用于宽带高隔离耦合的方法及设备的制作方法
【专利摘要】一种隔离耦合器包括分频器(36)和第一隔离转换器(33)，所述分频器(36)用于将输入信号(1)分割成低频部分信号(2)和高频部分信号(4)，所述第一隔离转换器(33)用于将源自高频部分信号(4)的信号转换成转换后的高频部分信号(5)。所述隔离耦合器还包括调制器(21)和第二隔离转换器(34)，所述调制器(21)利用调制信号(6)将低频部分信号(2)调制成调制后的低频部分信号(7)，所述第二隔离转换器(34)用于将源自调制后的低频部分信号(7)的信号转换成转换后的低频部分信号(8)。
【专利说明】用于宽带高隔离耦合的方法及设备
[0001]本发明涉及无需流电式连接的宽带信号耦合。
[0002]隔离转换器适用于流电式分离测量信号。但是不能通过转换器来转换持续电流(直流电)、DC。如果转换器的两侧连接电阻器并包括高磁导磁芯，则转换器的上限截止频率与下限截止频率的关系可达到500倍。此系数甚至可能进一步增加。
[0003]为了耦合完整的流电式分离的信号，必须耦合输入信号的持续电流部分。例如，此持续电流部分可使用光耦合器耦合。但使用这样的系统可达到的带宽受限于所述光耦合器和所述转换器的带宽。例如，如果光耦合器达到500kHz的带宽并且转换器具有500:1的相对带宽，则系统最高可具有500x500kHz = 250MHz的带宽。尽管非常乐观，但这只是理论的计算而已。实际上所能达到的系统带宽则要低得多。此外，使用光耦合器和转换器的系统易于产生偏差。并且使用这样的系统仅可得到低的信噪比。
[0004]此外，基于现有技术可知，可以通过矩形信号来调制整个输入信号，该矩形信号的频率需是输入信号的最高频率分量的至少两倍。调制后的输入信号随后通过单个转换器被彻底转换。例如，美国专利US4，608，541就介绍了这一配置。
[0005]但是，这种隔离耦合器具有多个缺点，因为其必须利用两倍的最高频率分量的频率来调制信号，所以浪费了转换器可得到的大部分带宽。此外，如果转换器的理论带宽在很高程度上被利用，生产公差(product1n tolerance)则成为可得到的精度和信噪比的重要因素。
[0006]因此，本发明的目的是提供一种隔离耦合器以及耦合信号的方法，它可以达到高信噪比并允许低复杂度装配。
[0007]上述目的可通过针对耦合器的权利要求1的特征和针对方法的权利要求9的特征来实现。从属权利要求包含了本发明的进一步发展。
[0008]为实现转换器的最大带宽，一高频部分信号通过一具有高的绝对带宽和相对带宽的隔离转换器被转换。低频部分信号通过矩形信号被调制。使用两个隔离的转换器转换所述高频部分信号和低频部分信号。这样就可选择明显低于转换器的带宽的调制频率。优选地选择远高于低频部分信号的最大频率的频率以易于对解调信号进行滤波。
[0009]输入信号的非常优选的频率分割以及转换信号的混合可通过使用去除法(subtract1n method)来实现。输入信号用低通滤波。该低通部分信号从输入信号中减去。产生的部分信号不包括持续电流，DC部分，因此可直接使用隔离转换器耦合。随后通过使用调制器调制低通部分信号并因此转换至这样的频率范围，该频率范围可允许第二隔离转换器转换。可选择地，也可使用正弦信号用于调制低频部分信号，但这会导致调制后的信号的带宽要限制在两倍的低通滤波器的带宽。因此通常使用矩形信号进行调制。
[0010]对于解调，优选使用与调制信号相同的同步解调信号。如果使用矩形信号，应转换调制信号的尽可能多的谐波。如果转换器的带宽改变，则由于并非所有谐波都以同等数量参与信号重构，调制转换的转换因数也会因此改变。
[0011]此外，现有技术水平的调制的一个明显的缺点在于，调制和解调必须同步执行。由于调制产物必须在混合高频部分信号和低频部分信号之前进行滤波，因此调制频率必须明显高于低通滤波器的截止频率。如果调制信号和已调制的信号的传输包括一小部分的调制频率的较少时间延迟，那么这会对转换因数产生负面影响。单个频率分量相对于另一频率分量的转换因数的变化将会导致整个系统产生更高的纹波。由于解调后的低频部分信号包括高噪声级，因此有必要在将其与高频部分信号混合之前执行低通滤波。取决于所使用的滤波器的阶数，在信号相加之后会导致相差。这再一次可见于系统的频率传输函数的高纹波中。
[0012]本发明可解决上述两方面的缺点。时间延迟的缺点通过优选使用采样保持设备得到补偿。用于转换低频部分信号的转换器的带宽显著高于调制频率。输出信号因此几乎为理想的矩形。为达到最优采样，因此没有必要在矩形信号的每次脉冲的中间精确匹配最优采样时间。另一方面，所述采样保持设备，与半调制周期的高频部分信号相比，产生低频信号的附加延迟。这将进一步提高低通滤波器从解调的低频部分信号中去除噪声的负面影响。有利地，此延迟可通过颠倒解调器以及采样保持设备的顺序来减半。在这种情况下，每个解调阶段存在两次采样。解调于是使用阶梯式采样保持信号。但是，所述时间延迟仅仅降低至原时间延迟的一半。
[0013]为了补偿该时间延迟，优选使用用于分割高频部分信号和低频部分信号的差分法中用到的第二低通滤波器。由于频率分割的主要特征在于第一低通滤波器的低通截止频率，此截止频率区域中的信号以真实相位方式(phase-true manner)混合对稱合器的频率特性至关重要。当第二低通滤波器产生群延迟时可达到真实相位(phase-true)混合，该群延迟类似于解调后使用低通噪声滤波器和采样保持设备所产生的群延迟。
[0014]优选地，用于不同方法的第二低通滤波器与噪声去除滤波器的类型和阶数相同。
[0015]本发明的隔离耦合器包括分频器和第一隔离转换器，所述分频器用于将输入信号分割成低频部分信号和高频部分信号，所述第一隔离转换器用于将源自高频部分信号的信号转换为转换后的高频部分信号。此外，本发明的隔离耦合器还包含调制器和第二隔离转换器，所述调制器用于通过调制信号将低频部分信号调制成调制后的低频部分信号，所述第二隔离转换器用于将源自调制后的低频部分信号的信号转换为转换后的低频部分信号。因此，整个具有高带宽的信号可以通过流电式分离的形式进行耦合。
[0016]优选地，所述隔离耦合器进一步包括解调器和混频器，所述解调器通过使用解调信号将转换后的低频部分信号解调成解调后的低频部分信号，所述混频器用于将转换后的高频部分信号以及源自解调后的低频部分信号的信号混合成输出信号。通过这种配置，可实现高信噪比。
[0017]有利地，所述调制信号为矩形信号，其频率是部分低频信号的最高频率分量的至少两倍。通过这种方式，可保证转换整个低频部分信号。可替代地，还可使用正弦信号或任意其他周期信号。
[0018]优选地，所述隔离耦合器进一步包括采样保持设备，所述采样保持设备用于采样和保持源自转换后的低频部分信号的信号，以产生采样后的低频部分信号。解调的精确时机不会对信号准确度产生影响。
[0019]有利地，所述隔离耦合器进一步包括伪影去除低通滤波器，所述伪影去除低通滤波器用于将不期望的信号分量从源自转换后的低频部分信号的信号中去除，产生滤波且转换后的低频部分信号。解调后的伪影去除可以提高信噪比。
[0020]优选地，所述分频器包括第一低通滤波器、第二低通滤波器、以及混频器，所述第一低通滤波器用于将输入信号滤波生成低频部分信号，所述第二低通滤波器用于将低频部分信号滤波生成滤波后的低频部分信号，所述混频器用于从输入信号中减去滤波后的低频部分信号产生所述高频部分信号。因此，频率分割得以有效地执行。所述混频器可为加法器或减法器。
[0021]有利地，所述第二低通滤波器设置为补偿滤波且转换后的低频部分信号关于转换后的高频部分信号的包络延迟。所述包络延迟通过所述第一低通滤波器和所述采样保持设备产生。因此可以防止信号质量的下降。
[0022]优选地，所述隔离耦合器进一步包括第三隔离转换器，用于将所述调制信号转换至调制器。通过调制信号线路，防止信号分量的不期望的耦合。
[0023]有利地，所述隔离耦合器进一步包括第一放大器和/或第二放大器和/或第三放大器和/或第四放大器和/或第五放大器和第六放大器，所述第一放大器在通过所述第一隔离转换器转换之前放大高频部分信号，所述第二放大器在通过所述第一隔离转换器转换之后生成转换后的高频部分信号，所述第三放大器在通过所述第二隔离转换器转换之前放大低频部分信号，所述第四放大器在通过所述第二隔离转换器转换之后生成转换后的低频部分信号，所述第五放大器在用于放大信号，调制信号源自该信号，所述第六放大器用于生成调制信号。这允许信号的低噪声耦合。
[0024]本发明的用于隔离耦合的方法包括下述步骤:将输入信号分割为低频部分信号和高频部分信号，使用第一隔离转换器将源自所述高频部分信号的信号转换成转换后的高频部分信号，利用调制信号将所述低频部分信号调制成调制后的低频部分信号，以及使用第二隔离转换器将源自调制后的低频部分信号的信号转换成转换后的低频部分信号。因此，整个具有高带宽的信号可以通过电性分离的形式进行转换。
[0025]现在参照附图进一步说明本发明的示例性实施例，其中
[0026]图1示出了本发明的耦合器的一个示例性实施例的框图，
[0027]图2示出了本发明方法的一个示例性实施例的流程图。
[0028]首先，根据图1说明本发明的耦合器的一个实施例的配置和功能。接着，根据图详细描述本发明的方法的功能。不同附图中相似实体和附图标记已省略。
[0029]图1示出了本发明隔离耦合器的一个示例性实施例。其包括连接于第一放大器30a和调制器21的分频器(frequency splitter)36。此外,第一放大器30a与第一隔离转换器(isolating transformer) 33相连，该第一隔离转换器33接着连接第二放大器30b。第二放大器30b再与通常称为混频器(combiner)的加法器24相连。调制器21与第三放大器31a相连，该第三放大器再与第二隔离转换器34相连。第二隔离转换器34与第四放大器31b相连，该第四放大器再与解调器25相连。解调器25与采样保持设备26相连，采样保持设备26则接着连接伪影去除低通滤波器(artifact removal low pass filter) 27。此滤波器27再与加法器24相连。此外，第五放大器32a连接调制器21。第五放大器32a还连接第三隔离转换器35，该第三隔离转换器35连接第六放大器32b。第六放大器32b的输入端进一步与解调器25相连。
[0030]分频器36还包括第一低通滤波器20。而且，其还包括第二低通滤波器22和混频器(更具体而言是加法器23)。第一低通滤波器20的输入端与加法器23的输入端相连。第一低通滤波器20的输出端与第二低通滤波器22的输入端相连。第二低通滤波器22的输出端与加法器23的负极输入端相连。
[0031]加法器23的输出端与第一放大器30a相连。第一低通滤波器20的输出端与调制器21相连。
[0032]隔离稱合器被提供以输入信号I。输入信号I提供给第一低通滤波器20。第一低通滤波器20对输入信号滤波，产生低频部分信号2。将此信号2提供给第二低通滤波器22。该第二低通滤波器22将其滤波并生成滤波后的低频部分信号3。将输入信号I和滤波后的低频部分信号3提供给加法器23。加法器23从输入信号I中去除滤波后的低频部分信号
3。于是产生高频部分信号4。将信号4提供给第一放大器30a，使其被放大并传输至隔离转换器33。隔离转换器33则执行流电去稱(galvanic decoupling)。第一隔离转换器33所进行的转换为1:1转换。可选择地，也可采用不同的转换率。将产生的信号提供给第二放大器30b，后者产生转换后的高频部分信号5。信号5被提供给加法器24。
[0033]将低频部分信号2提供给调制器21。此外，解调信号13提供给解调器5以及第六放大器32b。放大器32b将其放大并将其传输至第三隔离转换器35。隔离器35执行流电去耦并给第五放大器32a提供信号，该放大器32a将其放大并因此产生调制信号6。同样，第三隔离转换器35进行的转换为1:1转换。可选择地，也可采用不同的转换率。将调制信号6提供给调制器21。调制器21使用调制信号6对低频部分信号2进行调制。由于调制信号6的频率显著高于低频部分信号2的最高频率分量，因此这样的调制不会导致丢失信肩、O
[0034]调制器因此产生调制后的低频部分信号7。该信号7提供给第三放大器31a，放大器31a将其放大并将其提供给第二隔离转换器34。隔离转换器34执行流电去耦并将产生的信号提供给第四放大器31b。同样，第二隔离转换器34进行的转换为1:1转换。可选择地，也可采用不同的转换率。放大器31b产生转换后的低频部分信号8并将其提供给解调器25。解调器25使用解调信号13对转换后的低频部分信号8解调。解调信号13基本上与调制信号6相同。产生的解调后的低频部分信号9提供给采样保持设备26并通过其进行采样。所产生的采样后的低频部分信号10提供给伪影去除滤波器27，该滤波器优选为低通滤波器。此滤波产生经滤波且转换后的低频部分信号11，该信号11通过加法器24被添加至高频部分信号5。所产生的信号12为与输入信号I相对应的经过流电去耦的输出信号12。
[0035]第二低通滤波器22设置用来对经滤波且转换后的低频部分信号11相对于转换后的高频部分信号5的包络延迟(envelope delay)进行补偿。这种包络延迟是由第一低通滤波器20和采样保持设备26产生的。优选地，第二低通滤波器22与伪像补偿滤波器27具有相同的滤波器类型和阶数。
[0036]作为一种备选方案，可改变解调器25以及采样保持设备26的位置，使第四放大器31b将其输出信号提供给采样保持设备26。所产生的信号随后提供给解调器25。这样可以减少所产生的包络延迟。此外，第三隔离转换器35、第五放大器32a以及第六放大器32b仅为可选的。可以将独立信号6和13提供给调制器21和解调器25。也可通过除了使用隔离转换器以外的任何其他方法来提供同步信号。
[0037]此外，在分频器36中采用第一低通滤波器20和第二低通滤波器22的差分法并不是必须的。其它不同的频率分割方法也是可行的。
[0038]图2示出了本发明方法的一个示例性实施例。在第一步骤40中，生成低频部分信号。在第二步骤41中，产生高频部分信号。所述低频部分信号和所述高频部分信号均基于输入信号而产生。在第三步骤42中，利用调制信号调制所述低频部分信号。所述调制信号的频率至少是所述低频部分信号的最高频率分量的两倍。
[0039]在第四步骤43中，利用例如隔离转换器转换所述低频部分信号以及所述高频部分信号。在第五步骤44中，使用相应的解调信号对转换后的所述低频部分信号进行解调。在第六步骤45中，通过使用例如采样/保持设备和/或另外的滤波器，再生解调后的低频部分信号。在此步骤中，所述低频部分信号相对于所述高频部分信号的包络延迟得到补偿。最后，在第七步骤46中，将产生的低频部分信号和高频部分信号混合。
[0040]本发明并不限于上述示例。示例性实施例的特性可以任意组合使用。
【权利要求】
1.一种隔离耦合器，包括: 分频器(36)，用于将输入信号(I)分割成低频部分信号(2)和高频部分信号(4)， 第一隔离转换器(33)，用于将源自所述高频部分信号(4)的信号转换为转换后的高频部分信号(5)， 调制器(21)，其利用调制信号(6)将所述低频部分信号(2)调制成调制后的低频部分信号(X)， 第二隔离转换器(34)，用于将源自调制后的低频部分信号(7)的信号转换为转换后的低频部分信号(8)。
2.根据权利要求1所述的隔离耦合器，其特征在于，所述隔离耦合器进一步包括: 解调器(25)，其利用解调信号(13)将转换后的低频部分信号(8)解调成解调后的低频部分信号(9)，以及 混频器(24)，用于将转换后的高频部分信号(5)和源自所述调制后的低频部分信号(9)的信号(11)混合以形成输出信号(12)。
3.根据权利要求1或2所述的隔离耦合器，其特征在于，所述调制信号(6)为矩形信号，所述矩形信号的频率是所述低频部分信号(2)的最高频率分量的至少两倍。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的隔离耦合器，其特征在于，所述隔离耦合器进一步包括采样保持设备(26)，用于采样和保持源自所述转换后的低频部分信号(8)的信号(9)，以产生采样后的低频部分信号(10)。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的隔离耦合器，其特征在于，所述隔离耦合器进一步包括伪影去除低通滤波器(27)，用于将不期望的信号分量从源自转换后的低频部分信号(8)的信号(10)中去除，以产生经滤波且转换后的低频部分信号(11)。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的隔离耦合器，其特征在于，所述分频器(36)包括: 第一低通滤波器(20)，用于对输入信号(I)进行滤波，以产生所述低频部分信号(2)， 第二低通滤波器(22)，用于对所述低频部分信号(2)进行滤波，以产生滤波后的低频部分信号⑶，以及 混频器(23)，用于从所述输入信号中去除所述滤波后的低频部分信号(3)，以产生高频部分信号(4)。
7.根据权利要求6所述的隔离耦合器，其特征在于，所述第二低通滤波器(22)设置用于对所述经滤波且转换后的低频部分信号(11)相对于所述转换后的高频部分信号(5)的包络延迟进行补偿，其中，所述包络延迟由所述第一低通滤波器(20)和所述采样保持设备(26)产生。
8.根据权利要求1到7中的任一项所述的隔离耦合器，其特征在于，所述隔离耦合器进一步包括: 第一放大器(30a)，用于在通过所述第一隔离转换器(33)转换之前对所述高频部分信号(4)进行放大，和/或第二放大器(30b)，用于在通过所述第一隔离转换器(33)转换之后产生所述转换后的高频部分信号(5)，和/或 第三放大器(31a)，用于在通过所述第二隔离转换器(34)转换之前对所述低频部分信号(7)进行放大，和/或第四放大器(31b)，用于在通过所述第二隔离转换器(34)转换之后产生所述转换后的低频部分信号(8)。
9.一种隔离耦合的方法，包括以下步骤: 将输入信号(I)分割成低频部分信号(2)和高频部分信号(4)， 利用第一隔离转换器(33)将源自所述高频部分信号(4)的信号转换成转换后的高频部分信号(5)， 利用调制信号(6)将所述低频部分信号(2)调制成调制后的低频部分信号(7)，以及利用第二隔离转换器(34)将源自所述调制后的低频部分信号(7)的信号转换成转换后的低频部分信号(8)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于包括以下步骤: 利用解调信号(13)将所述转换后的低频部分信号(8)解调成解调后的低频部分信号(9)，以及 将所述转换后的高频部分信号(5)和源自所述解调后的低频部分信号(9)的信号(11)混合，以形成输出信号(12)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述调制信号(6)为矩形信号，所述矩形信号的频率是所述低频部分信号(2)的最高频率分量的至少两倍。
12.根据权利要求9到11中的任一项所述的方法，其特征在于包括以下步骤: 对源自所述转换后的低频部分信号(8)的信号(9)进行采样和保持，以产生采样后的低频部分信号(10)。
13.根据权利要求9到12中的任一项所述的方法，其特征在于包括以下步骤: 从源自转换后的低频部分信号(8)的信号(10)中去除不期望的信号分量，以产生经滤波且转换后的低频部分信号(11)。
14.根据权利要求9到13中的任一项所述的方法，其特征在于包括以下步骤: 对输入信号(I)进行滤波，以产生低频部分信号(2)， 对所述低频部分信号(2)进行滤波，以产生滤波后的低频部分信号(3)，以及 从所述输入信号中去除所述滤波后的低频部分信号(3)，以产生所述高频部分信号⑷。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，对上述低频部分信号(2)进行滤波，以对所述经滤波且转换后的低频部分信号(11)相对于所述转换后的高频部分信号(5)的包络延迟进行补偿，其中，所述包络延迟由对输入信号(I)的滤波和对解调后的低频部分信号(9)的采样和保持而产生。
【文档编号】H03F3/38GK104137415SQ201280070117
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2012年10月17日 优先权日:2012年10月17日
【发明者】内纳德·斯托亚科维克, 赖纳·弗兰克 申请人:罗德施瓦兹两合股份有限公司