Устройство гальванической развязки логических сигналов (варианты)

Заявленное техническое решение относится к области электроники, в частности к устройствам приема и передачи информации по проводным линиям связи. Может быть использовано для приема и передачи информации по последовательному интерфейсу в форматах RS-485, RS-422, RS-232, а также импульсных сигналов произвольной длительности в системах автоматического управления и системах сбора и обработки информации

Известны устройства для передачи информации по линиям связи с оптронной и трансформаторной гальванической развязкой, которые обмениваются информацией с периферийными устройствами.

Так, например, известна схема, описанная в патенте РФ на полезную модель: RU 63148 U1 от 10.05.2007, МПК H04L 29/00, «Физическая реализация модуля приемопередатчика интерфейса CAN 2.0В по двухпроводной токовой линии» - [1]. Устройство [1] обеспечивает сопряжение микропроцессора мультиплексного канала с двухпроводной линией передачи данных. Гальваническая развязка осуществляется с помощью оптронов.

Недостаток известного устройства [1] заключается в том, что приемопередатчик цифрового канала содержит оптроны, которые теряют свою работоспособность в условиях воздействия спецфакторов, что существенно снижает надежность устройства и ограничивает область применения такого устройства. Также недостатком использования оптронов является невозможность их применения для гальванической развязки линий высокоскоростной передачи данных.

Известна двухпроводная система для дуплексной передачи информации, описанная в патенте РФ на изобретение: RU 2381627 С1 от 10.02.2010, МПК H04L 5/14, H04B 1/56, «Система для дуплексной передачи информации по двухпроводной линии связи» - [2]. В аналоге [2] применена схема восстановления сигнала на выходе линии связи и подачи питания на удаленное устройство приема информации через ту же линию связи, что существенно снижает помехоустойчивость линии связи. При этом система содержит два соединенных между собой двухпроводной линией и использующих бифазный метод кодирования приемопередающих устройства с расположенными в каждом из них бифазным декодером, бифазным кодером и элементом гальванической развязки в виде трансформатора. В качестве выходных усилителей использованы буферные цифровые усилители с низким выходным сопротивлением, выходы усилителей соединены с последовательно соединенными первичной обмоткой трансформатора и согласующим двухполюсником с импедансом, близким в необходимом диапазоне частот с учетом коэффициента трансформации к волновому сопротивлению линии связи. Кодеры снабжены дополнительным выходом, на котором формируется сигнал, необходимый для подавления на входе приемного тракта передаваемого сигнала, декодеры выполнены по схеме с применением аналоговой фильтрации декодируемых сигналов. Приемный тракт каждого приемопередающего устройства снабжен устройством амплитудно-частотной коррекции.

Недостатком аналога [2] является его сравнительная конструктивная сложность, а также большие энергетические затраты при его работе (при передаче информационных сигналов).

Известна схема гальванической развязки с высокой устойчивостью к переходным процессам по патенту США: US 5952849 (А) от 14.09.1999, ПМК H04L 25/02, H04L 25/493, «Logic isolator with high transient immunity)) - [3]. Аналог [3] содержит узел трансформатора с канальной связью для обеспечения изоляции. Входная схема устройства обеспечивает подачу импульсов, которые указывают нарастающий и спадающий фронты, а выходная цепь схемы на изолированной стороне барьера преобразует сигнал с импульсами обратно в цифровой логический сигнал с нарастающим и спадающим фронтами. Функция опроса позволяет часто обновлять выходные данные. Устройство гальванической развязки по патенту [3] может быть предусмотрено в одном модуле для использования в плате управления технологическим процессом или может быть предоставлено в виде нескольких частей для монтажа на печатной плате.

Также известен приемопередатчик с трансформаторной гальванической развязкой AMD2486 по патенту США US 7683654 (В2) от 23.03.2010, МПК H01F 17/00, H01F 19/08, H03K 17/16, «Signal isolators using micro-transformers)) - [4]. В аналоге [4] в качестве устройства гальванической развязки используется импульсный трансформатор, который включен между формирователем импульсов и оконечным усилителем передатчика, помещен внутри микросхемы и не имеет непосредственной связи с внешними цепями. Импульсный трансформатор является изоляционным барьером и делит схему приемопередатчика на две части. Одна из них имеет гальваническую связь с аппаратурой, в состав которой входит приемопередатчик, который запитывается от общего с аппаратурой источника питания. Другая часть не имеет гальванической связи с основной аппаратурой и требует для своей запитки дополнительного источника питания, гальванически развязанного от основной аппаратуры.

Недостатками аналогов [3] и [4] является сложность его конструкции, и, следовательно, трудность его практической реализации.

Также известны технические решения - устройства гальванической развязки логических сигналов по статье «Изоляторы μModule: Высокоинтегрированные изолированные интерфейсы для ответственных применений от Linear Technology (LTC)» по журналу для инженеров и конструкторов: «Вестник электроники» №3 (57), 2016 г., стр. 44…50, рисунки 1…19 - [5]. Гальваническая развязка в модулях изолированных интерфейсов по [5] основана на использовании встроенных, индукционно соединенных катушек, где данные передаются дифференцированно через границу изоляции. Такой режим передачи отличается чрезвычайно высокой устойчивостью и надежностью общей схемы в части передачи и приема данных. Простые, обеспечивающие необходимый изоляционный барьер решения, выполнены путем интеграции в одном корпусе модуля не только непосредственно изолированной схемы передачи данных, но и изолированного источника питания, а также всех необходимых пассивных компонентов обвязки, включая развязывающие конденсаторы. Достигнутый изоляционный барьер в конечном счете приводит к более высокой степени надежности и защиты от воздействия статического электричества. Для дополнительного обеспечения надежной цифровой связи система включает также обновление данных, алгоритм проверки на наличие ошибок и функцию безопасного отключения.

Недостатком технических решений гальванической развязки логических сигналов по аналогу [5] является то, что эти устройства также обладают сложностью конструкции, и, следовательно, сложностью технологии их изготовления.

Прототипом заявленного технического решения является «Приемопередатчик последовательного интерфейса с элементом гальванической развязки» по патенту RU 2511429 С2 от 10.04.2014, МПК H03K 17/16, H04L 5/14 - [6]. Прототип [6] содержит элемент гальванической развязки в виде трансформатора, последовательно включенные кодирующее устройство входной информации, оконечный усилитель передатчика, а также последовательно включенные входной усилитель приемника и декодирующее устройство. При этом устройство содержит последовательно включенные кодирующее устройство входной информации, формирователь длительности импульсов, оконечный усилитель передатчика, а также последовательно включенные входной усилитель приемника и декодирующее устройство. Элемент гальванической развязки включен между оконечным усилителем передатчика и линией связи, а вход усилителя приемника подключен к выходу оконечного усилителя передатчика, при этом входные сигналы, поступающие на элемент гальванической развязки, кодируются двумя разнополярными импульсами, соответствующими фронту и спаду входного сигнала. Декодирующее устройство может иметь вход установки декодера в исходное состояние. Формирователь длительности импульсов может иметь входы для установки оптимальной длительности выходных импульсов, поступающих в линию связи. Входной усилитель приемника может иметь входы для установки оптимального порога срабатывания приемника.

Недостатком прототипа [6] являются ограничения по скорости передачи данных, так максимальная частота передачи данных по прототипу: до 20 МГц при длительности импульсов до 25 нс (то есть до 20 Мбит/с).

Недостатки аналогов и прототипа ставят задачи:

- упрощения конструкции устройств и технологии их изготовления, а также повышение надежности устройств и расширения области их применения;

- повышения частоты передачи данных.

Сущность заявленного изобретения заключается в том, что устройство гальванической развязки логических сигналов, содержит элемент гальванической развязки в виде импульсного трансформатора (далее трансформатор), последовательно включенные кодирующее устройство входной информации, оконечный усилитель передатчика (ПД), а также последовательно включенные входной пороговый усилитель приемника и декодирующее устройство. При этом оконечный усилитель передатчика состоит из двух одинаковых (идентичных) усилителей, выполненных в виде буферных цифровых усилителей с тремя состояниями: «1», «0» и «отключено», между выходами которых включен элемент гальванической развязки в виде трансформатора. Вход первого оконечного усилителя соединен с выходом кодирующего устройства. Вход второго оконечного усилителя подключен к выходу кодирующего устройства через элемент задержки, который может быть выполнен в виде: - цифрового повторителя с собственной задержкой распространения сигнала; - интегрирующей RC цепи; - непосредственно линии задержки с заданным временем задержки и др. Входной пороговый усилитель приемника выполнен в виде порогового усилителя (триггера Шмидта), между входом и выходом которого подсоединен резистор (R1) обратной связи, вход порогового усилителя приемника через входной резистор (R2) подключен к выходу второго оконечного усилителя, выход первого оконечного усилителя подключен через резистор (R3) к источнику установки порога срабатывания приемника. Вторые входы первого и второго оконечных усилителей выполнены с возможностью отключения выходов оконечных усилителей, при этом входные сигналы, поступающие на элемент гальванической развязки, кодированы двумя однополярными сигналами, сдвинутыми по времени на время задержки, заданным элементом задержки.

В устройстве гальванической развязки логических сигналов вход элемента задержки может быть подключен к выходу первого оконечного усилителя. Также в заявленном устройстве вход второго оконечного усилителя может быть подключен к выходу первого оконечного усилителя.

Технический результат - повышение скорости передачи данных до 100 Мбит/с, при этом достигается существенное упрощение конструкции устройства, и, следовательно, повышение его надежности и снижение стоимости.

Ограничительные признаки формулы изобретения «устройство гальванической развязки логических сигналов, содержит элемент гальванической развязки в виде импульсного трансформатора (далее трансформатор), последовательно включенные кодирующее устройство входной информации, оконечный усилитель передатчика, а также последовательно включенные входной пороговый усилитель приемника и декодирующее устройство» являются общими для прототипа и заявленного устройства.

Отличительные признаки самостоятельного пункта формулы изобретения: «оконечный усилитель передатчика выполнен из двух одинаковых усилителей, выполненных в виде буферных цифровых усилителей с тремя состояниями: «1», «0» и «отключено», между выходами которых включен элемент гальванической развязки в виде трансформатора, вход первого оконечного усилителя соединен с выходом кодирующего устройства, вход второго оконечного усилителя подключен к выходу кодирующего устройства через элемент задержки, входной пороговый усилитель приемника выполнен в виде порогового усилителя (триггера Шмидта), между входом и выходом которого подсоединен резистор (R1) обратной связи, вход порогового усилителя приемника через входной резистор (R2) подключен к выходу второго оконечного усилителя, выход первого оконечного усилителя подключен через резистор к источнику установки порога срабатывания приемника, вторые входы первого и второго оконечных усилителей выполнены с возможностью отключения выходов оконечных усилителей, при этом входные сигналы, поступающие на элемент гальванической развязки, кодированы двумя однополярными сигналами, сдвинутыми по времени на время задержки, заданным элементом задержки» позволяют достигнуть заявленный технический результат, а именно существенно упростить конструкцию устройства (и, следовательно, повысить его надежность и снизить стоимость), а также повысить скорости передачи данных до 100 Мбит/с.

Отличительные признаки зависимого пункта формулы изобретения: «вход элемента задержки подключен к выходу первого оконечного усилителя», а также «вход второго оконечного усилителя подключен к выходу первого оконечного усилителя» представляют собой дополнительные варианты выполнения технического решения, которые в свою очередь приводят к упрощению конструкции.

На фиг. 1 показана общая схема приемопередатчика с гальванической развязкой (по прототипу).

На фиг. 2 - схема линии связи с передатчиком и приемником и гальванической развязкой.

На фиг. 3 - временная диаграмма работы приемопередатчика.

На фиг. 4 - схема приемопередатчика с элементом задержки, подключенным к кодеру (кодирующему устройству).

На фиг. 5 - схема приемопередатчика с элементом задержки, подключенному к усилителю.

На фиг. 6 - схема приемопередатчика без элемента задержки (элементом задержки является оконечный усилитель).

Устройства приведенные схемах по фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6 показаны только с одной стороны линии связи (с левой ее стороны), предполагается, что на второй стороне линии связи (с правой ее стороны) находятся соответственно аналогичные устройства.

На фигурах 1…6 обозначены:

1 - кодирующее устройство входной информации (кодер);

2 - элемент задержки - формирователь длительности импульсов;

3 - оконечный усилитель передатчика;

3.1 - первый оконечный усилитель передатчика;

3.2 - второй оконечный усилитель передатчика;

4 - элемент гальванической развязки, например импульсный трансформатор, включенный непосредственно между выходом приемопередатчика и проводной линией связи;

5 - входной усилитель приемника;

6 - декодирующее устройство (декодер);

Дополнительно на фигурах 1…6 обозначены:

ПД - передатчик;

ПМ - приемник;

лс - линия связи;

А - входные импульсы ПД;

b - сформированные импульсы линии связи;

с - выходные импульсы из оконечного усилителя (3, 3.1 и 3.2);

d - выходные импульсы из декодирующего устройства (6);

В - входной сигнал передатчика, задержанный элементом задержки 2;

С - выходной сигнал первого оконечного усилителя;

D - выходной сигнал второго оконечного усилителя;

Е - входной сигнал приемника из линии связи;

F - среднее значение порога срабатывания приемника;

G - выходной сигнал приемника;

R1 и R2 - резисторы, соответственно для задания нижнего и верхнего порогов срабатывания входного усилителя;

R3 - резистор для согласования среднего значения источника порогового напряжения;

t_З - время задержки, вносимое элементом задержки (2);

tр - время задержки распространения сигнала в линии связи (лс);

U_{порог Н} - верхний уровень порогового значения напряжения;

L_{порог L} - нижний уровень порогового значения напряжения.

Устройство гальванической развязки логических сигналов содержит элемент гальванической развязки в виде импульсного трансформатора - далее трансформатора (4), последовательно включенные кодирующее устройство (1) входной информации, оконечный усилитель (3) передатчика (ПД), а также последовательно включенные входной пороговый усилитель (5) приемника и декодирующее устройство (6). Оконечный усилитель передатчика (3) состоит из двух одинаковых (цифровых) усилителей (3.1 и 3.2), выполненных в виде буферных цифровых усилителей с тремя состояниями: «1», «0» и «отключено». Между выходами усилителей (3.1 и 3.2) включен элемент гальванической развязки в виде трансформатора (4) с одной первичной и одной вторичной обмотками. Вход первого оконечного усилителя (3.1) соединен с выходом кодирующего устройства (1). Вход второго оконечного усилителя (3.2) подключен к выходу кодирующего устройства (1) через элемент задержки (2). Элемент задержки (2), может быть выполнен в виде: - цифрового повторителя с собственной задержкой распространения сигнала; - интегрирующей RC цепи; - непосредственно линии задержки с заданным временем задержки и др. Входной усилитель (5) приемника (ПМ) выполнен в виде порогового усилителя, например триггера Шмидта, между входом и выходом которого подсоединен резистор (R1) обратной связи, а вход порогового усилителя (5) приемника (ПМ) через входной резистор (R2) подключен к выходу второго оконечного усилителя (3.2), выход первого оконечного усилителя (3.1) подключен через резистор (R3) к источнику установки порога срабатывания приемника (ПМ), а вторые входы первого и второго оконечных усилителей (3.1 и 3.2) выполнены с возможностью отключения выходов оконечных усилителей (3.1 и 3.2). При этом входные сигналы поступающие на элемент гальванической развязки - трансформатор (4) кодированы двумя однополярными сигналами, сдвинутыми по времени на время задержки, заданным элементом задержки (2) - формирователем длительности импульсов (см. схему по фиг. 4).

В устройстве гальванической развязки логических сигналов вход элемента задержки может быть подключен к выходу первого оконечного усилителя (см. схему по фиг. 5). Также в устройстве вход второго оконечного усилителя может быть подключен к выходу первого оконечного усилителя (см. схему по фиг. 6).

Работу заявленного устройства гальванической развязки логических сигналов поясняет схема, представленная на фиг. 2, с временной диаграммой, приведенной на фиг. 3.

При поступлении на вход передатчика (ПД) данных (информации) для передачи по линии связи (лс) с выхода кодера (1) на первый оконечный усилитель (3.1) данные передаются непосредственно, а на второй оконечный усилитель (3.2) с задержкой t_З, определяемой элементом задержки (2). При одинаковых сигналах на выходе оконечных усилителей (3.1 и 3.2) ток через первичную обмотку трансформатора (4) не протекает, так как точки С и Д имеют одинаковые значения напряжения. При разных значениях напряжения на время t_З на выходах оконечных усилителей (3.1 и 3.2) через первичную обмотку трансформатора (4) протекает импульсный ток с направлением соответствующим («1» или «0») уровню кодирования. При этом во вторичной обмотке импульсного трансформатора (4) и в линии связи (лс) формируется импульсный ток соответствующего направления (например, «1» - «+» или «0» -«-»).

При протекании импульсного тока в линии связи (лс) и в первичной обмотке трансформатора (4) приемника (ПМ) на вторичной обмотке этого трансформатора (4) формируется импульсный сигнал соответствующей полярности и уровня напряжения, который фиксируется пороговым усилителем (5) - триггером Шмидта. Уровни порога срабатывания определяются соотношением резисторов (R1) и (R2) и средним требуемым средним значением напряжения источника порога, которое задается через (R3). Сформированный сигнал с выхода порогового усилителя (5) поступает на вход декодера (6).

Дополнительно на временной диаграмме по фиг.3 представлены пороговые значения соответственно верхнего и нижнего уровней U_{порог Н} и U_{порог L}, а также время задержки распространения сигнала t_З с учетом восстановления передаваемой информации, а также время t_Р задержки распространения сигнала в линии связи (лс).

Представленная схема устройства гальванической развязки на фиг. 4 выполнена с совмещением приемника (ПМ) и передатчика (ПД) при работе с двунаправленной линией связи, при этом элемент задержки (2) подключен к выходу кодера (1). На схеме устройства по фиг. 5 элемент задержки (2) подключен к выходу первого оконечного усилителя (3.1). На схеме устройства по фиг. 6 вход второго оконечного усилителя (3.2) подключен к выходу первого оконечного усилителя (3.1).

Многие современные изолированные устройства обмена и передачи данных содержат в своем составе в качестве элемента гальванической развязки импульсные трансформаторы, которые обеспечивают уровень устойчивости изоляции по напряжению между входной и выходной обмотками 5 кВ среднего квадратичного значения (скз) и более, что достигается соответствующими конструктивными и технологическими решениями.

В предлагаемом устройстве применены импульсные трансформаторы с двумя обмотками. Для обеспечения скорости передачи/приема информации до 100 Мбит/с первичная и вторичная обмотки имеют по 3 витка провода и расположены одна напротив другой на кольцевом ферритовом сердечнике М1500НМ3-34 К-4,0×2,5×1,2 мм (∅ 4 мм). Применение технологии обволакивания клеевым составом сердечника и обмоток трансформатора позволяет обеспечить взаимную емкость между обмотками менее 0,5 пикофарад и уровень гальванической развязки до 5 кВ (скз).

В устройстве к качестве оконечных усилителей использованы элементы микросхемы 1554ЛП8 (IN74AC125D - четыре буферных элемента с тремя состояниями на выходе), а в качестве порогового усилителя элементы микросхемы 1554ЛИ9 (IN74AC34D - шесть повторителей). При реализации устройства по схеме по фиг. 6 максимальная скорость передачи данных ограничена 100 Мбит/с при длине линии связи до 3 м и t_З≤10HC для буферного усилителя передатчика (при U_{питания} =+5B ±1% и U_{пороговое} = +2,5B ± 1%).

При работе с более удаленными объектами реализуются схемы по фиг. 2, фиг. 4 и фиг. 5 с выбранными для требуемой линии связи значениями минимальной длительности t_З элемента задержки (при t_З=1 мкс максимальная скорость приема/передачи данных составит не более 1 Мбит/с. В зависимости от требуемой длины линии связи и скорости передачи/приема данных количество витков обмоток трансформатора может быть изменено. При реализации устройства гальванической развязки для локальных применений (например, в едином модуле) может быть использован один трансформатор, разделяющий приемо-передающие части устройства, а для ослабления синфазных помех и повышения изоляционного уровня может быть использовано два трансформатора (например, по фиг. 2).

Полагаем, что предложенное устройство гальванической развязки логических сигналов обладает всеми критериями изобретения, так как совокупность ограничительных и отличительных признаков формулы изобретения является новым для конструкций и элементов гальванической развязки, и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

Совокупность признаков формулы изобретения предложенного устройства неизвестна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам разработки и конструирования устройств гальванической развязки логических сигналов, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".

Разработка, конструирование и внедрение предложенного устройства гальванической развязки логических сигналов не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

Литература

1. Патент РФ на полезную модель: RU 63148 U1 от 10.05.2007, МПК H04L 29/00, «Физическая реализация модуля приемопередатчика интерфейса CAN 2.0B по двухпроводной токовой линии».

2. Патент РФ на изобретение: RU 2381627 C1 от 10.02.2010, МПК H04L 5/14, H04B 1/56, «Система для дуплексной передачи информации по двухпроводной линии связи».

3. Патент США на изобретение: US 5952849 (А) от 14.09.1999, ПМК H04L 25/02, H04L 25/493, «Logic isolator with high transient immunity)).

4. Патент США на изобретение: US 7683654 B2) от 23.03.2010, МПК H01F 17/00, H01F 19/08, H03K 17/16, «Signal isolators using micro-transformers)).

5. Журнал для инженеров и конструкторов: «Вестник электроники» №3 (57), 2016 г., статья: «Изоляторы μModule: Высокоинтегрированные изолированные интерфейсы для ответственных применений от Linear Technology (LTC)», стр. 44…50, рисунки 1…19.

6. Патент РФ на изобретение: RU 2511429 C2 от 10.04.2014, МПК H03K 17/16, H04L 5/14, «Приемопередатчик последовательного интерфейса с элементом гальванической развязки» - прототип.