DE102021108409B3 - Circuit arrangement for demodulating an AC voltage signal - Google Patents

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DE102021108409B3 DE102021108409.1A DE102021108409A DE102021108409B3 DE 102021108409 B3 DE102021108409 B3 DE 102021108409B3 DE 102021108409 A DE102021108409 A DE 102021108409A DE 102021108409 B3 DE102021108409 B3 DE 102021108409B3
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Attila Szabo
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (1) zur Demodulation eines Wechselspannungssignals (U), Die Schaltungsanordnung umfasst einen ersten Kanal, der zwei aus je einem RC-Glied (R1, C11; R1, C12) aufgebaute Folge-Halte-Glieder aufweist, denen das Wechselspannungssignal (U) wechselweise über wenigstens ein Schaltelement (SW1) zugeführt wird. Jedes der RC-Glieder (R1, C11; R1, C12), aus denen die Folge-Halte-Glieder des ersten Kanals aufgebaut sind, weist eine Zeitkonstante auf, die um einen Schwellenwert kleiner ist als die Periodendauer des Wechselspannungssignals (U). Die Schaltungsanordnung umfasst ferner einen zweiten Kanal, der zwei aus je zumindest einem RC-Glied (R2, C21; R2, C22) aufgebaute Halbperiodenintegratoren aufweist, denen das Wechselspannungssignal (U) wechselweise über das wenigstens eine Schaltelement (SW2) zugeführt wird. Jedes der RC-Glieder (R2, C21; R2, C22), aus denen die Halbperiodenintegratoren des zweiten Kanals aufgebaut sind, weist eine Zeitkonstante auf, die um einen Schwellenwert größer ist als die Periodendauer des Wechselspannungssignals (U). Die Schaltvorgänge des wenigstens einen Schaltelements (SW1, SW2) sind durch ein Schaltsignal (Iref) mit der Periodendauer des Wechselspannungssignals (U) synchronisiert.

Figure DE102021108409B3_0000
The invention relates to a circuit arrangement (1) for demodulating an AC voltage signal (U). The circuit arrangement comprises a first channel which comprises two track-and-hold elements each consisting of an RC element (R 1 , C 11 ; R 1 , C 12 ). has, which the AC voltage signal (U) is supplied alternately via at least one switching element (SW 1 ). Each of the RC elements (R 1 , C 11 ; R 1 , C 12 ) from which the track-and-hold elements of the first channel are constructed has a time constant which is smaller by a threshold value than the period of the AC voltage signal ( U). The circuit arrangement also includes a second channel, which has two half-period integrators each consisting of at least one RC element (R 2 , C 21 ; R 2 , C 22 ), to which the AC voltage signal (U) is fed alternately via the at least one switching element (SW 2 ). is supplied. Each of the RC elements (R 2 , C 21 ; R 2 , C 22 ) from which the half-period integrators of the second channel are constructed has a time constant which is greater than the period of the AC voltage signal (U) by a threshold value. The switching processes of the at least one switching element (SW 1 , SW 2 ) are synchronized with the period of the AC voltage signal (U) by a switching signal (I ref ).
Figure DE102021108409B3_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine synchrone Demodulation eines Wechselspannungssignals mittels In-Phase-Anteilen (nachfolgend mit I bezeichnet) und Quadratur-Anteilen (nachfolgend mit Q bezeichnet). Hierfür wird eine Schaltungsanordnung offenbart, bei der die Demodulation mittels Folge-Halte-Gliedern und Halbperiodenintegratoren erfolgt. Diese Schaltungsordnung kann bei einem linearen Positionssensor eingesetzt werden.The invention relates to synchronous demodulation of an AC voltage signal using in-phase components (hereinafter referred to as I) and quadrature components (hereinafter referred to as Q). For this purpose, a circuit arrangement is disclosed in which the demodulation takes place by means of track-and-hold elements and half-period integrators. This circuit arrangement can be used with a linear position sensor.

Stand der TechnikState of the art

Zur Demodulation eines Wechselspannungssignals kann ein an sich bekanntes I/Q-Verfahren verwendet werden. Bei dem I/Q-Verfahren wird das Wechselspannungssignal mittels den zueinander orthogonal liegenden In-Phase-Anteilen I und den Quadratur-Anteilen Q demoduliert. Dabei bleibt die Phaseninformation des Wechselspannungssignals erhalten. I und Q sind allgemein gemäß den Formeln 1a und 1b definiert, wobei A die Amplitude und φ die Phase sind. I = A  cos  φ

Figure DE102021108409B3_0001
Q = A  sin  φ
Figure DE102021108409B3_0002
An I/Q method known per se can be used to demodulate an AC voltage signal. In the I/Q method, the AC voltage signal is demodulated using the mutually orthogonal in-phase components I and the quadrature components Q. The phase information of the AC voltage signal is retained. I and Q are generally defined according to formulas 1a and 1b, where A is amplitude and φ is phase. I = A cos φ
Figure DE102021108409B3_0001
Q = A sin φ
Figure DE102021108409B3_0002

Herkömmlicherweise wird eine Schaltungsanordnung verwendet, bei der I und Q eines Referenzsignals, welches die gleiche Frequenz wie das Wechselspannungssignal aufweist, jeweils mit dem Wechselspannungssignal gemischt werden. Ein aus dem Mischen von I und dem Wechselspannungssignal resultierendes Signal wird einem Tiefpassfilter zugeführt werden, um die In-Phase-Anteile des Wechselspannungssignals zu erhalten und ein aus dem Mischen von Q und dem Wechselspannungssignal resultierendes Signal wird einem weiteren Tiefpassfilter zugeführt, um die Quadratur-Anteile des Wechselspannungssignals zu erhalten. Typischerweise wird ein Anteil des Referenzsignals, beispielsweise Q, aus dem anderen Anteil, also beispielsweise I, mittels einer Phasenverschiebung um 90° erhalten. Hierfür weist eine herkömmliche Schaltungsanordnung einen Phasenschieber auf. Solche Phasenschieber erhöhen die Herstellungskosten und sind oft schwierig zu justieren. Zudem können solche Schaltungen Spuren im Signal hinterlassen.Conventionally, a circuit arrangement is used in which I and Q of a reference signal having the same frequency as the AC signal are respectively mixed with the AC signal. A signal resulting from the mixing of I and the AC signal is fed to a low-pass filter to obtain the in-phase components of the AC signal and a signal resulting from the mixing of Q and the AC signal is fed to another low-pass filter to obtain the quadrature to obtain components of the AC voltage signal. Typically, one component of the reference signal, for example Q, is obtained from the other component, ie for example I, by means of a 90° phase shift. A conventional circuit arrangement has a phase shifter for this purpose. Such phase shifters increase manufacturing costs and are often difficult to adjust. In addition, such circuits can leave traces in the signal.

Die GB 2517152 A beschriebt einen Positionssensor, bei dem eine Erregerschaltung eine Messschaltung anregt. Ein ebenfalls angeregtes Referenzsignal wird mittels einem digitalen Zeitgeber in I und Q aufgeteilt. I und Q des Referenzsignals werden dann für die Demodulation verwendet.the GB 2517152A describes a position sensor in which an excitation circuit excites a measurement circuit. A reference signal that is also excited is divided into I and Q using a digital timer. I and Q of the reference signal are then used for demodulation.

Aus der US 2004/0082304 A1 und der US 2020/0103473 A1 geht jeweils hervor, I als Referenzsignal zu erzeugen und dann Q aus I durch 90° Phasenverschiebung mittels eines Phasenschiebers zu erzeugen. I und Q werden dann jeweils mittels je einem Mischer mit dem Eingangssignal gemischt und dann gemeinsam einer Verarbeitungseinheit zugeführt.From the U.S. 2004/0082304 A1 and the US 2020/0103473 A1 shows in each case to generate I as a reference signal and then to generate Q from I by 90° phase shift using a phase shifter. I and Q are then each mixed with the input signal by means of a mixer and then fed together to a processing unit.

Aus der EP 2 031 417 A1 ist ferner bekannt, ein Wechselspannungssignal mittels eines Phasenschiebers um 90° in der Phase zu verschieben. Zudem wird ein Referenzsignal erzeugt. Das ursprüngliche Wechselspannungssignal und das um 90° phasenverschobene Wechselspannungssignal werden dann mittels dem Referenzsignal demoduliert.From the EP 2 031 417 A1 is also known to shift the phase of an AC voltage signal by 90° by means of a phase shifter. A reference signal is also generated. The original AC voltage signal and the phase-shifted AC voltage signal by 90° are then demodulated using the reference signal.

Die DE 10 2004 041 558 A1 betrifft ein Sychronerfassungsverfahren, bei dem ein Eingangssignal über einen positiv schwingenden Phasenbereich und einen negativ schwingenden Phasenbereich einer Soll-Trägerwelle gemittelt wird. Aus diesen Mittelungen kann der In-Phase-Anteil und der Quadratur-Anteil berechnet werden.the DE 10 2004 041 558 A1 relates to a synchronous detection method in which an input signal is averaged over a positive swing phase range and a negative swing phase range of a desired carrier wave. The in-phase component and the quadrature component can be calculated from these averagings.

In der DE 25 34 509 A1 wird ein Signalverarbeitungs-Verfahren beschrieben. Ein Steuer- oder Bezugssignal soll dabei in Phase mit einem Auswertesignal sein. Zwei Kapazitäten mitteln die positive und negative Halbperiode des angelegten Auswertesignals, und zwar mit einer Zeitkonstante RC, also dem Widerstandswert eines Widerstands und dem gemeinsamen Kapazitätswerts der Kapazitäten. Die Ausgangssignale werden allerdings nicht mit den In-Phase-Anteilen und Quadratur-Anteilen in Verbindung gebracht.In the DE 25 34 509 A1 a signal processing method is described. A control or reference signal should be in phase with an evaluation signal. Two capacitors average the positive and negative half-periods of the evaluation signal applied, specifically with a time constant RC, ie the resistance value of a resistor and the common capacitance value of the capacitors. However, the output signals are not associated with the in-phase components and quadrature components.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine einfache und kostengünstige Schaltungsanordnung zur Demodulation eines Wechselspannungssignals bereitzustellen.It is the object of the invention to provide a simple and inexpensive circuit arrangement for demodulating an AC voltage signal.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Demodulation eines Wechselspannungssignals in Bezug auf ein Referenzsignal. Das Wechselspannungssignal ist stetig und harmonisch und wird beispielsweise mittels einer Erregerspule in einer Messspule induziert.The object is achieved by the circuit arrangement according to the invention for demodulating an AC voltage signal in relation to a reference signal. The alternating voltage signal is continuous and harmonic and is induced in a measuring coil, for example by means of an excitation coil.

Die Schaltungsanordnung weist einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal auf. Der erste Kanal weist zwei Folge-Halte-Glieder auf - je ein Folge-Halte Glied für jede Halbperiode des Referenzsignals. Jedes Folge-Halte-Glied ist aus zumindest einem RC-Glied, also aus zumindest einem Widerstand und einem Kondensator, aufgebaut. Hierfür weist jedes der RC-Glieder, aus denen die Folge-Halte-Glieder des ersten Kanals aufgebaut sind, eine Zeitkonstante auf, die um einen Schwellenwert kleiner ist als die Periodendauer des Wechselspannungssignals. Die Zeitkonstante eines RC-Glieds ist als Produkt des elektrischen Widerstands und der Kapazität definiert. Ein Schaltelement führt den beiden Folge-Halte-Gliedern wechselweise das Wechselspannungssignal zu. Die Schaltvorgänge des Schaltelements sind dabei durch ein Schaltsignal mit der Periodendauer des Referenzsignals synchronisiert. Da die RC-Glieder jeweils eine relativ kleine Zeitkonstante aufweisen, wird das Wechselspannungssignal abwechselnd durch jedes RC-Glied mit der halben Periodendauer abgetastet (sampling). Vorzugsweise wird das Wechselspannungssignal durch einen Verstärker mit niedriger Ausgangsimpedanz bereitgestellt. Solange das Schaltelement die Verbindung zwischen der Signalquelle des Wechselspannungssignals über den Widerstand mit dem Kondensator herstellt (geschlossenes Schaltungselement), nimmt der Kondensator die Spannung der Signalquelle quasi gleichzeitig auf („Folge“-Funktion). Nach dem Umschalten des Schaltelements wird die Signalquelle von dem Kondensator getrennt (offenes Schaltelement). Da sowohl das schon geöffnete Schaltungselement als auch eine nachfolgende Komponente, wie z. B. ein Analog-Digitalwandler oder eine Verstärkerstufe, eine hohe Eingangsimpedanz aufweisen, wird der Kondensator nicht entladen („Halte“-Funktion). Zwar sind Leckströme immer möglich, aber die Spannung des Kondensators wird im Zeitraum der Auswertung der nachfolgenden Komponente (z. B. bei der Digitalisierung durch den Analog-Digitalwandler) durch diese nicht wesentlich beeinflusst.The circuit arrangement has a first channel and a second channel. The first channel has two track and hold circuits - one track and hold circuit for each half period of the reference signal. Each track-and-hold element is made up of at least one RC element, ie at least one resistor and one capacitor. For this purpose, each of the RC elements from which the track-and-hold elements of the first channel are constructed has a time constant which is smaller by a threshold value than the period of the AC voltage signal. The time constant of an RC element is defined as the product of the electrical resistance and the capacitance. A switching element alternately feeds the AC voltage signal to the two track-and-hold elements. The switching operations of the switching element are synchronized by a switching signal with the period of the reference signal. Since the RC elements each have a relatively small time constant, the AC voltage signal is sampled alternately by each RC element with half the period duration (sampling). Preferably, the AC signal is provided by an amplifier with a low output impedance. As long as the switching element establishes the connection between the signal source of the AC voltage signal via the resistor and the capacitor (closed circuit element), the capacitor absorbs the voltage from the signal source more or less simultaneously ("follow-up" function). After switching the switching element, the signal source is disconnected from the capacitor (open switching element). Since both the already open circuit element and a subsequent component such. B. an analog-to-digital converter or an amplifier stage, have a high input impedance, the capacitor is not discharged ("hold" function). Leakage currents are always possible, but the voltage of the capacitor is not significantly influenced by these during the evaluation period of the subsequent component (e.g. during digitization by the analog-to-digital converter).

Der zweite Kanal weist zwei Halbperiodenintegratoren auf - je ein Halbperiodenintegrator für jede Halbperiode des Referenzsignals. Jeder Halbperiodenintegrator ist aus zumindest einem RC-Glied, also aus zumindest einem Widerstand und einem Kondensator, aufgebaut. Hierfür weist jedes der RC-Glieder, aus denen die Halbperiodenintegratoren des zweiten Kanals aufgebaut sind, eine Zeitkonstante auf, die um einen Schwellenwert größer ist als die Periodendauer des Wechselspannungssignals. Ein Schaltelement führt den beiden Halbperiodenintegratoren wechselweise das Wechselspannungssignal zu. Das Schaltelement kann mit dem obengenannten Schaltelement übereinstimmen und in diesen Fall kann nur ein Schaltelement vorhanden sein oder es ist bevorzugt ein weiteres Schaltelement vorgesehen. Die Schaltvorgänge des/der Schaltelements/e sind dabei durch das obengenannte Schaltsignal mit der Periodendauer des Wechselspannungssignals synchronisiert. Da die RC-Glieder jeweils eine relativ große Zeitkonstante aufweisen, wird das Wechselspannungssignal abwechselnd durch jedes RC-Glied mit der halben Periodendauer integriert. Ein Laden und/oder Entladen der Kondensatoren ist für den zweiten Kanal von untergeordneter Relevanz. Jeder Kondensator des zweiten Kanals weist eine Spannung auf, die im Wesentlichen der durchschnittlichen Spannung der eingegangenen Wechselspannung über die entsprechende Halbperiode des Schaltsignals entspricht.The second channel has two half-period integrators - one half-period integrator for each half-period of the reference signal. Each half-period integrator is made up of at least one RC element, that is to say of at least one resistor and one capacitor. For this purpose, each of the RC elements from which the half-period integrators of the second channel are constructed has a time constant which is greater by a threshold value than the period of the AC voltage signal. A switching element alternately feeds the AC voltage signal to the two half-period integrators. The switching element can correspond to the above-mentioned switching element and in this case only one switching element can be present or preferably a further switching element is provided. The switching processes of the switching element(s) are synchronized with the period of the AC voltage signal by the switching signal mentioned above. Since the RC elements each have a relatively large time constant, the AC voltage signal is alternately integrated by each RC element with half the period. Charging and/or discharging the capacitors is of secondary relevance for the second channel. Each capacitor of the second channel has a voltage that is substantially equal to the average voltage of the incoming AC voltage over the corresponding half cycle of the switching signal.

Betrachtet man das stetige und harmonische Wechselspannungssignal, so ist dessen Integral proportional zum harmonischen Konjugat. Daher führt die Abtastung des Wechselspannungssignals mit der halben Periodendauer (des Schaltsignals) und die Integration des Wechselspannungssignals mit der halben Periodendauer (des Schaltsignals) zu orthogonalen Komponenten des Wechselspannungssignals.Looking at the steady and harmonic AC voltage signal, its integral is proportional to the harmonic conjugate. Therefore, sampling the AC voltage signal with half the period (of the switching signal) and integrating the AC voltage signal with half the period (of the switching signal) results in orthogonal components of the AC voltage signal.

Das Wechselspannungssignal kann in Form von Formel 2 geschrieben werden: U ( t ) = U 0  cos ( ω t + φ 0 ) + V

Figure DE102021108409B3_0003
wobei U0 die Amplitude ist, ω die Kreisfrequenz ist mit ω = 2 π T
Figure DE102021108409B3_0004
und der Periodendauer T, φ0 eine Phasendifferenz und V ein Versatz sind.The AC voltage signal can be written in the form of formula 2: u ( t ) = u 0 cos ( ω t + φ 0 ) + V
Figure DE102021108409B3_0003
where U 0 is the amplitude, ω is the angular frequency with ω = 2 π T
Figure DE102021108409B3_0004
and the period T, φ 0 is a phase difference and V is an offset.

Es können nun Größen U1 und U2 gemäß den Formeln 3 und 4 bestimmt werden: U 1 = 1 2 ( U ( 0 ) U ( T 2 ) )

Figure DE102021108409B3_0005
U 2 = 1 T ( 0 T 2 U ( τ ) d τ T 2 T U ( τ ) d τ )
Figure DE102021108409B3_0006
The quantities U 1 and U 2 can now be determined according to formulas 3 and 4: u 1 = 1 2 ( u ( 0 ) u ( T 2 ) )
Figure DE102021108409B3_0005
u 2 = 1 T ( 0 T 2 u ( τ ) i.e τ T 2 T u ( τ ) i.e τ )
Figure DE102021108409B3_0006

Beim Berechnen der obengenannten Differenzen fällt der Versatz V, der für U(t) auftreten kann (siehe Formel 2), weg. Der Versatz V hat damit nur Einfluss auf die Verstärkung und den Dynamikbereich des Signals und wird demnach im Folgenden nicht weiter behandelt.When calculating the above differences, the offset V that can occur for U(t) (see formula 2) is omitted. The offset V therefore only affects the gain and the dynamic range of the signal and is therefore not discussed further below.

U1 entspricht der Abweichung des Wechselspannungssignals von seinem Mittelpunkt am Anfang der vollständigen Periode eines In-Phase-Signals. U2 entspricht der gemittelten Abweichung des Wechselspannungssignals von seinem Mittelpunkt über eine halbe Periode (obere Periodenhälfte H) eines In-Phase-Signals.U 1 corresponds to the deviation of the AC voltage signal from its midpoint at the beginning of the complete period of an in-phase signal. U 2 corresponds to the mean deviation of the AC voltage signal from its midpoint over half a period (upper half of the period H) of an in-phase signal.

Aus Formel 3 folgt Formel 5: U 1 = 1 2 U 0 ( cos ( φ 0 ) cos ( π + φ 0 ) ) = U 0 cos ( φ 0 )

Figure DE102021108409B3_0007
From formula 3 follows formula 5: u 1 = 1 2 u 0 ( cos ( φ 0 ) cos ( π + φ 0 ) ) = u 0 cos ( φ 0 )
Figure DE102021108409B3_0007

Und aus Formel 4 folgt Formel 6: U 2 = 1 T 2 U 0 0 T 2 U ( τ ) d τ = 2 T U 0 [ sin ( ω t + φ 0 ) 1 ω ] 0 T 2   = U 0 2 T T 2 π ( sin ( π + φ 0 ) sin ( φ 0 ) ) = 2 π U 0  sin ( φ 0 )

Figure DE102021108409B3_0008
And from formula 4 follows formula 6: u 2 = 1 T 2 u 0 0 T 2 u ( τ ) i.e τ = 2 T u 0 [ sin ( ω t + φ 0 ) 1 ω ] 0 T 2 = u 0 2 T T 2 π ( sin ( π + φ 0 ) sin ( φ 0 ) ) = 2 π u 0 sin ( φ 0 )
Figure DE102021108409B3_0008

Andererseits kann das Wechselspannungssignal in Formel 2 auch durch das Additionstheorem zu Formel 7 umgeformt werden (der Versatz V wird, wie oben beschrieben, vernachlässigt): U ( t ) = U 0 ( cos ( ω t ) cos ( φ 0 ) sin ( ω t ) sin ( φ 0 ) )

Figure DE102021108409B3_0009
On the other hand, the AC voltage signal in Equation 2 can also be transformed to Equation 7 by the addition theorem (the offset V is neglected as described above): u ( t ) = u 0 ( cos ( ω t ) cos ( φ 0 ) sin ( ω t ) sin ( φ 0 ) )
Figure DE102021108409B3_0009

Wendet man I und Q aus den Formeln 1a bzw. 1b auf das Wechselspannungssignal gemäß Formel 7 an, so erhält man die In-Phase-Anteile UI gemäß Formel 8a und die Quadratur-Anteile UQ gemäß Formel 8b: U I = U 0  cos ( φ 0 )

Figure DE102021108409B3_0010
U Q = U 0  sin ( φ 0 )
Figure DE102021108409B3_0011
If I and Q from formulas 1a and 1b are applied to the AC voltage signal according to formula 7, the in-phase components U I according to formula 8a and the quadrature components U Q according to formula 8b are obtained: u I = u 0 cos ( φ 0 )
Figure DE102021108409B3_0010
u Q = u 0 sin ( φ 0 )
Figure DE102021108409B3_0011

Aus Formel 7 folgt: U ( t ) = U I  cos ( ω t ) U Q  sin ( ω t )

Figure DE102021108409B3_0012
From formula 7 follows: u ( t ) = u I cos ( ω t ) u Q sin ( ω t )
Figure DE102021108409B3_0012

Hierbei sind gemäß Definition U1 der In-Phase-Anteil des Wechselspannungssignals und UQ der Quadratur-Anteil des Wechselspannungssignals.According to the definition, U 1 is the in-phase component of the AC voltage signal and U Q is the quadrature component of the AC voltage signal.

Ein Vergleich der Formeln 5 und 6 mit den Formeln 8a und 8b ergibt Folgendes: U I = U 1

Figure DE102021108409B3_0013
U Q = π 2 U 2
Figure DE102021108409B3_0014
Comparing formulas 5 and 6 with formulas 8a and 8b gives the following: u I = u 1
Figure DE102021108409B3_0013
u Q = π 2 u 2
Figure DE102021108409B3_0014

Es entspricht U1 dem In-Phase-Anteil UI des Wechselspannungssignals und U2 ist proportional zum Quadratur-Anteil UQ des Wechselspannungssignals.U 1 corresponds to the in-phase component U I of the AC voltage signal and U 2 is proportional to the quadrature component U Q of the AC voltage signal.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der das obengenannte In-Phase-Signal das Schaltsignal des/der Schaltelements/e ist, wird U1 direkt aus dem ersten Kanal mit den beiden Folge-Halte-Gliedern erhalten: U 1 = 1 2 ( U 1 p | S = H U 1 n | S = L )

Figure DE102021108409B3_0015
In the circuit arrangement according to the invention, in which the above-mentioned in-phase signal is the switching signal of the switching element(s), U 1 is obtained directly from the first channel with the two track-and-hold elements: u 1 = 1 2 ( u 1 p | S = H u 1 n | S = L )
Figure DE102021108409B3_0015

Hierbei ist U1p die gemessene Spannung im ersten Kanal, wenn das Schaltsignal die obere Periodenhälfte H des Referenzsignals durchläuft und das Schaltelement entsprechend geschaltet ist. U1p wird gemessen, sobald das Schaltsignal in die obere Periodenhälfte H übergeht. U1n ist die gemessene Spannung im ersten Kanal, wenn das Schaltsignal die untere Periodenhälfte L des Referenzsignals durchläuft und das Schaltelement entsprechend geschaltet ist. U1n wird gemessen, sobald das Schaltsignal S in die untere Periodenhälfte L übergeht.Here, U 1p is the measured voltage in the first channel when the switching signal runs through the upper half of the period H of the reference signal and the switching element is switched accordingly. U 1p is measured as soon as the switching signal changes to the upper half of the H period. U 1n is the measured voltage in the first channel when the switching signal runs through the lower half of the period L of the reference signal and the switching element is switched accordingly. U 1n is measured as soon as the switching signal S changes to the lower half of the L period.

Entsprechend wird bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung U2 direkt aus dem zweiten Kanal mit den Halbperiodenintegratoren erhalten: U 2 = U 2 p U 2 n

Figure DE102021108409B3_0016
Correspondingly, in the circuit arrangement according to the invention U 2 is obtained directly from the second channel with the half-period integrators: u 2 = u 2 p u 2 n
Figure DE102021108409B3_0016

Hierbei ist U2p die gemessene Spannung im zweiten Kanal, wenn das Schaltsignal die untere Periodenhälfte L durchläuft und das Schaltelement entsprechend geschaltet ist. U2p wird über die untere Periodenhälfte L oder alternativ durchgängig gemessen. U2n ist die gemessene Spannung im zweiten Kanal, wenn das Schaltsignal die obere Periodenhälfte H durchläuft und das Schaltelement entsprechend geschaltet ist. U2n wird über die obere Periodenhälfte H oder alternativ durchgängig gemessen.Here U 2p is the measured voltage in the second channel when the switching signal runs through the lower half of the period L and the switching element is switched accordingly. U 2p is measured over the lower half of the period L or alternatively continuously. U 2n is the measured voltage in the second channel when the switching signal runs through the upper half of the period H and the switching element is switched accordingly. U 2n is measured over the upper half of the period H or alternatively continuously.

Im Ergebnis fungiert die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung als Demodulator. Zum Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden lediglich RC-Glieder sowie Schaltelemente verwendet. Dies bietet die Vorteile, dass eine Justierung in einfacher Weise durchgeführt werden kann, da die Bauteile keine Spuren im Signal hinterlassen und generell die Kosten für die Schaltungsanordnung aufgrund der einfachen Bauteile sehr gering sind. Außerdem wird das Signal zwischen den Schaltvorgängen konstant gehalten, wodurch die Auswertung vereinfacht wird.As a result, the circuit arrangement according to the invention functions as a demodulator. Only RC elements and switching elements are used to construct the circuit arrangement according to the invention. This offers the advantages that an adjustment can be carried out in a simple manner since the components leave no traces in the signal and the costs for the circuit arrangement are generally very low due to the simple components. In addition, the signal is kept constant between the switching processes, which simplifies the evaluation.

Um eine möglichst genaue Abtastung durch die Folge-Halte-Glieder zu erreichen, werden die Zeitkonstanten der RC-Glieder des ersten Kanals möglichst klein gewählt. Bevorzugt ist die Zeitkonstante jedes der beiden RC-Glieder, aus denen die Folge-Halte-Glieder des ersten Kanals aufgebaut sind, um mindestens den Faktor fünf kleiner als die Periodendauer des Wechselspannungssignals.In order to achieve the most accurate possible sampling by the track-and-hold elements, the time constants of the RC elements of the first channel are chosen to be as small as possible. The time constant of each of the two RC elements from which the track-and-hold elements of the first channel are constructed is preferably smaller by a factor of at least five than the period duration of the AC voltage signal.

Um bei der Integration möglichst die ganze Halbperiode zu erfassen und somit eine möglichst genaue Integration durch die Halbperiodenintegratoren zu erreichen, werden die Zeitkonstanten der RC-Glieder des zweiten Kanals möglichst groß gewählt. Bevorzugt ist die Zeitkonstante jedes der beiden RC-Glieder, aus denen die Halbperiodenintegratoren des zweiten Kanals ausgebildet sind, um mindestens den Faktor zehn größer als die Periodendauer des Wechselspannungssignals.The time constants of the RC elements of the second channel are chosen to be as large as possible in order to cover the entire half-period during the integration and thus to achieve the most precise possible integration by the half-period integrators. The time constant of each of the two RC elements from which the half-period integrators of the second channel are formed is preferably greater by at least a factor of ten than the period of the AC voltage signal.

Es kann ein Schaltelement für beide Kanäle vorgesehen sein, mit dem das Wechselspannungssignal wechselweise den jeweiligen RC-Gliedern zugeführt wird. Dabei kann es allerdings während der Hold-Funktion zu einem Ausgleich zwischen den Kondensatoren der unterschiedlichen Kanäle kommen. Eine Demodulation ist dennoch möglich, wenn eine zeitliche präzise Abtastung an vorgebbaren gewünschten Abtastpunkten stattfindet. Der Fachmann kann dann eine mathematische Korrelation nutzen, um die In-Phase-Anteile I und die Quadratur-Anteile Q zu bestimmen.A switching element can be provided for both channels, with which the AC voltage signal is fed alternately to the respective RC elements. However, this can lead to an equalization between the capacitors of the different channels during the hold function. Demodulation is nevertheless possible if precise time sampling takes place at predeterminable, desired sampling points. Those skilled in the art can then use mathematical correlation to determine the in-phase I and quadrature Q components.

Vorzugsweise ist für jeden Kanal jeweils ein separates Schaltelement vorgesehen. Für den ersten Kanal ist also ein erstes Schaltelement vorgesehen, welches das Wechselspannungssignal abwechselnd zuerst einem Folge-Halte-Glied und dann dem anderen Folge-Halte-Glied zuführt. Gleichermaßen ist für den zweiten Kanal ein zweites Schaltelement vorgesehen, welches das Wechselspannungssignal abwechselnd zuerst einem Halbperiodenintegrator und dann dem anderen Halbperiodenintegrator zuführt. Beide Schaltelemente sind dabei über dasselbe Schaltsignal synchronisiert. Hiermit ist eine einfache Auswertung möglich, da die Kanäle vollständig voneinander trennbar sind.A separate switching element is preferably provided for each channel. A first switching element is therefore provided for the first channel, which alternately feeds the AC voltage signal first to a track-and-hold element and then to the other track-and-hold element. Likewise, a second switching element is provided for the second channel, which alternately feeds the AC voltage signal first to a half-period integrator and then to the other half-period integrator. Both switching elements are synchronized via the same switching signal. This enables a simple evaluation, since the channels can be completely separated from one another.

Vorzugsweise ist ein Referenzsignal vorgesehen, das synchron zum Wechselspannungssignal ist. Weiter unten wird beschrieben, wie ein solches Referenzsignal erhalten werden kann. Gemäß einem Aspekt dient das Referenzsignal direkt als Schaltsignal für das zumindest eine Schaltelement. Somit kann das zumindest eine Schaltelement in einfacher Weise, ohne zusätzliche Bauteile mit der Periodendauer des Wechselspannungssignals synchronisiert werden.A reference signal is preferably provided which is synchronous with the AC voltage signal. How such a reference signal can be obtained is described further below. According to one aspect the reference signal serves directly as a switching signal for the at least one switching element. The at least one switching element can thus be synchronized with the period duration of the AC voltage signal in a simple manner without additional components.

Für die Abtastung im ersten Kanal bleibt bei der Verwendung nur des Referenzsignals, wie oben beschrieben, typischerweise nur wenig Zeit während des Halte-Zustands zwischen zwei Schaltvorgängen, nämlich im Wesentlichen eine halbe Periodendauer des Referenzsignals. Dadurch werden sehr hohe Anforderungen an eine Auswerteeinheit, insbesondere an deren Analog-Digital-Wandler und an ein Unterbrechungssystem eines Mikrokontrollers, gestellt oder die Betriebsfrequenz der Schaltungsanordnung begrenzt. Vorteilhafterweise ist ein rekursiver Konverter vorgesehen, der aus einem binären Eingangssignal und einem Referenzsignal ein Ausgangssignal bereitstellt, das als Schaltsignal für das erste Schaltelement dient. Die Periodendauer des binären Eingangssignals ist dabei deutlich größer als die Periodendauer des Referenzsignals, bevorzugt um einen Faktor zwischen 10 und 100, besonders bevorzugt zwischen 20 und 100. Einer Verlängerung der Haltezeit um den Faktor 20 erlaubt schon die Anwendung von einfachen Mikrocontrollern mit eingebautem Analog-Digital-Wandler. Bei einer Verlängerung der Haltezeit um einen Faktor über 100 kann die Datenerfassung nicht mehr zeitkritisch erfolgen. Der Faktor kann Abhängig von der Schwingungsfrequenz gewählt werden und auch höhere oder niedrigere Werte annehmen. Wenn nach einem Zustandswechsel des binären Eingangssignals, das Referenzsignal denselben Zustand wie das binäre Eingangssignal aufweist, wechselt auch das Ausgangssignal seinen Zustand. Durch den rekursiven Konverter bleibt das Ausgangssignal über mehrere Perioden des Referenzsignals im gleichen Zustand, bevor es zeitgleich mit dem Referenzsignal seinen Zustand wechselt und dadurch das Schaltelement entsprechend geschaltet wird. Folglich wird der Halte-Zustand für jedes RC-Glied des ersten Kanals deutlich verlängert, sodass die Auswertung der Abtastung vereinfacht wird und die obengenannten Beschränkungen überwunden werden. Für das zweite Schaltelement wird weiterhin direkt das Referenzsignal verwendet, aber die Zeitsteuerung ist bei der Auswertung für den zweiten Kanal unkritisch.For sampling in the first channel, when only the reference signal is used, as described above, typically only a little time remains during the hold state between two switching operations, namely essentially half a period of the reference signal. As a result, very high demands are placed on an evaluation unit, in particular on its analog/digital converter and on an interruption system of a microcontroller, or the operating frequency of the circuit arrangement is limited. Advantageously, a recursive converter is provided, which provides an output signal from a binary input signal and a reference signal, which serves as a switching signal for the first switching element. The period of the binary input signal is significantly longer than the period of the reference signal, preferably by a factor of between 10 and 100, particularly preferably between 20 and 100. An extension of the hold time by a factor of 20 already allows the use of simple microcontrollers with built-in analog digital converter. If the hold time is extended by a factor of more than 100, the data acquisition can no longer be time-critical. The factor can be selected depending on the vibration frequency and can also assume higher or lower values. If, after a status change of the binary input signal, the reference signal has the same status as the binary input signal, the output signal also changes its status. Due to the recursive converter, the output signal remains in the same state over several periods of the reference signal before it changes its state at the same time as the reference signal and the switching element is thus switched accordingly. Consequently, the hold state for each RC element of the first channel is significantly lengthened, so that the evaluation of the sample is simplified and the above limitations are overcome. The reference signal is still used directly for the second switching element, but the timing is not critical in the evaluation for the second channel.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein Referenzsignal bereitzustellen, die insbesondere vom Ursprung des Wechselspannungssignals und von den Einsatzbedingungen der Schaltungsanordnung abhängen. Gemäß einem Aspekt wird das Referenzsignal bereits im Vorhinein bereitgestellt und verwendet, um eine periodische Anregung in einer Erregerspule zu erzeugen. Die Erregerspule induziert dann in einer Messspule das Wechselspannungssignal, welches demoduliert werden soll. Das Wechselspannungssignal und das Referenzsignal werden der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zugeführt.There are several ways of providing a reference signal, which depend in particular on the origin of the AC voltage signal and on the operating conditions of the circuit arrangement. According to one aspect, the reference signal is already provided in advance and used to generate a periodic excitation in an excitation coil. The excitation coil then induces the AC voltage signal in a measuring coil that is to be demodulated. The AC voltage signal and the reference signal are supplied to the circuit arrangement according to the invention.

Gemäß einem weiteren Aspekt erzeugt ein Oszillator eine periodische Anregung einer Erregerspule. Die periodische Anregung wird hierbei in ein binäres Referenzsignal umgewandelt. Die Erregerspule induziert dann in einer Messspule das Wechselspannungssignal, welches demoduliert werden soll. According to a further aspect, an oscillator generates a periodic excitation of an excitation coil. The periodic excitation is converted into a binary reference signal. The excitation coil then induces the AC voltage signal in a measuring coil that is to be demodulated.

Auch hier werden das Wechselspannungssignal und das Referenzsignal der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zugeführt.Here, too, the AC voltage signal and the reference signal are supplied to the circuit arrangement according to the invention.

Zur Auswertung sind bevorzugt Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) vorgesehen. Ein erster Analog-Digital-Wandler ist im ersten Kanal angeordnet und wandelt die analogen Spannungssignale der beiden RC-Glieder im ersten Kanal in digitale Signale um. Ein zweiter Analog-Digital-Wandler ist gleichermaßen im zweiten Kanal angeordnet und wandelt die analogen Spannungssignale der beiden RC-Glieder im zweiten Kanal in digitale Signale um.Analog-to-digital converters (A/D converters) are preferably provided for the evaluation. A first analog/digital converter is arranged in the first channel and converts the analog voltage signals from the two RC elements in the first channel into digital signals. A second analog-to-digital converter is also arranged in the second channel and converts the analog voltage signals from the two RC elements in the second channel into digital signals.

Die Aufgabe wird zudem durch den erfindungsgemäßen linearen Positionssensor gelöst. Der lineare Positionssensor dient dazu, die Position eines Objekts (auch als Target bezeichnet) zu messen. Hierzu weist der lineare Positionssensor eine Erregerspule, eine Messspule, einen Oszillator und die vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auf. Der Oszillator ist mit der Erregerspule, vorzugsweise als ein Glied eines parallelen LC-Kreis, verbunden und regt diese mit einer periodischen Anregung an, sodass sie ein Magnetfeld erzeugt. Das Magnetfeld induziert in der Messspule ein Wechselspannungssignal. Dabei wird das Magnetfeld durch das Objekt abhängig von dessen Position gestört, sodass sich auch das Wechselspannungssignal in der Messspule ändert. Die Schaltungsanordnung ist mit der Messspule verbunden und das Wechselspannungssignal wird der Schaltungsanordnung zugeführt. Wie vorstehend beschrieben, demoduliert die Schaltungsanordnung das Wechselspannungssignal.The object is also achieved by the linear position sensor according to the invention. The linear position sensor is used to measure the position of an object (also known as a target). For this purpose, the linear position sensor has an exciter coil, a measuring coil, an oscillator and the circuit arrangement according to the invention described above. The oscillator is connected to the excitation coil, preferably as a member of a parallel LC circuit, and excites it with a periodic excitation so that it generates a magnetic field. The magnetic field induces an AC voltage signal in the measuring coil. The magnetic field is disturbed by the object depending on its position, so that the AC voltage signal in the measuring coil also changes. The circuit arrangement is connected to the measuring coil and the AC voltage signal is fed to the circuit arrangement. As described above, the circuit arrangement demodulates the AC voltage signal.

Für die Vorteile und bevorzugte Weiterentwicklungen des linearen Positionssensors wird auf die vorstehende Beschreibung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verwiesen.For the advantages and preferred further developments of the linear position sensor, reference is made to the above description of the circuit arrangement according to the invention.

Figurenlistecharacter list

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen linearen Positionssensors.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
  • 4 zeigt ein Diagramm eines zu demodulierenden Wechselspannungssignals und eines Referenzsignals.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
  • 6a zeigt ein Diagramm von Eingangssignalen und Ausgangssignalen eines rekursiven Konverters.
  • 6b zeigt ein Diagramm der Ausgangssignale der Schaltungsanordnung aus 5.
  • 7 zeigt ein Diagramm, bei dem der Zusammenhang zwischen den In-Phase-Anteilen und den Quadratur-Anteilen des Wechselspannungssignals für mehrere Materialien dargestellt ist.
Embodiments of the invention are shown in the drawings and explained in more detail in the following description.
  • 1 shows a schematic representation of an embodiment of the linear position sensor according to the invention.
  • 2 shows a schematic representation of a first embodiment of the circuit arrangement according to the invention.
  • 3 shows a schematic representation of a second embodiment of the circuit arrangement according to the invention.
  • 4 shows a diagram of an AC voltage signal to be demodulated and a reference signal.
  • 5 shows a schematic representation of a third embodiment of the circuit arrangement according to the invention.
  • 6a shows a diagram of input signals and output signals of a recursive converter.
  • 6b shows a diagram of the output signals of the circuit arrangement 5 .
  • 7 FIG. 12 shows a diagram showing the relationship between the in-phase components and the quadrature components of the AC voltage signal for a number of materials.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen linearen induktiven Positionssensors. Der lineare Positionssensor weist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 1 zur Demodulation eines Wechselspannungssignals U auf. Zudem weist der lineare Positionssensor einen Oszillator 2, eine Erregerspule 3 und eine Messspule 4 sowie eine Auswerteeinheit 5 auf. Der Oszillator 2 ist mit der Erregerspule 3 verbunden und erzeugt in der Erregerspule 3 eine periodische Anregung in Form von U e ( t ) = U e 0  cos ( ω t )

Figure DE102021108409B3_0017
wobei Ue0 die Amplitude des Signals und ω die Kreisfrequenz des Signals sind. Es gilt ω = 2 π T ,
Figure DE102021108409B3_0018
mit der Periodendauer T. In einer Ausführungsform wird das Signal, mit dem die periodische Anregung erzeugt wird, als Referenzsignal verwendet. In einer anderen Ausführungsform wird ein binäres Referenzsignal aus der periodischen Anregung erzeugt. Der In-Phase-Anteil Iref des Referenzsignals (im Folgenden als I-Referenzsignal bezeichnet) wird an die Schaltungsanordnung 1 übertragen. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the linear inductive position sensor according to the invention. The linear position sensor has a circuit arrangement 1 according to the invention for demodulating an AC voltage signal U. In addition, the linear position sensor has an oscillator 2 , an excitation coil 3 and a measuring coil 4 as well as an evaluation unit 5 . The oscillator 2 is connected to the excitation coil 3 and generates in the excitation coil 3 a periodic excitation in the form of u e ( t ) = u e 0 cos ( ω t )
Figure DE102021108409B3_0017
where U e0 is the amplitude of the signal and ω is the angular frequency of the signal. It applies ω = 2 π T ,
Figure DE102021108409B3_0018
with the period duration T. In one embodiment, the signal with which the periodic excitation is generated is used as a reference signal. In another embodiment, a binary reference signal is generated from the periodic excitation. The in-phase component I ref of the reference signal (referred to below as the I reference signal) is transmitted to the circuit arrangement 1 .

Aufgrund der periodischen Anregung wird ein Magnetfeld in der Erregerspule 3 erzeugt. Das Magnetfeld induziert eine Spannung U in der Messspule 4. Die Messspule 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Messspule, wie sie in der nicht vorveröffentlichen Patentanmeldung DE 10 2020 134 217.9 der Anmelderin, auf die vorliegend Bezug genommen wird, beschrieben ist. Ein hier nicht dargestelltes Objekt (Target) beeinflusst das Magnetfeld, sodass es zu einer Phasendifferenz φ0 zwischen der periodischen Anregung Ue und dem gemessenen Signal U kommt. Die Phasendifferenz φ0, ist charakteristisch für das Material des Objekts. Das gemessene Signal U wird mit der Formel 2* beschrieben (wie eingangs beschrieben, wird der Versatz nicht berücksichtigt): U ( t ) = U 0  cos ( ω t + φ 0 )

Figure DE102021108409B3_0019
A magnetic field is generated in the excitation coil 3 due to the periodic excitation. The magnetic field induces a voltage U in the measuring coil 4. In this exemplary embodiment, the measuring coil 4 is a measuring coil, as is described in the patent application, which is not a prior publication DE 10 2020 134 217.9 by the applicant, to which reference is made herein. An object (target) not shown here influences the magnetic field, so that there is a phase difference φ 0 between the periodic excitation U e and the measured signal U. The phase difference φ 0 is characteristic of the material of the object. The measured signal U is described with the formula 2* (as described above, the offset is not taken into account): u ( t ) = u 0 cos ( ω t + φ 0 )
Figure DE102021108409B3_0019

Über das Additionstheorem kann die Formel 2* in die Formel 9 umgewandelt werden: U ( t ) = U I  cos ( ω t ) U Q  sin ( ω t )

Figure DE102021108409B3_0020
Using the addition theorem, formula 2* can be converted into formula 9: u ( t ) = u I cos ( ω t ) u Q sin ( ω t )
Figure DE102021108409B3_0020

Hierbei sind U1 der In-Phase-Anteil des gemessen Signals U gemäß der Formel 8a und UQ der Quadratur-Anteil des gemessen Signals U gemäß der Formel 8b: U I = U 0  cos ( φ 0 )

Figure DE102021108409B3_0021
U Q = U 0  sin ( φ 0 )
Figure DE102021108409B3_0022
Here, U 1 is the in-phase component of the measured signal U according to formula 8a and U Q is the quadrature component of the measured signal U according to formula 8b: u I = u 0 cos ( φ 0 )
Figure DE102021108409B3_0021
u Q = u 0 sin ( φ 0 )
Figure DE102021108409B3_0022

Die Demodulation des gemessenen Signals U erfolgt durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, die nachfolgend beschrieben wird. Nach der Demodulation werden UI und UQ der Auswerteeinheit 5 zugeführt. The measured signal U is demodulated by the circuit arrangement according to the invention, which is described below. After the demodulation, U I and U Q are fed to the evaluation unit 5 .

Außerdem wird ein positionsabhängiges Abstandssignal Sd gemessen und der Auswerteeinheit 5 zugeführt.In addition, a position-dependent distance signal S d is measured and fed to the evaluation unit 5 .

Die Auswerteeinheit 5 berechnet nun den Abstand d zum Objekt und die Position P des Objekts. Zudem berechnet die Auswerteeinheit 5 mittels nachfolgender Formel 15 aus UI und UQ die Phasendifferenz φ0. φ 0 = atan ( U Q , U I )

Figure DE102021108409B3_0023
The evaluation unit 5 now calculates the distance d to the object and the position P of the object. In addition, the evaluation unit 5 uses the following formula 15 to calculate the phase difference φ 0 from U I and U Q . φ 0 = atan ( u Q , u I )
Figure DE102021108409B3_0023

Aus der Phasendifferenz können verschiedene Informationen bezüglich des Materials gewonnen werden. Hierfür wird auf die Beschreibung zu 6 verwiesen.Various information regarding the material can be obtained from the phase difference. For this, refer to the description 6 referred.

In 2 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 zur Demodulation eines Wechselspannungssignals dargestellt. Als Wechselspannungssignal ist hier das von der Messspule 4 aufgenommene Signal U vorgesehen. Zudem wird das I-Referenzsignal Iref, welches synchron zu dem Wechselspannungssignal ist, vom Oszillator 2 bereitgestellt. Die Schaltungsanordnung 1 weist zwei Kanäle auf, die hier - wie nachfolgend beschrieben - getrennt voneinander dargestellt sind und denen jeweils das Wechselspannungssignal U zugeführt wird. Zuvor durchläuft das Wechselspannungssignal U einen analogen Puffer B oder alternativ einen Pufferverstärker. Zusätzlich oder alternativ kann das Wechselspannungssignal U einem Verstärker zugeführt werden.In 2 a first embodiment of the circuit arrangement 1 according to the invention for demodulating an AC voltage signal is shown. The signal U recorded by the measuring coil 4 is provided here as the alternating voltage signal. In addition, the I reference signal I ref , which is synchronous with the AC voltage signal, is provided by the oscillator 2 . The circuit arrangement 1 has two channels, which are shown here separately from one another, as described below, and to which the AC voltage signal U is supplied. Before that, the AC voltage signal U runs through an analog buffer B or, alternatively, a buffer amplifier. Additionally or alternatively, the AC voltage signal U can be supplied to an amplifier.

Der erste Kanal weist einen ersten Widerstand R1, einen ersten Schalter SW1, einen ersten Kondensator C11 und einen zweiten Kondensator C12 auf. Jeder dieser Kondensatoren C11, C21 bildet mit dem ersten Widerstand R1 jeweils ein als Spannungsteiler geschaltetes RC-Glied. Für jedes dieser beiden RC-Glieder ist eine Zeitkonstante - also das Produkt aus dem elektrischen Widerstand des ersten Widerstands R1 und der Kapazität des ersten Kondensators C11 bzw. des zweiten Kondensators C12 - deutlich kleiner als die Periodendauer T des Wechselspannungssignals U (R1C11 << T; R1C12 << T). In diesem Ausführungsbeispiel ist die Zeitkonstante um den Faktor 5 kleiner als die Periodendauer T.The first channel has a first resistor R 1 , a first switch SW 1 , a first capacitor C 11 and a second capacitor C 12 . Each of these capacitors C 11 , C 21 forms an RC element connected as a voltage divider with the first resistor R 1 . For each of these two RC elements, a time constant - i.e. the product of the electrical resistance of the first resistor R 1 and the capacitance of the first capacitor C 11 or the second capacitor C 12 - is significantly smaller than the period T of the AC voltage signal U (R 1C11 << T; R1C12 << T). In this embodiment, the time constant is smaller than the period T by a factor of 5.

Das I-Referenzsignal Iref wird dem ersten Schalter SW1 zugeführt und dient als Schaltsignal, mit dem der erste Schalter SW1 zwischen zwei Schaltzuständen umgeschaltet wird. Durchläuft das I-Referenzsignal Iref seine obere Periodenhälfte H (siehe 4), so nimmt der erste Schalter SW1 einen ersten Schaltzustand ein (in 2 durch „H“ im Schalter SW1 gekennzeichnet). Durchläuft das I-Referenzsignal Iref hingegen seine untere Periodenhälfte L (siehe 4), so nimmt der erste Schalter SW1 einen zweiten Schaltzustand ein (in 2 durch „L“ im Schalter SW1 gekennzeichnet). Der erste Schalter SW1 wird somit mit der Periodendauer des I-Referenzsignals Iref, die der Periodendauer T des Wechselspannungssignals U entspricht, zwischen den beiden Schaltzuständen geschaltet.The I reference signal I ref is fed to the first switch SW 1 and is used as a switching signal with which the first switch SW 1 is switched over between two switching states. If the I reference signal I ref runs through its upper half of the period H (see 4 ), the first switch SW 1 assumes a first switching state (in 2 denoted by “H” in switch SW 1 ). On the other hand, if the I reference signal I ref runs through its lower half of the period L (see 4 ), the first switch SW 1 assumes a second switching state (in 2 denoted by “L” in switch SW 1 ). The first switch SW 1 is thus switched between the two switching states with the period duration of the I reference signal I ref , which corresponds to the period duration T of the AC voltage signal U.

Im ersten Schaltzustand (entspricht H) verbindet der erste Schalter SW1 das Wechselspannungssignal U über den ersten Widerstand R1 mit dem ersten Kondensator C11, während die Verbindung zum zweiten Kondensator C12 getrennt ist. Das Signal U1p wird gemessen. Im zweiten Schaltzustand (entspricht L) verbindet der erste Schalter SW1 das Wechselspannungssignal U über den ersten Widerstand R1 mit dem zweiten Kondensator C12; dabei wird die Verbindung zum ersten Kondensator C11 getrennt. Das Signal U1n wird gemessen. Die beiden RC-Glieder des ersten Kanals wirken demzufolge mit Hilfe des ersten Schalters SW1 jeweils als Folge-Halte-Glieder, welche das Wechselspannungssignal U abtasten (siehe auch 4).In the first switching state (corresponds to H), the first switch SW 1 connects the AC voltage signal U to the first capacitor C 11 via the first resistor R 1 , while the connection to the second capacitor C 12 is disconnected. The signal U 1p is measured. In the second switching state (corresponds to L), the first switch SW 1 connects the AC voltage signal U via the first resistor R 1 to the second capacitor C 12 ; thereby the connection to the first capacitor C 11 is separated. The signal U 1n is measured. The two RC elements of the first channel therefore act with the help of the first switch SW1 as track-and-hold elements which sample the AC voltage signal U (see also 4 ).

Die Signale U1p und Um des ersten Kanals werden einem hier nicht dargestellten Differenzierer zugeführt, der die Signale U1p, U1n gemäß Formel 12* zu dem In-Phase-Signal UI zusammenführt: U I = 1 2 ( U 1 p | S = H U 1 n | S = L )

Figure DE102021108409B3_0024
The signals U 1p and Um of the first channel are fed to a differentiator (not shown here), which combines the signals U 1p , U 1n according to formula 12* to form the in-phase signal U I : u I = 1 2 ( u 1 p | S = H u 1 n | S = L )
Figure DE102021108409B3_0024

Das In-Phase-Signal UI wird einem ebenfalls nicht dargestellten Analog/Digital-Wandler zugeführt, der das analoge Signal in ein digitales Signal umwandelt. Schließlich wird das digitale In-Phase-Signal UI der Auswerteeinheit 5 zugeführt.The in-phase signal U I is fed to an analog/digital converter, also not shown, which converts the analog signal into a digital signal. Finally, the digital in-phase signal U I of the evaluation unit 5 is supplied.

Der zweite Kanal weist einen zweiten Widerstand R2, einen zweiten Schalter SW2, einen dritten Kondensator C21 und einen vierten Kondensator C22 auf. Jeder dieser Kondensatoren C21, C22 bildet mit dem zweiten Widerstand R2 jeweils ein als Spannungsteiler geschaltetes RC-Glied. Für jedes dieser beiden RC-Glieder ist eine Zeitkonstante - also das Produkt aus dem elektrischen Widerstand des zweiten Widerstands R2 und der Kapazität des dritten Kondensators C21 bzw. des vierten Kondensators C22 - deutlich größer als die Periodendauer T des Wechselspannungssignals U (R2C21 >> T; R2C22 >> T). In diesem Ausführungsbeispiel ist die Zeitkonstante um den Faktor 10 größer als die Periodendauer T.The second channel has a second resistor R 2 , a second switch SW 2 , a third capacitor C 21 and a fourth capacitor C 22 . Each of these capacitors C 21 , C 22 forms an RC element connected as a voltage divider with the second resistor R 2 . For each of these two RC elements, a time constant - i.e. the product of the electrical resistance of the second resistor R 2 and the capacitance of the third capacitor C 21 or the fourth capacitor C 22 - is significantly greater than the period T of the AC voltage signal U (R 2C21 >> T; R2C22 >> T ). In this exemplary embodiment, the time constant is greater by a factor of 10 than the period duration T.

Dasselbe I-Referenzsignal Iref wird auch dem zweiten Schalter SW2 zugeführt und dient als Schaltsignal, mit dem der zweite Schalter SW2 zwischen zwei Schaltzuständen umgeschaltet wird. Durchläuft das I-Referenzsignal lref seine obere Periodenhälfte H (siehe 4), so nimmt der zweite Schalter SW2 einen ersten Schaltzustand ein (in 2 durch „H“ im Schalter SW2 gekennzeichnet). Durchläuft das I-Referenzsignal Iref hingegen seine untere Periodenhälfte L (siehe 4), so nimmt der zweite Schalter SW2 einen zweiten Schaltzustand ein (in 2 durch „L“ im Schalter SW2 gekennzeichnet). Der zweite Schalter SW2 wird somit ebenfalls mit der Periodendauer des I-Referenzsignals Iref, die der Periodendauer T des Wechselspannungssignals U entspricht, zwischen den beiden Schaltzuständen geschaltet. Demnach werden der erste Schalter SW1 und der zweite Schalter SW2 mit Hilfe des I-Referenzsignals Iref gleichzeitig geschaltet und sind folglich synchronisiert.The same I reference signal I ref is also supplied to the second switch SW 2 and is used as a switching signal with which the second switch SW 2 is switched between two switching states. If the I reference signal lref runs through its upper half of the period H (see 4 ), the second switch SW 2 assumes a first switching state (in 2 denoted by “H” in switch SW 2 ). On the other hand, if the I reference signal I ref runs through its lower half of the period L (see 4 ), the second switch SW 2 assumes a second switching state (in 2 denoted by “L” in switch SW 2 ). The second switch SW 2 is thus also switched between the two switching states with the period duration of the I reference signal I ref , which corresponds to the period duration T of the AC voltage signal U. Accordingly, the first switch SW 1 and the second switch SW 2 are switched simultaneously with the aid of the I reference signal I ref and are consequently synchronized.

Im ersten Schaltzustand (entspricht H) verbindet der zweite Schalter SW2 das Wechselspannungssignal U über den zweiten Widerstand R2 mit dem dritten Kondensator C21, während die Verbindung zum vierten Kondensator C22 getrennt ist. Das Signal U2n wird gemessen. Im zweiten Schaltzustand (entspricht L) verbindet der zweite Schalter SW2 das Wechselspannungssignal U über den zweiten Widerstand R2 mit dem vierten Kondensator C22; dabei wird die Verbindung zum dritten Kondensator C21 getrennt. Das Signal U2p wird gemessen. Die beiden RC-Glieder des zweiten Kanals wirken demzufolge mit Hilfe des zweiten Schalters SW2 jeweils als Halbperiodenintegratoren, welche das Wechselspannungssignal U über die entsprechende Halbperiode integrieren (siehe auch 4).In the first switching state (corresponds to H), the second switch SW 2 connects the AC voltage signal U to the third capacitor C 21 via the second resistor R 2 , while the connection to the fourth capacitor C 22 is disconnected. The signal U 2n is measured. In the second switching state (corresponds to L), the second switch SW 2 connects the AC voltage signal U to the fourth capacitor C 22 via the second resistor R 2 ; thereby the connection to the third capacitor C 21 is separated. The signal U 2p is measured. The two RC elements of the second channel therefore each act as half-period integrators with the help of the second switch SW2, which integrate the AC voltage signal U over the corresponding half-period (see also 4 ).

Die Signale U2n und U2p des zweiten Kanals werden einem weiteren, hier nicht dargestellten Differenzierer zugeführt, der die Signale U2n, U2p gemäß Formel 14 zu dem Quadratur-Signal UQ zusammenführt: U Q = π 2 ( U 2 p | S = L U 2 n | S = H )

Figure DE102021108409B3_0025
The signals U 2n and U 2p of the second channel are fed to another differentiator, not shown here, which combines the signals U 2n , U 2p to form the quadrature signal U Q according to formula 14: u Q = π 2 ( u 2 p | S = L u 2 n | S = H )
Figure DE102021108409B3_0025

Das Quadratur-Signal UQ wird einem ebenfalls nicht dargestellten Analog/Digital-Wandler zugeführt, der das analoge Signal in ein digitales Signal umwandelt. Schließlich wird das digitale Quadratur-Signal UQ der Auswerteeinheit 5 zugeführt.The quadrature signal U Q is fed to an analog/digital converter, also not shown, which converts the analog signal into a digital signal. Finally, the digital quadrature signal U Q of the evaluation unit 5 is supplied.

In 3 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 zur Demodulation eines Wechselspannungssignals dargestellt. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass anstelle der zwei Schalter SW1 und SW2 in den zwei Kanälen ein einzelner Schalter SW vorgesehen ist, der in einem gemeinsamen Kanal angeordnet ist, von dem die beiden Kanäle dann abzweigen. Zudem sind anstelle des jeweils einen Widerstands R1, R2 jeweils zwei Widerstände R11, R12 und R12, R22 vorgesehen, die jeweils direkt mit einem der beiden Kondensatoren C11 und C12 bzw. C21 und C22 verbunden sind. In 3 weist der erste Kanal den ersten Kondensator C11 und den ersten Widerstand R11 sowie den zweiten Kondensator C12 und den zweiten Widerstand R12 auf. Der zweite Kanal weist den dritten Kondensator C21 und den dritten Widerstand R21 sowie den vierten Kondensator C22 und den vierten Widerstand R22 auf.In 3 a second embodiment of the circuit arrangement 1 according to the invention for demodulating an AC voltage signal is shown. The second embodiment differs from the first embodiment in that instead of the two switches SW1 and SW2 in the two channels, a single switch SW is provided, which is arranged in a common channel from which the two channels then branch off. In addition, instead of one resistor R 1 , R 2 each, two resistors R 11 , R 12 and R 12 , R 22 are provided, each of which is directly connected to one of the two capacitors C 11 and C 12 or C 21 and C 22 . In 3 the first channel has the first capacitor C 11 and the first resistor R 11 and the second capacitor C 12 and the second resistor R 12 . The second channel has the third capacitor C 21 and the third resistor R 21 and the fourth capacitor C 22 and the fourth resistor R 22 .

Im ersten Schaltzustand (entspricht H) verbindet der Schalter SW das Wechselspannungssignal U über den ersten Widerstand R11 mit dem ersten Kondensator C11 und über den dritten Widerstand R21 mit dem dritten Kondensator C21. Die Verbindungen zum zweiten Kondensator C12 und zum vierten Kondensator C22 sind getrennt. Es werden die Signale U1p und U2n gemessen. Im zweiten Schaltzustand (entspricht L) verbindet der Schalter SW das Wechselspannungssignal U über den zweiten Widerstand R12 mit dem zweiten Kondensator C12 und über den vierten Widerstand R22 mit dem vierten Kondensator C22. Die Verbindungen zum ersten Kondensator C11 und zum dritten Kondensator C21 werden getrennt. Es werden die Signale U1n und U2p gemessen.In the first switching state (corresponds to H), the switch SW connects the AC voltage signal U to the first capacitor C 11 via the first resistor R 11 and to the third capacitor C 21 via the third resistor R 21 . The connections to the second capacitor C 12 and the fourth capacitor C 22 are disconnected. The signals U 1p and U 2n are measured. In the second switching state (corresponds to L), the switch SW connects the AC voltage signal U to the second capacitor C 12 via the second resistor R 12 and to the fourth capacitor C 22 via the fourth resistor R 22 . The connection Gen to the first capacitor C 11 and the third capacitor C 21 are separated. The signals U 1n and U 2p are measured.

Wenn der Schalter SW, wie in 3 dargestellt, im ersten Schaltzustand ist, sind der zweite Kondensator C12 und der vierte Kondensator C22 zwar vom Wechselspannungssignal abgekoppelt, aber weiterhin miteinander verbunden. Daher beginnt ein Ausgleich der Spannungen der Kondensatoren C12 und C22. Folglich weisen die gemessenen Signale U1p und U2n eine Zeitabhängigkeit auf. If the switch SW, as in 3 shown, in the first switching state, the second capacitor C 12 and the fourth capacitor C 22 are decoupled from the AC voltage signal, but still connected to each other. Therefore, the voltages of capacitors C 12 and C 22 begin to equalize. Consequently, the measured signals U 1p and U 2n have a time dependency.

Entsprechendes gilt im zweiten Schaltzustand für die Kondensatoren C11 und C21 sowie für die Signale U1n und U2p. Es ist weiterhin möglich, eine Demodulation durchzuführen. Hierfür werden die Spannungssignale U1n, U1p, U2n U2p, durch eine zeitlich präzise Abtastung an vorgebbaren, gewünschten Abtastpunkten abgetastet. Über eine entsprechende mathematische Korrelation können die In-Phase-Anteile I und die Quadratur-Anteile Q bestimmt werden.The same applies to the capacitors C 11 and C 21 and to the signals U 1n and U 2p in the second switching state. It is also possible to perform demodulation. For this purpose, the voltage signals U 1n , U 1p , U 2n , U 2p are sampled at predeterminable, desired sampling points by means of sampling that is precise in terms of time. The in-phase components I and the quadrature components Q can be determined via a corresponding mathematical correlation.

In 4 ist das I-Referenzsignal Iref und das Wechselspannungssignal U in einem gemeinsamen Diagramm über die Zeit t dargestellt. Das I-Referenzsignal Iref ist ein Rechteck-Signal, das zwischen einer oberen Periodenhälfte H und einer unteren Periodenhälfte L wechselt. Das I-Referenzsignal Iref weist dabei dieselbe Periodendauer T wie das Wechselspannungssignal U auf, allerdings ist es gegenüber diesem zeitlich versetzt. Wie vorstehend beschrieben, gibt das I-Referenzsignal Iref den Takt für die Schaltvorgänge der Schalter SW1 und SW2 bzw. des Schalters SW vor. Die Schalter SW1 und SW2 bzw. der Schalter SW schalten genau dann, wenn das I-Referenzsignal von der oberen Periodenhälfte H in die untere Periodenhälfte L oder umgekehrt übergeht, also nach einer halben Periodendauer T/2. Im Diagramm in Figur sind diese Zeitpunkte für zwei Perioden mit T/2, T, 3T/2, 2T markiert. Die Folge-Halte-Glieder des ersten Kanals führen zu diesen Zeitpunkten eine Abtastung des Wechselspannungssignals U durch. Zwischen den Zeitpunkten wird das Wechselspannungssignal U durch die Halbperiodenintegratoren des zweiten Kanals integriert. Sobald das I-Referenzsignal Iref von der unteren Periodenhälfte L in die obere Periodenhälfte H übergeht, also unmittelbar nach 0 (zu Beginn), T und 2T, wird im ersten Kanal die Größe U1p für die Abtastung des Wechselspannungssignal gemessen. Zudem wird im zweiten Kanal die Größe U2n durch Integration des Wechselspannungssignals während der unteren Halbperiode gemessen. Sobald das I-Referenzsignal Iref von der oberen Periodenhälfte H in die untere Periodenhälfte L übergeht, also unmittelbar nach T/2 und 3T/2, wird im ersten Kanal die Größe U1n für die Abtastung des Wechselspannungssignal gemessen. Zudem wird im zweiten Kanal die Größe U2p durch Integration des Wechselspannungssignals während der oberen Halbperiode gemessen.In 4 the I reference signal I ref and the AC voltage signal U are shown in a common diagram over time t. The I reference signal I ref is a square-wave signal that alternates between an upper half H period and a lower half L period. The I reference signal I ref has the same period T as the AC voltage signal U, but it is offset in time compared to this. As described above, the I reference signal I ref sets the clock for the switching processes of the switches SW 1 and SW 2 or the switch SW. The switches SW 1 and SW 2 or the switch SW switch precisely when the I reference signal changes from the upper half of the period H to the lower half of the period L or vice versa, ie after half a period duration T / 2 . In the diagram in figure these points in time are marked for two periods with T / 2 , T, 3T / 2 , 2T. The track-and-hold elements of the first channel sample the AC voltage signal U at these points in time. Between the points in time, the AC voltage signal U is integrated by the half-period integrators of the second channel. As soon as the I reference signal I ref transitions from the lower half of the period L to the upper half of the period H, i.e. immediately after 0 (at the beginning), T and 2T, the quantity U 1p for sampling the AC voltage signal is measured in the first channel. In addition, the variable U 2n is measured in the second channel by integrating the AC voltage signal during the lower half period. As soon as the I reference signal I ref transitions from the upper half of the period H to the lower half of the period L, ie immediately after T / 2 and 3T / 2 , the variable U 1n for sampling the AC voltage signal is measured in the first channel. In addition, the variable U 2p is measured in the second channel by integrating the AC voltage signal during the upper half period.

In 5 ist eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 10 zur Demodulation eines Wechselspannungssignals dargestellt. Gleiche Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten nur darin, dass dem ersten Schalter SW1 nicht das Referenzsignal Iref, sondern ein durch einen rekursiven Konverter K erzeugtes Ausgangssignal THEN zugeführt wird, das die Schaltvorgänge des ersten Schalters SW1 steuert. Der zweite Schalter SW2 wird weiterhin über das I-Referenzsignal Iref gesteuert, da die Verarbeitung der aus der Integration erhaltenen Signale U2p und U2n nicht zeitkritisch sind. Der übrige Aufbau und die Funktionen entsprechen dem ersten Ausführungsbeispiel, sodass auf dessen Beschreibung verwiesen wird.In 5 a third embodiment of the circuit arrangement 10 according to the invention for demodulating an AC voltage signal is shown. Identical components are marked with the same reference symbols. The third embodiment differs from the first only in that the first switch SW 1 is not supplied with the reference signal I ref , but with an output signal THEN generated by a recursive converter K, which controls the switching processes of the first switch SW 1 . The second switch SW 2 is still controlled via the I reference signal I ref since the processing of the signals U 2p and U 2n obtained from the integration is not time-critical. The rest of the structure and the functions correspond to the first exemplary embodiment, so that reference is made to its description.

Dem rekursiven Konverter K werden ein binäres Eingangssignal THSEL und das I-Referenzsignal Iref zugeführt. Das binäre Eingangssignal THSEL weist zwei Zustände und eine Periodendauer auf, die deutlich größer ist als die Periodendauer T des Wechselspannungssignals und des I-Referenzsignals Iref. Der rekursive Konverter K erzeugt das Ausgangssignal THEN, das ebenfalls binär ist und zwei Zustände aufweist. Die Zustände der Signale THSEL und THEN werden in Analogie zum I-Referenzsignal Iref mit „H“ für den oberen Zustand und mit „L“ für den unteren Zustand bezeichnet (vergleiche 5a). Das Ausgangssignal THEN wechselt seinen Zustand, wenn das I-Referenzsignal Iref nach einem Zustandswechsel des binären Eingangssignals THSEL denselben Zustand wie das binäre Eingangssignal THSEL aufweist. Der erste Schalter SW1 wird dann über das Ausgangssignal THEN gesteuert (siehe 5b).A binary input signal THSEL and the I reference signal I ref are fed to the recursive converter K. The binary input signal THSEL has two states and a period that is significantly longer than the period T of the AC voltage signal and the I reference signal I ref . The recursive converter K produces the output signal THEN, which is also binary and has two states. In analogy to the I reference signal I ref , the states of the signals THSEL and THEN are labeled “H” for the upper state and “L” for the lower state (cf 5a ). The output signal THEN changes state when the I reference signal I ref has the same state as the binary input signal THSEL after a state change of the binary input signal THSEL. The first switch SW 1 is then controlled via the output signal THEN (see 5b ).

6a zeigt ein Diagramm des binären Eingangssignals THSEL, des I-Referenzsignal lref und des binären Ausgangssignals THEN über der Zeit t. In diesem Beispiel bei einer Schwingungsfrequenz des Referenzsignals von 2,13 MHz, beträgt eine Periode ca. 470 ns. Die Periodendauer des binären Eingangssignals THSEL ist etwa um den Faktor 17 größer als die Periodendauer des I-Referenzsignals Iref. Nachdem das Eingangssignal THSEL von seinem unteren Zustand L in seinen oberen Zustand H übergegangen ist, folgt, sobald das I-Referenzsignal Iref ebenfalls von seinem unteren Zustand in seinen oberen Zustand übergegangen ist, ein Übergang des Ausgangssignals THEN von seinem unteren Zustand L in seinen oberen Zustand H. Gleichermaßen folgt nachdem das Eingangssignal THSEL von seinem oberen Zustand H in seinen unteren Zustand L übergegangen ist, sobald das I-Referenzsignal lref ebenfalls von seinem oberen Zustand in seinen unteren Zustand übergegangen ist, ein Übergang des Ausgangssignals THEN von seinem oberen Zustand H in seinen unteren Zustand L. Für den ersten Übergang zu Beginn folgt das Ausgangssignal THEN direkt dem Übergang des I-Referenzsignals Iref. Der erste Schalter SW1 wird nur bei den Übergangen des Ausgangssignals THEN geschaltet. Dadurch verbleiben der erste Kondensator C11 und der zweite Kondensator C12 jeweils länger von dem Wechselspannungssignal U getrennt, sodass mehr Zeit für eine Auswertung bleibt. 6a shows a diagram of the binary input signal THSEL, the I reference signal lref and the binary output signal THEN over time t. In this example, with an oscillation frequency of the reference signal of 2.13 MHz, a period is approximately 470 ns. The period of the binary input signal THSEL is greater by a factor of approximately 17 than the period of the I reference signal I ref . After the input signal THSEL transitions from its low state to its high state, as soon as the I reference signal I ref also transitions from its low state to its high state, the output signal THEN transitions from its low state to its high state upper state H. Similarly, after the input signal THSEL transitions from its high state to its low state, as soon as the I reference signal lref also transitions from its high state to its low state, the output signal THEN transitions from its high state to its low state its lower state L. For the first transition at the beginning, the output signal THEN directly follows the transition of the I reference signal I ref . The first switch SW1 is switched only at the transitions of the output signal THEN. As a result, the first capacitor C 11 and the second capacitor C 12 each remain separated from the AC voltage signal U for a longer period of time, leaving more time for an evaluation.

In 6 b sind die Spannungssignale U2p, U2n, U1n und U1p in einem Diagramm über der Zeit t, mit der gleichen Zeitskala wie in 6a aufgetragen. Die Signale U1n und U1P, welche im ersten Kanal durch die Folge-Halte-Glieder erhalten werden, sind mit dem Ausgangssignal THEN moduliert. Ist beispielsweise das Ausgangssignal THEN im oberen Zustand H, so ist der zweite Kondensator C12 abgekoppelt und das Signal U1p wird über mehrere Perioden des Wechselspannungssignals U gehalten und kann somit einfach gemessen werden. U1n folgt in diesem Intervall der Periode des Wechselspannungssignals U. Ändert sich das Ausgangssignal THEN in den unteren Zustand L, so ist der erste Kondensator C11 abgekoppelt und das Signal U1n wird über mehrere Perioden gehalten und kann gemessen werden. Die Signale U2p und U2n werden aufgrund der deutlich höheren Zeitkonstante der zugehörigen RC-Glieder dadurch nicht beeinflusst.In 6 b are the voltage signals U 2p , U 2n , U 1n and U 1p in a diagram over time t, with the same time scale as in 6a applied. The signals U 1n and U 1P , which are obtained in the first channel through the track-and-hold elements, are modulated with the output signal THEN. If, for example, the output signal THEN is in the upper state H, the second capacitor C 12 is decoupled and the signal U 1p is held over several periods of the AC voltage signal U and can therefore be measured easily. In this interval, U 1n follows the period of the AC voltage signal U. If the output signal THEN changes to the lower state L, the first capacitor C 11 is decoupled and the signal U 1n is held over several periods and can be measured. The signals U 2p and U 2n are not affected by this due to the significantly higher time constant of the associated RC elements.

7 zeigt in einem Diagramm die Korrelation des In-Phase-Anteils U1 und des Quadratur-Anteils UQ des Wechselspannungssignals U für mehrere unterschiedliche Materialien des Objekts. EC80 bezeichnet einen Konstruktionsstahl, V2A bezeichnet einen rostfreien Stahl und Al steht für Aluminium. Die Korrelation ist für feste Spulenanordnungen eindeutig dem Material zuordenbar. Hierbei ist vor allem der Winkel, den die Kurve der Korrelation im Diagramm einnimmt, entscheidend. Die Kurven können für unterschiedliche Materialen aufgenommen werden und dann mit den gemessenen Werten verglichen werden, um das Material des Objekts zu bestimmen. 7 shows in a diagram the correlation of the in-phase component U 1 and the quadrature component U Q of the AC voltage signal U for several different materials of the object. EC80 denotes structural steel, V2A denotes stainless steel and Al stands for aluminium. For fixed coil arrangements, the correlation can be clearly assigned to the material. The angle that the correlation curve assumes in the diagram is particularly important here. The curves can be recorded for different materials and then compared to the measured values to determine the material of the object.

Claims (10)

Schaltungsanordnung (1) zur Demodulation eines Wechselspannungssignals (U) mit: einem ersten Kanal, der zwei aus je einem RC-Glied (R1, C11; R1, C12; R11, C11; R12, C12) aufgebaute Folge-Halte-Glieder aufweist, denen das Wechselspannungssignal (U) wechselweise über wenigstens ein Schaltelement (SW1) zugeführt wird, wobei jedes der RC-Glieder (R1, C11; R1, C12; R11, C11; R12, C12), aus denen die Folge-Halte-Glieder des ersten Kanals aufgebaut sind, eine Zeitkonstante aufweist, die um einen Schwellenwert kleiner ist als die Periodendauer (T) des Wechselspannungssignals (U), und einem zweiten Kanal, der zwei aus je zumindest einem RC-Glied (R2, C21; R2, C22; R21, C21; R22, C22) aufgebaute Halbperiodenintegratoren aufweist, denen das Wechselspannungssignal (U) wechselweise über das wenigstens eine Schaltelement (SW2) zugeführt wird, wobei jedes der RC-Glieder (R2, C21; R2, C22; R21, C21; R22, C22), aus denen die Halbperiodenintegratoren des zweiten Kanals aufgebaut sind, eine Zeitkonstante aufweist, die um einen Schwellenwert größer ist als die Periodendauer (T) des Wechselspannungssignals (U), wobei die Schaltvorgänge des wenigstens einen Schaltelements (SW1, SW2) durch ein Schaltsignal mit der Periodendauer (T) des Wechselspannungssignals (U) synchronisiert sind.Circuit arrangement (1) for demodulating an AC voltage signal (U), having: a first channel, which consists of two RC elements each (R 1 , C 11 ; R 1 , C 12 ; R 11 , C 11 ; R 12 , C 12 ) constructed track-and-hold elements to which the AC voltage signal (U) is supplied alternately via at least one switching element (SW 1 ), each of the RC elements (R 1 , C 11 ; R 1 , C 12 ; R 11 , C 11 ; R 12 , C 12 ), from which the track-and-hold elements of the first channel are constructed, has a time constant which is smaller by a threshold value than the period duration (T) of the AC voltage signal (U), and a second channel which has two half-period integrators each consisting of at least one RC element (R 2 , C 21 ; R 2 , C 22 ; R 21 , C 21 ; R 22 , C 22 ), to which the AC voltage signal (U) is fed alternately via the at least one switching element ( SW 2 ) is supplied, each of the RC elements (R 2 , C 21 ; R 2 , C 22 ; R 21 , C 21 ; R 22 , C 22 ) from which the half period enintegrators of the second channel are constructed, has a time constant which is greater by a threshold value than the period (T) of the AC voltage signal (U), the switching processes of the at least one switching element (SW 1 , SW 2 ) being triggered by a switching signal with the period ( T) of the AC voltage signal (U) are synchronized. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante jedes der beiden RC-Glieder (R1, C11; R1, C12; R11, C11; R12, C12), aus denen die Folge-Halte-Glieder des ersten Kanals aufgebaut sind, um mindestens den Faktor fünf kleiner ist als die Periodendauer (T) des Wechselspannungssignals (U).Circuit arrangement according to claim 1 , characterized in that the time constant of each of the two RC elements (R 1 , C 11 ; R 1 , C 12 ; R 11 , C 11 ; R 12 , C 12 ) from which the track-and-hold elements of the first channel are constructed, is smaller by at least a factor of five than the period duration (T) of the AC voltage signal (U). Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitkonstante jedes der beiden RC-Glieder (R2, C21; R2, C22; R21, C21; R22, C22), aus denen die Halbperiodenintegratoren des zweiten Kanals ausgebildet sind, um mindestens den Faktor zehn größer ist als die Periodendauer (T) des Wechselspannungssignals (U).Circuit arrangement according to claim 1 or 2 , characterized in that the time constant of each of the two RC elements (R 2 , C 21 ; R 2 , C 22 ; R 21 , C 21 ; R 22 , C 22 ) from which the half-period integrators of the second channel are formed, to is at least a factor of ten greater than the period (T) of the AC voltage signal (U). Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Kanal jeweils ein separates Schaltelement (SW1, SW2) vorgesehen ist, die über das Schaltsignal synchronisiert sind.Circuit arrangement according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that a separate switching element (SW 1 , SW 2 ) is provided for each channel, which are synchronized via the switching signal. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu dem Wechselspannungssignal (U) synchrones Referenzsignal (Iref) als Schaltsignal für das wenigstens eine Schaltelement (SW1, SW2) dient.Circuit arrangement according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that a reference signal (I ref ) which is synchronous with the AC voltage signal (U) serves as a switching signal for the at least one switching element (SW 1 , SW 2 ). Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein rekursiver Konverter (K) vorgesehen ist, der aus einem binären Eingangssignal (THSEL) und einem zu dem Wechselspannungssignal (U) synchronen Referenzsignal (Iref) ein Ausgangssignal (THEN) bereitstellt, das als Schaltsignal für das erste Schaltelement (SW1) dient, wobei das Ausgangssignal (THEN) seinen Zustand (H, L) wechselt, wenn das Referenzsignal (Iref) nach einem Zustandswechsel des binären Eingangssignals (THSEL) denselben Zustand (H, L) wie das binäre Eingangssignal (THSEL) aufweist.Circuit arrangement according to claim 4 , characterized in that a recursive converter (K) is provided, which provides an output signal (THEN) from a binary input signal (THSEL) and a reference signal (I ref ) synchronous with the AC voltage signal (U), which is used as a switching signal for the first switching element (SW 1 ), the output signal (THEN) changing its state (H, L) when the reference signal (I ref ) has the same state (H, L) as the binary input signal (THSEL ) having. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal (Iref) eine periodische Anregung in einer Erregerspule (3) erzeugt und die Erregerspule (3) in einer Messspule (4) das Wechselspannungssignal (U) induziert.Circuit arrangement according to one of Claims 5 or 6 , characterized in that the reference signal (I ref ) generates a periodic excitation in an excitation coil (3) and the excitation coil (3) in a measuring coil (4) induces the AC voltage signal (U). Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oszillator (2) eine periodische Anregung einer Erregerspule (3) erzeugt, die periodische Anregung in ein binäres Referenzsignal (Iref) umgewandelt wird und die Erregerspule (3) in einer Messspule (4) das Wechselspannungssignal (U) induziert.Circuit arrangement according to one of Claims 5 or 6 , characterized in that an oscillator (2) generates a periodic excitation of an excitation coil (3), the periodic excitation is converted into a binary reference signal (I ref ) and the excitation coil (3) in a measuring coil (4) the AC voltage signal (U) induced. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Analog-Digital-Wandler vorgesehen ist, die Spannungssignale (U1n, U1p) der beiden RC-Glieder (R1, C11; R1, C12; R11, C11; R12, C12) des ersten Kanals zu wandeln und ein zweiter Analog-Digital-Wandler vorgesehen ist, die Spannungssignale (U2n, U2p) der der beiden RC-Glieder (R2, C21; R2, C22; R21, C21; R22, C22) des zweiten Kanals zu wandeln.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a first analog/digital converter is provided, the voltage signals (U 1n , U 1p ) of the two RC elements (R 1 , C 11 ; R 1 , C 12 ; R 11 , C 11 ; R 12 , C 12 ) of the first channel and a second analog-to-digital converter is provided to convert the voltage signals (U 2n , U 2p ) of the two RC elements (R 2 , C 21 ; R 2 , C 22 ; R 21 , C 21 ; R 22 , C 22 ) of the second channel. Linearer Positionssensor aufweisend: - eine Erregerspule (3), - eine Messspule (4), - einen Oszillator (2), der mit der Erregerspule (3) verbunden ist, - und eine Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die mit der Messspule (4) verbunden ist, wobei der Oszillator (2) eingerichtet ist, die Erregerspule (3) periodisch anzuregen, sodass diese ein Magnetfeld erzeugt, und wobei die Schaltungsanordnung (1) ein Wechselspannungssignal (U), das in der Messspule (4) durch das Magnetfeld induziert wurde, demoduliert.Linear position sensor comprising: - an exciter coil (3), - a measuring coil (4), - an oscillator (2), which is connected to the exciter coil (3), - and a circuit arrangement (1) according to one of Claims 1 until 9 , which is connected to the measuring coil (4), the oscillator (2) being set up to periodically excite the excitation coil (3) so that it generates a magnetic field, and the circuit arrangement (1) generating an AC voltage signal (U) which is in the Measuring coil (4) was induced by the magnetic field, demodulated.
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