553). Diese Lösung basiert auf der Verwendung
einer softwaregesteuerten zentralen Bussteuerungseinrichtung, welche
höchste
Autorität über den
Datenbus sowie über
alle daran angeschlossenen Endstellen hat, bei denen es sich je
um sendende und/oder empfangende Endstellen handeln kann. Diese
Multiplex-Datenbus-Lösung
reduziert immens den Verdrahtungsumfang eines Flugzeugelektroniksystems,
womit eine Verringerung von Gewicht und Kosten und eine Erhöhung der
Zuverlässigkeit einhergehen.
Bei dieser Lösung
verwendet man derzeit einen Datenbus mit Spannungsbetrieb. Das heißt, die
Daten werden als Spannungssignale übertragen, welche über ein
verdrilltes Leiterpaar als Übertragungsmedium
geschickt werden. Bei einem Datenbus mit Spannungsbetrieb geschieht
die Datenkopplung zwischen dem Datenbus und davon abzweigenden Endstellen
mittels spannungsmäßig koppelnder
Kopplereinrichtungen in Form von Spannungsübertragern mit Primärwicklungen,
deren Wicklungsenden mit je einem von zwei Busleitern verbunden
sind. Jede Kopplereinrichtung weist eine Kopplerimpedanz auf, die den
Busleitern an der Koppelstelle parallel geschaltet ist. An jeder
Koppelstelle entsteht daher eine Impedanz, die aus der Parallelschaltung
von Bus-Wellenwiderstand und Kopplerimpedanz resultiert und daher niedriger
ist als der Wellenwiderstand der Busleitung. Daher erzeugt jede
Abzweigkopplung einen Impedanzsprung, der auf dem Datenbus eine
negative Reflexion der über
den Datenbus geschickten elektromagnetischen Wellen hervorruft,
also eine reflektierte elektromagnetische Welle mit einer Polarität, die der
Polarität
der über
den Datenbus geschickten Welle entgegengesetzt ist. Die Impedanzfehlanpassungen
und daraus resultierenden Reflexionen an den Koppelstellen führen zu
einer Grenze hinsichtlich der Anzahl der an einen Datenbus anschließbaren Datenendstellen.
- 3. Das neueste für
kommerzielle Flugzeuge verwendete Bussystem mit dem Namen "Multi-Transmitter Data
Bus" (ARINC 629)
ist eine Lösung
mit Vielfachzugriff und bidirektionalem Protokoll. Existierende
Realisierungen dieses Systems betreiben den Datenbus im Strombetrieb.
Dabei werden Daten als Stromsignal durch ein verdrilltes Leiterpaar
als Übertragungsmedium
geschickt. Ankopplungen an den Datenbus finden durch strommäßige Kopplung
statt. Hierfür
können
strommäßig koppelnde
Stromübertrager
verwendet werden, deren Primärwicklungen
seriell in einen der Busleiter eingefügt sind. Dadurch entsteht an
der Koppelstelle eine Impedanz, die höher ist als der Wellenwiderstand
der Busleitung. Auch dies führt
zu einem Impedanzsprung an jeder Koppelstelle. Diese Art Impedanzsprung
erzeugt eine positive Reflexion der über den Datenbus geschickten
elektromagnetischen Wellen, also eine reflektierte elektromagnetische
Welle mit einer Polarität,
die mit der Polarität
der über
den Datenbus geschickten Welle übereinstimmt.
Auch diese Reflexion führt
zu einer Grenze hinsichtlich der Anzahl der an einen Datenbus anschließbaren Datenendstellen.
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Ein Beispiel eines Bussystems mit
strommäßigen Ankopplungen
an eine Busleitung, die durch ein verdrilltes Leiterpaar gebildet
ist, mittels Stromübertragern
ist in der US-A-4 264 827 beschrieben.
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Ein weiteres Bussystem mit einem
verdrillten Leiterpaar ist aus der FR-A-2 612 019 (Lober et al.),
angemeldet auf Electricite de France. Diese Schrift zeigt eine stromgekoppelte
Datenübertragungseinrichtung zum Übertragen
von Daten auf den Bus und zum Empfangen von Daten von dem Bus.
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Die US-A-4 622 535 (Ise et al.),
Anmelderin Sharp K. K., Osaka, Japan vermittelt eine Empfangsschaltung
für ein
Datenübertragungssystem
zum Übertragen
und Empfangen von Daten über
eine Übertragungsleitung.
Die US'535 lehrt
eine spannungsgekoppelte Datentransfereinrichtung und eine stromgekoppelte
Datentransfereinrichtung. In dieser Schrift allerdings findet sich
keine Diskussion der Auswirkung der Reflexion von Signalen an der
Busleitung der Datenübertragungsschaltung
aufgrund des Einflusses der zusätzlichen Wellenwiderstände auf
der Busleitung, die durch die stromgekoppelte Datentransferein richtung
und die spannungsgekoppelte Datentransfereinrichtung hervorgerufen
werden.
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Offenbarung
der Erfindung
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Ziel der Erfindung ist es, eine Datenübertragungseinrichtung
mit einer Busleitung und daran angekoppelten Koppeleinrichtungen
zu schaffen, bei der an den Koppelstellen keine oder stark reduzierte
Reflexionen auftreten.
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Dieses und weitere Ziele der Erfindung
werden dadurch erreicht, dass
- a) an jeder Koppelstelle
der Busleitung sowohl eine spannungsmäßige als auch eine strommäßige Kopplung
erfolgt; und
- b) die für
die Reflexionsverursachung hauptsächlich verantwortlichen Komponenten
der im Rahmen der Erfindung verwendeten Koppler so ausgelegt werden,
dass sie vollständig
oder zumindest im wesentlichen Reflexionen entgegengesetzter Polarität aus der
spannungsmäßigen und
der strommäßigen Kopplung auslöschen.
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Eine erfindungsgemäße Datenübertragungseinrichtung
weist daher an jeder Koppelstelle mindestens sowohl einen spannungsmäßig koppelnden
Spannungsübertrager
als auch einen strommäßig koppelnden Stromübertrager
auf. Deren impedanzbestimmende Komponenten sind derart aufeinander
abgestimmt, dass sich die durch die spannungsmäßige Kopplung verursachte negative
Reflexion und die von der strommäßigen Reflexion
verursachte positive Reflexion im wesentlichen gegeneinander aufheben.
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Zum leichteren Ankoppeln von Subsystemen
an den Datenbus können
die Sekundärwicklungen
der Übertrager
mit lösbaren
Steckverbindern versehen sein, über
welche sendende und/oder empfangende Datenendstellen direkt oder über Subsystem-Busleitungen
anschließbar
sind.
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Bei praktischen Ausführungsformen
braucht man nicht unbedingt alle an der Entstehung von Reflexionen
beteiligten Komponenten der Koppeleinrichtungen bei der Aufhebung
der entgegengesetzt gerichteten Reflexionen zu berück sichtigen.
Es gibt Komponenten, die stark zum Entstehen von Reflexionen beitragen, und
Komponenten, deren Anteil an der Entstehung von Reflexionen schwach
ist. Man erhält
bereits gute Ergebnisse, wenn man bei der Auslegung von Komponenten
für eine
Aufhebung der entgegengesetzt gerichteten Reflexionen nur die in
stärkerem
Maß an
der Entstehung von Reflexionen beteiligten Komponenten berücksichtigt.
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Als Datenbus kann ein Koaxialkabel
mit einem Innenleiter und einem diesen umgebenden, als Außenleiter
dienenden Schirmleiter verwendet werden, wobei der Innenleiter und
der Außenleiter
die beiden Busleiter des Datenbus bilden. Als Datenbus kann aber
auch ein verdrilltes Leiterpaar verwendet werden, das die beiden Busleiter
bildet, wobei entweder keine Abschirmung vorhanden ist, jeder der
beiden Busleiter einen eigenen Schirmleiter aufweist oder beide
Busleiter von einem gemeinsamen Schirmleiter umgeben sind.
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Die spannungsmäßige Ankopplung mittels des
Spannungsübertragers
geschieht dadurch, dass die beiden Busleiter an der Koppelstelle
von der Primärwicklung
des Spannungsübertragers überbrückt werden. Die
strommäßige Ankopplung
geschieht dadurch, dass die Primärwicklung
des Stromübertragers
an der Koppelstelle seriell in einen der beiden Busleiter eingefügt wird.
Bei einem Koaxialkabel als Busleiter weist der Stromübertrager
eine einzige Primärwicklung
auf, die seriell in den Innenleiter des Koaxialkabels eingefügt wird.
Bei einem verdrillten Leiterpaar als Datenbus weist der Stromübertrager
zwei Primärwicklungen
auf, die in je einen der beiden verdrillten Leiter seriell eingefügt sind.
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Damit das Bussystem insgesamt reflexionsfrei
arbeitet, darf es keine Busleiterenden haben, an denen Reflexion
auftritt. Verwendet man für
das Bussystem einen Ringbus, bei dem die Busleitung in sich geschlossen
ist, besteht an allen Stellen entlang der Datenbusleitung ein "Abschluss" mit deren Wellenwiderstand.
Ist der Datenbus nicht in sich geschlossen, sondern weist zwei Busenden
auf, werden diese je mit einem Widerstand abgeschlossen, dessen
Widerstandswert gleich dem Wellenwiderstand der Busleitung ist.
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Beschreibung der Figuren:
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1 ist
eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Datenübertragungseinrichtung
mit einer Busleitung in Form eines verdrillten Leiterpaares und
einer Anzahl Koppeleinrichtungen;
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2 ist
ein Teil der in 1 schematisch
gezeigten Datenübertragungseinrichtung
mit der Darstellung nur einer Koppeleinrichtung;
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3 ist
eine zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Datenübertragungseinrichtung
mit einer Busleitung in Form eines Koaxialkabels und einer Anzahl
Koppeleinrichtungen;
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4 ist
ein Ersatzschaltbild einer Koppeleinrichtung der in 2 gezeigten Datenübertragungseinrichtung;
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5 ist
eine modifizierte Form des in 4 gezeigten
Ersatzschaltbildes, bei welcher Ohmsche Impedanzen weggelassen sind;
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6 ist
eine Ersatzschaltung für
den spannungsmäßig koppelnden
Teil;
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7 ist
ein Ersatzschaltbild für
den Spannungsübertrager;
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8 ist
ein Ersatzschaltbild für
den strommäßig koppelnden
Teil;
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9 ist
eine Ersatzschaltung für
den Stromübertrager;
und
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10 ist
eine Ersatzschaltung der Schaltung nach 2;
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11 zeigt
das Signal auf der Busleitung.
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1 zeigt
in schematisierter Darstellung eine Datenübertragungseinrichtung 11 mit
einer Busleitung 13, die durch ein verdrilltes Leiterpaar
mit einem ersten Busleiter 15 und einem zweiten Busleiter 17 gebildet ist
und einen Wellenwiderstand Z0 aufweist. In an sich bekannter Weise
enthält
ein verdrilltes abge schirmtes Leiterpaar zwei Drähte mit einem in einem Isolator
eingebetteten Mitteilleiter, die miteinander verdrillt sind. Anschließend ist
um die verdrillten Drähte
eine Abschirmung angeordnet. Bei der bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung besteht der Mittelleiter aus einem Kupferdraht, der Isolator
besteht aus expandiertem PTFE, geliefert beispielsweise von W. L.
Gore & Associates
GmbH, Pleinfeld, Deutschland. Allerdings können auch andere Werkstoffe
für den
Mittelleiter und die Isolatoren verwendet werden. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung ist das verdrillte abgeschirmte Paar eine symmetrische
Leitung, d. h. Eine Leitung mit einem definierten Wellenwiderstand
Z0 zwischen den beiden Busleitungen 15 und 17,
wobei die beiden Busleitungen 15 und 17 im wesentlichen
die gleiche Zeitverzögerung
besitzen. Eine der beiden Busleitungen 15 und 17 überträgt den positiven
Anteil des Datensignals, während
die andere Leitung der beiden Busleitungen 15 und 17 den
negativen Teil des Datensignals überträgt.
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An entgegengesetzten Kabelenden ist
die Busleitung 13 je mit einem Abschlußwiderstand 19 bzw. 21 abgeschlossen,
die je einen Widerstandswert gleich dem Wellenwiderstand Z0 der
Busleitung haben. Entlang der Busleitung 13 und mit Abstand
voneinander ist eine Anzahl Terminals TM1, TM1 ... TMN – 1 und
TMN angeordnet sind, bei denen es sich je um ein sendendes und/oder
empfangendes Terminal handeln kann. Jedes der Terminals TM1 bis
TMN ist mittels einer zugehörigen
Koppeleinrichtung C1, C2 ... CN – 1 bzw. CN mit der Busleitung 13 gekoppelt.
Jede der Koppeleinrichtungen umfasst einen in 1 je links dargestellten spannungsmäßigen Koppelteil 2 zur
spannungsmäßigen Ankopplung
an die Busleitung 13 und einen in 1 je rechts dargestellten spannungsmäßigen Koppelteil 4 zur
strommäßigen Ankopplung
an die Busleitung 13. Der Spannungs-Koppelteil 2 kann
auf der rechten Seite, der Strom-Koppelteil 4 auf
der linken Seite liegen.
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Eine der Koppeleinrichtungen wird
nun ausführlicher
anhand von 2 betrachtet.
In dieser ist neben der Busleitung 13 mit den Busleitern 15 und 17 und
den wellenwiderstandsmäßig abschließenden Abschlußwiderständen 19 und 21 nur
eine einzige Koppeleinrichtung zum Anschluß eines der Terminals dar gestellt.
Erfindungsgemäß umfasst
diese Koppeleinrichtung den spannungsmäßigen Koppelteil 2 und
einen strommäßigen Koppelteil 4.
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Der spannungsmäßige Koppelteil 2 umfasst
einen Spannungsübertrager 23 mit
einer Primärwicklung 25 und
einer Sekundärwicklung 27.
Die Primärwicklung 25 überbrückt die
beiden Busleiter 15 und 17 dadurch, dass ihre
freien Enden an Verbindungspunkten 29 bzw. 31 mit
den Busleitern 15 bzw. 17 verbunden sind, beispielsweise
durch eine Lötverbindung.
Die Sekundärwicklung 27 weist
freie Enden 33 und 35 auf, die mit (nicht dargestellten)
Anschlusselementen versehen sind, mittels welchen an 33 und 35 eine
Sender- oder Empfänger-Einheit
(nicht dargestellt) anschließbar
ist, beispielsweise über
eine lösbare
Steckverbindung. In 2 ist dies
ersatzweise durch je eine Lastimpedanz Rx oder Tx dargestellt, welche
die Impedanz eines Empfängerteils
bzw. eines Senderteils des zugehörigen
Terminals repräsentieren.
An die Koppeleinrichtungen können Terminals
angeschlossen sein, die reine Sender oder reine Empfänger sind
oder die sowohl als Sender als auch als Empfänger fungieren können.
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Zur strommäßigen Kopplung ist ein Stromübertrager 37 vorgesehen,
der zwei Primärwicklungen 39 und 41 sowie
eine Sekundärwicklung 43 aufweist.
Eine erste Primärwicklung 39 ist
seriell in den ersten Busleiter 15 eingefügt, während die
zweite Primärwicklung 41 seriell
in den zweiten Busleiter 17 eingefügt ist. Die Sekundärwicklung 43 weist
zwei freie Enden 45 und 47 auf, an welche ein
strommäßig gekoppelter
Teil des zugehörigen
Terminals anschließbar
ist, beispielsweise wieder mittels einer Steckverbindung, wobei
der zugehörige
Schaltungsteil des an diese Koppeleinrichtung angeschlossenen Terminals
durch eine Lastimpedanz Rx oder Tx dargestellt ist, welche die Impedanz
eines Empfängerteils
bzw. eines Senderteils repräsentiert.
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In 3 ist
eine zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Datenübertragungseinrichtung 11 dargestellt,
die mit einer Busleitung 49 in Form eines Koaxialkabels
mit einem Innenleiter 51 und einem Außenleiter 53 aufgebaut
ist. An entgegengesetzten Kabelenden ist die Busleitung 49 wie
im Fall der 1 je mit einem
Abschlußwiderstand 19 bzw. 21 versehen,
dessen Widerstandswert gleich dem Wellenwiderstand Z0 der Busleitung 49 ist.
Wie im Fall der
1 sind
mittels Koppeleinrichtungen C1 bis CN Terminals TM1 bis TMN angekoppelt.
Wie im Fall der 1 umfasst
bei der Ausführungsform
in 2 jede Koppeleinrichtung einen
spannungsmäßig koppelnden
Spannungsübertrager 23 und
einen strommäßig koppelnden
Stromübertrager 37.
Abweichend von der in 1 gezeigten
Ausführungsform
weist bei der Ausführungsform
der 3 der Stromübertrager 37 nur
eine Stromübertragerprimärwicklung 39 auf,
die seriell in den Innenleiter 51 der Busleitung 49 eingefügt ist.
Ansonsten besteht Übereinstimmung
mit der in 1 gezeigten
Ausführungsform. Dies
gilt auch hinsichtlich der ausführlicheren
Darstellung in 2, die
man für
eine Betrachtung der in 3 gezeigten
Ausführungsform
verwenden kann, wenn man die zweite Primärwicklung 41 des Stromübertragers weglässt.
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Man kann sich die Busleitungen 13 oder 49 als
eine lange Filterkette mit mehreren Induktivitäten in Reihenschaltung und
mehrere Kapazitäten
in Parallelschaltung zu dem Busleitungen 15, 17, 51, 53 denken. Dies
ist in 4 dargestellt,
in der r für
den Reihenwiderstand der Busleitungen 15, 17, 51 und 53 steht,
L die Induktivität
der Busleitung 13, 49 ist, g der Parallelwiderstand
aufgrund des Leckstroms durch den dielektrischen Isolator zwischen
den Busleitungen 15 und 17 oder 51 und 53 ist.
C ist die Kapazität
zwischen den Busleitungen 13 und 49, z. B. die
Kapazität
zwischen den zwei einzelnen Leitern 15 und 17 der
Ausführungsform nach 1 oder die Kapazität zwischen
dem Mittelleiter 51 und dem Außenleiter 53 der Ausführungsform
nach 3.
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Der Wellenwiderstand Zo der Busleitung
13,
49 ist
dann durch folgende Gleichung gegeben:
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Die erfindungsgemäße Busleitung 13, 49 verwendet
Bitraten von 2 Megabit, was einer Signalfrequenz von 6 MHz entspricht.
Bei derart hohen Frequenzen sind der Reihenwiderstand g und der
Parallelwiderstand g vernachlässigbar
im Vergleich zu der Impedanz der Induktivität L und der Kapazität C in der
obigen Gleichung (1). Die Busleitung 13 oder 49 lässt sich
darstellen durch eine Schal tung gemäß 15,
wobei der Wellenwiderstand durch folgende Gleichung gegeben ist: Zo = √L/C (2)
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Nebenbei erkennt man, dass die Schaltung
nach 5 ein Tiefpassfilter
ist.
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Wir wollen nun den Effekt des spannungsmäßigen Koppelteils 2 aufgrund
des einen der Terminals TMN an der Busleitung 3 betrachten,
das aus dem verdrillten abgeschirmten Paar besteht, das eine symmetrische
Leitung gemäß 1 bildet. Die Ersatzschaltung
der spannungsmäßigen Kopplung 2 für sich genommen
ist in 6 dargestellt.
Man erkennt, dass zwei Induktivitäten L in dieser Ersatzschaltung
enthalten sind. Jede von ihnen repräsentiert die Induktivität einer
der Busleitungen 15 oder 17 des verdrillten abgeschirmten Leiterpaares.
C ist die Kapazität
zwischen den Busleitungen 15 und 17. Ztvm ist
die Impedanzänderung
der Busleitung 13, die verursacht durch die Hinzufügung des
spannungsmäßigen Koppelteils 2 zu
der Busleitung 13. Zvm ist der Wellenwiderstand ausschließlich des
spannungsmäßigen Koppelteils 2.
Wie in 7 gezeigt ist,
die die Ersatzschaltung für
den Spannungsübertrager 23 in
dem Bus 13 zeigt, lässt
sich Zvm darstellen durch einen Widerstand Rvm und eine dazu parallele
Kapazität
Cvm zwischen den Busleitungen 15 und 17 und dem
Bus 13. Aus Gründen
der Vereinfachung zeigt 7 lediglich
eine der Busleitungen 15 oder 17 und damit die
Werte für
die Kapazität
C und die Induktivität
L auf die Hälfte
reduziert. Der Wert für
Zvm ist durch folgende Gleichung gegeben: Zvm = 1/(Rvm + Cvm) (3)
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Die Impedanz Zvm der spannungsmäßigen Kopplung
ist im Nebenschluss verbunden mit dem Wellenwiderstand Zo der Busleitung,
und dies führt
zu einer Impedanz-Fehlanpassung zwischen den Punkten 29 und 31 (dargestellt
in 2), an denen der
spannungsmäßige Koppler 2 angeschlossen
ist. Diese Im pedanz-Fehlanpassung verursacht eine Reflexion einer
Welle entsprechend einem Datensignal auf der Busleitung 13.
Die Reflexion ist negativ als Auswirkung des Umstands, dass die
spannungsmäßige Koppelimpendanz
Zvm parallel zu Zo dazu führt,
dass Ztvm eine verringerte Impedanz im Vergleich zu dem Wellenwiderstand
des Busses 13, Zo aufweist. Der Wert von Ztvm ist dann
gegeben durch: Ztvm
= (Zo/Zvm) (4)und
der Reflexionskoeffizient CRvm für
den Spannungskoppler 2 ist: CRvm = (Ztvm – Zo)/(Ztvm
+ Zo) (5)
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8 zeigt
die Schaltung für
die Ausführungsform
nach 1 für ausschließlich den
strommäßigen Koppelteil 4.
Dargestellt werden kann dies durch die in 9 dargestellte Ersatzschaltung. Man erkennt
in dieser Schaltung, dass der Wert der Induktivitäten der
Busleitung 13 und der Kapazität zwischen den beiden Busleitungen 15 und 13 um
die Hälfte
reduziert werden kann, wenn man lediglich die Auswirkung der strommäßigen Kopplung
an eine der Busleitungen 15 und 17 betrachtet.
Der Stromübertrager 37 lässt sich
dann in dieser Schaltung darstellen durch eine Lastimpedanz Rcm/2
und eine Induktivität
Lcm/2 in Reihe mit einer der Busleitungen 15 oder 17.
Die Summe der Lastimpedanz Rcm/2 und der Induktivität Lcm/2
führt zu
einer Gesamtimpedanz Zcm: Zcm = Rcm/2 + Lcm/2 (6)
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Dies führt zu einer Impedanz-Fehlanpassung
Ztcm, die eine Reflexion einer Wanderwelle auf dem Bus 13 bewirkt
und sich folgendermaßen
errechnet: Ztcm =
Zo + Zcm (7)
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Die Reflexion ist positiv, da Zcm
in Serie zu dem Wellenwiderstand des Busses Zo liegt, was zu einer erhöhten Impedanz
von Ztcm im Vergleich zu Zo führt.
Der Reflexionskoeffizient CRcm aufgrund der strommäßigen Kopplung
errechnet sich dann aus der Formel: CRcm = (Ztcm – Zo)/(Ztcm
+ Zo) (8)
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Nachdem die Auswirkung der spannungsmäßigen Kopplung 2 und
der strommäßigen Kopplung 4 verstanden
ist, lassen sich diese Prinzipien auf die Ausführungsform nach 2 anwenden. 10 zeigt eine Ersatzschaltung für die in 2 gezeigte Ausführungsform
der Erfindung, in die die Ersatzschaltungen nach 7 und 9 eingearbeitet
sind. Die Impedanz Zcv der spannungsmäßigen Kopplung 2 und
der strommäßigen Kopplung
in Kombination ergibt sich dann durch folgende Gleichung: (Rcm/2 + Lcm/2)/(Rvm + Cvm)=
(Zcv)2 (9)
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Es kommt dann zu keiner Reflexion
einer eine Busleitung entlanglaufenden Welle, wenn die Impedanz Zcv
mit dem charakteristischen Wellenwiderstand Zo übereinstimmt, d. h.: Zcv = Zo (10)
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Somit wird eine Reflexions-Kompensation
dann erreicht, wenn
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Alternativ lässt sich durch folgende Gleich
ausdrücken:
Ztvm + Ztcm = 0 (12)
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Somit können bei geeigneter Wahl der
strommäßigen Lastimpedanz
Rvm, der spannungsmäßigen Lastimpedanz
Rvm, der strommäßigen Lastinduktivität Lcm und
der spannungsmäßigen Lastkapazität Cvm Einrichtungen
an dem Bus anbringen, die keine Reflexion einer eine Busleitung 13 entlanglaufende
Welle hervorrufen.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der Sendekanal als spannungsmäßige Koppeleinrichtung 2 gewählt, der
Empfangskanal wird als strommäßige Koppeleinrichtung 4 gewählt. Der
Grund hierfür
ist der, dass, wenn die strommäßige Koppeleinrichtung 4 als
Sendekanal verwendet wird, dies für den Bus 13 eine
sehr hohe Impedanz im nicht sendenden Zustand darstellen würde, was
auf andere Weise kompensiert werden müsste. Der Empfangskanal stellt
vorzugsweise zu jeder Zeit eine hohe Impedanz für den Bus 13 dar und
wird deshalb in vorteilhafter Weise für die strommäßige Kopplungseinrichtung 4 gewählt.
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Nebenbei wurde die Ausbildung eines
Tiefpassfilters in 5 dargestellt.
Aus 7 entnimmt, dass der
Spannungsübertrager
dann als Tiefpassfilter wirkt, wenn Rvm klein ist, was in der Praxis
der Fall ist. Damit lässt
sich 7 als Tiefpassfilter
betrachten. Bei der derzeit ausgelegten Ausführungsform der Erfindung ist das
Signal auf der Busleitung 13 im wesentlichen eine Rechteckwelle
mit einer Bitrate von 2 Megabit, wie dies in 11 dargestellt ist. Die übertragene
Signalwelle ist definiert als Doubletten mit je einer Doublette
als positiver/negativer Anteil mit einer Frequenz von 6 MHz. Wie
aus der Elektronik bekannt ist, besitzt die Rechteckwelle eine größere Anzahl
von sinusförmigen
Oberwellen. Eine Fouriertransformations-Analyse über die Oberwellenfrequenzen
in dem Doublettensignal-Wellenzug (11)
der dargestellten Ausführungsform
erteilten Leistung ergibt, dass 99% der Leistung in den Signalen
mit Oberwellen unterhalb von 80 MHz enthalten sind. Dies gibt einen
Maximalwert vor, den Cvm annehmen kann, um sicherzugehen, dass Signale
mit dieser höchsten
Frequenz entlang der Busleitung 13 laufen. Der Maximalwert
für Cvm
errechnet sich aus folgender Gleichung: 1/2πfgCvm < Zo (13)wobei fg die Eckfrequenz des Tiefpassfilters ist,
d. h. die erforderliche Maximalfrequenz, die das Tiefpassfilter durchlassen
muss, ist bei der bevorzugten Ausführungsform 80 MHz. Der Wellenwiderstand
Zo der Busleitung 13 hängt
ab von den für
den Bus verwendeten Kabeln und hat im allgemeinen einen Wert zwischen
etwa 50 Ω und
130 Ω.
Bei der aufgebauten Ausführungsform
besteht der Wellenwiderstand Zo 75 Ω. Dies ergibt folglich eine
maximale Kapazität
Cvm von 26 pF.
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Auf dem Gebiet des Entwurfs eines Übertragers
ist es bekannt, ihn so zu entwerfen, dass er eine Kapazität von Cvm
besitzt. Vergleiche zum Beispiel das Buch Reference Data for Radio
Engineers, veröffentlicht von
Howard W. Sams & Co.,
Inc., auf das Bezug genommen werden kann.
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Nachdem der Wert für Cvm berechnet
ist, kann man die obige Gleichung (11) benutzen und die Werte Rvm
und Rcm (die vernachlässigbar
klein sind) ignorieren, um den Wert für die Induktivität des Stromübertragers
zu berechnen, der erforderlich ist, um eine Reflexion von Null zu
garantieren. Dies führt
zu folgendem Wert von Lcm: Zo2Cvm = Lcm (14)
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Unter Verwendung der gemäß Gleichung
(13) verwendeten Werte bedeutet dies, das die Induktivität des Stromübertragers
146 nH betragen sollte, wenn die Kapazität des Spannungsübertragers
Cvm den Wert 26 pF hat. Dem Entwickler von Übertragern ist bekannt, dass
eine Änderung
der Windungszahl, der Abmessungen der Drähte innerhalb des Übertragers,
des auf die Drähte
aufgetragenen Lacks und dessen Kern die Induktivität des Übertragers ändern. Damit ermöglicht eine
geeignete Auswahl und die Bezugnahme auf Standardwerke, wie z. B.
oben angegeben sind, dem Fachmann das Entwickeln eines Stromübertragers,
der die Bedingung der Gleichung (14) erfüllt.
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Nachdem Entwurf des Stromübertragers
und des Spannungsübertragers
auf diese Weise können
die Einrichtungen Tmn an die Busleitung angeschlossen werden, was
nur geringe oder gar keine Reflexion der eine Busleitung 13 entlang
laufende Wanderwelle hervorruft. Bei der aufgebauten Ausführungsform
der Erfindung wurde eine Gruppe von fünf Kopplern Tmn als Cluster
zusammengefasst angeschlossen. Es stellte sich heraus, dass Dämpfungs-
und Reflexionsverluste durch ein solches Koppler-Cluster unterhalb
von 0,1 dB pro Cluster lagen.
