3. Globaal ontwerp

3.1. Inleiding

In principe zijn er verschillende methodes van elektrisch meten. We zouden bijvoorbeeld kunnen proberen om in het lineaire gebied van de glasvezel-zender en -ontvanger te werken. Verder is een glasvezel helemaal niet nodig. Het is ook mogelijk om de signaaloverdracht via opto-couplers te laten lopen.

De keuze was echter al op voorhand gemaakt. We zullen ons dus beperken tot een systeem, dat de spanningen digitaal over een glasvezel verzendt.

3.2. De A/D-convertor

Omdat het signaal digitaal over de vezel verzonden wordt, is het nodig het analoge signaal (de spanning) om te zetten in een digitaal equivalent. Hiervoor gebruiken we een A/D-convertor.

Er zijn verschillende soorten A/D-convertors, waarvan we er een aantal zullen beschouwen[2}). Allereerst de successieve approximatie. Dit is zonder meer de meest gebruikte methode. De uiteindelijke representatie van het analoge signaal wordt iteratief bepaald door halvering van intervallen. Deze manier van omzetten heeft een aantal nadelen. De meeste A/D-convertors van deze soort zijn relatief traag. Bovendien komt bij ieder sample een flank van de helft van het meetbereik voor.

Als tweede zullen we de Flash A/D-convertor bekijken. Deze bestaat uit een groot aantal comparators (257 voor 8 bits). Het grote voordeel van deze A/D-convertor is de snelheid. Als sample rate kan 16MHz aan gehouden worden. Het nadeel is de beperkte uitbreidbaarheid. Voor een extra bit moet men rekenen op een verdubbeling van het aantal comparators.

De derde convertor die we bekijken is de Tracking A/D-convertor. in zijn eenvoudigste vorm bestaat hij uit een teller en een comparator. Als het analoge signaal groter is dan zijn representatie wordt 1 bij de representatie opgeteld, anders wordt er 1 van afgetrokken. ingewikkeldere versies kunnen op allerlei manieren hun stapgrootte veranderen. Aan dit type A/D-convertor is nogal wat aandacht besteed. Een uitgebreide behandeling staat in de appendices.

Natuurlijk zijn er nog andere manieren, met hun eigen voor en nadelen. We zullen hier nog de ramp en compare noemen, die geen D/A-convertor nodig heeft, en de dual slope, die een relatief grote precisie/prijs verhouding heeft. Zij zijn echter vanwege hun traagheid niet interessant.

3.3. Seriële verzending

Nadat het analoge signaal digitaal is gemaakt, moet het over de glasvezel verzonden worden. Vanwege de prijs van de glasvezelcomponenten zal dit serieel moeten gebeuren. Seriële data-overdracht heeft een aantal specifieke problemen.

De ontvanger moet weten wanneer de data begint. De gebruikelijke manier hiervoor is het toevoegen van start- en stopbits. De ontvanger "locked" dan op deze bits, en kan daardoor bepalen wat de werkelijke data is. Als de combinatie van de stop- en startbits voorkomt in de data, is het mogelijk dat de ontvanger daarop locked. Hoe meer start- en stopbits, hoe betrouwbaarder de overdracht.

Een andere functie van de start- en stopbits is de synchronisatie van de zender en ontvanger. Doordat beide in principe asynchroon gekoppeld zijn, kunnen er kleine verschillen in klokfrequentie optreden. Deze kunnen dan tijdens de start- en stopbits worden weggepoetst.

3.4. De ontvanger

Het laagspanningsgedeelte ontvangt nu het seriële signaal. De ontvanger moet dit weer omzetten in een analoog signaal. Dat gebeurt met behulp van ontvangstlogica en een D/A-convertor.

De ontvangstlogica is opgebouwd rond een schuifregister. Dit schuifregister schuift de serieel verzonden databits een voor een naar binnen. Een toestandsmachine in een EPLD bepaalt wanneer geschoven mag worden.

3.5. De voeding

Er moet ook enige aandacht besteed worden aan de voeding van het hoogspanningsdeel. Deze voeding moet namelijk galvanisch gescheiden worden van het laagspanningsdeel. Bovendien mogen de effecten van de common-mode spanningen aan de ingang niet doorwerken naar het laagspanningsdeel.

Hiervoor is een standaard oplossing gekozen. De voeding van het hoogspanningsdeel wordt gevoed via een trafo met een kleine capaciteit. Dit is een hoogfrequent trafo. De primaire zijde wordt gestuurd via twee FET’s, die op hun beurt weer gestuurd worden uit wat digitale logica. Doordat de trafo een behoorlijke luchtspleet heeft, is de symmetrie van de sturing niet echt belangrijk. 3.6.Globaal ontwerp

We kunnen nu een globaal ontwerp van de schakeling maken.

De schakeling kunnen we in twee delen splitsen. Het eerste deel, voor de glasvezel, zullen we het hoogspanningsdeel noemen. Het tweede deel, na de vezel, noemen we laagspanningsdeel.

Het hoogspanningsdeel is onderverdeeld in de al eerder besproken blokken, de A/D-convertor en de seriële zender. Voor de A/D-convertor zullen we er een van het tracking type nemen.

De seriële zender bestaat uit een multiplexer en een glasvezelzender. De glasvezelzender en ontvanger zijn als setje gekocht, en zullen verder als black box beschouwd worden. De multiplexer zal ook een aantal start- en stopbits moeten toevoegen.

Het laagspanningsdeel bestaat uit een seriële ontvanger en een D/A-convertor. De seriële ontvanger zet het signaal van de glasvezel om in een parallel uit te lezen byte. De D/A-convertor tenslotte, zet dit digitale signaal weer om in een analoog signaal, dat toegevoerd kan worden aan een regeling.

In dit ontwerp is de voeding niet getekend. Het is duidelijk, dat de sturing ervan door het laagspanningsdeel verzorgd wordt. Stabilisatie van de spanning moet echter aan de hoogspanningskant gebeuren.

Hiermee besluiten we het globale ontwerp. in het volgende hoofdstuk zullen we de blokken nader bekijken.