DE102021108409B3 - Circuit arrangement for demodulating an AC voltage signal - Google Patents
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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. 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 ).
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.
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.
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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:
Es können nun Größen U1 und U2 gemäß den Formeln 3 und 4 bestimmt werden:
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:
Und aus Formel 4 folgt Formel 6:
Andererseits kann das Wechselspannungssignal in Formel 2 auch durch das Additionstheorem zu Formel 7 umgeformt werden (der Versatz V wird, wie oben beschrieben, vernachlässigt):
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:
Aus Formel 7 folgt:
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:
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:
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:
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.
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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 derSchaltungsanordnung 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.
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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 thecircuit 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
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
Über das Additionstheorem kann die Formel 2* in die Formel 9 umgewandelt werden:
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:
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
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
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.
Aus der Phasendifferenz können verschiedene Informationen bezüglich des Materials gewonnen werden. Hierfür wird auf die Beschreibung zu
In
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
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
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:
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
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
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
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:
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
In
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
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
In
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
In
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- 2021-04-01 DE DE102021108409.1A patent/DE102021108409B3/en active Active
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