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DE10233604A1 - Sensor signal acquisition method in which sensor measurements are captured as phase shifts or phase delay times by use of parametric amplification technology within sensor networks or bridge circuits - Google Patents

Sensor signal acquisition method in which sensor measurements are captured as phase shifts or phase delay times by use of parametric amplification technology within sensor networks or bridge circuits Download PDF

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DE10233604A1
DE10233604A1 DE2002133604 DE10233604A DE10233604A1 DE 10233604 A1 DE10233604 A1 DE 10233604A1 DE 2002133604 DE2002133604 DE 2002133604 DE 10233604 A DE10233604 A DE 10233604A DE 10233604 A1 DE10233604 A1 DE 10233604A1
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DE
Germany
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signals
frequency
phase
signal
measurement
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Withdrawn
Application number
DE2002133604
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German (de)
Inventor
Alfred Brühn
Xenia Brühn
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Original Assignee
Individual
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    • GPHYSICS
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    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
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Abstract

Method for capture of sensor values using the phase change between signals of relatively high frequency in a sensor networks in which parametric amplification technology is used with the phase times in transferred signal. The invention also relates to a corresponding instrument and alternating current bridge measurement circuit.

Description

Der Einsatz von Sensoren ist unverzichtbarer Bestandteil der heutigen technischen Entwicklung. Elektronische Sensoren sind dabei meistens Konstruktionen, bei denen ein nicht direkt zu erfassender physikalischer Parameter, wie z.B. die Temperatur oder der Luftdruck, einen anderen, gut meßbaren Parameter in bekannter Weise beeinflußt.The use of sensors is essential Part of today's technical development. electronic Sensors are mostly constructions where one is not physical parameters to be recorded directly, e.g. the temperature or air pressure, another, well-measurable parameter in known Way influenced.

Elektronisch relativ leicht erfassbare Parameter sind Ströme und Spannungen, aber auch die Werte von Kapazitäten, Induktivitäten und vor allem von Widerständen. Entsprechend häufig sind daher Sensoren Widerstandskonstruktionen, oder stellen induktive, kapazitive, oder auch andere Konstrukte (z.B. mechanische Konstruktionen) oder Kombinationen davon dar, deren Wert (welcher immer das ist) sich in bekannter Weise in Anhängigkeit von der jeweils zu messenden Größe verändert und somit die Messung dieser Größen indirekt erlaubt.Electronically relatively easy to grasp Parameters are currents and voltages, but also the values of capacitors, inductors and especially of resistance. Correspondingly often sensors are therefore resistance constructions or inductive, capacitive or other constructs (e.g. mechanical constructions) or combinations thereof, whose value (whichever that is) dependent in a known manner changed by the size to be measured and thus the measurement of these quantities indirectly allowed.

So gibt es von der Temperatur, von der Stärke eines Magnetfeldes, von der Dehnung oder einem anderen physikalischen Parameter abhängige Widerstände. So findet man von einer Füllhöhe, von der Feuchtigkeit, vom Abstand und anderen Parametern abhängige Kapazitäten und Induktivitäten (oder Widerstände).So there is of temperature, of of strength a magnetic field, stretch, or some other physical Parameter dependent Resistances. So you find a level from capacities dependent on humidity, distance and other parameters and inductors (or resistors).

Wenn in einem (meist linearen) Netzwerk solche Komponenten enthalten sind, dann kann der primäre Parameter über die Eigenschaften des Netzwerkes bestimmt werden, wenn diese einer Messung zugänglich sind.If in a (mostly linear) network such components are included, then the primary parameter can be set via the Properties of the network are determined when taking a measurement are accessible.

Die mittels Elektronik übliche Auswertung solcher Konstruktparameter ist vielfältig, aber oft auch durch wiederum indirekte Verarbeitung gekennzeichnet; so werden Spannungen oder Ströme direkt gemessen, aber auch I/U- oder U/I-Wandlung zur Messung der Widerstände, Induktivitäten oder Kapazitäten, (ohne oder mit Brückenschaltungen, oft mit recht aufwendigem Abgleich) und/oder andere Methoden eingesetzt. Prinzipiell ist es auch möglich, dies über allgemeine Eigenschaften eines Netzwerkes, in dem eine solche Sensorkomponente eingebaut worden ist, zu erfassen und auszuwerten; auch Phasenmessungen gehören dazu.The usual evaluation using electronics such construct parameters are varied, but often also by turn marked indirect processing; so tensions or streams measured directly, but also I / U or U / I conversion to measure the resistors, inductors or capacities, (without or with bridge circuits, often used with quite complex adjustment) and / or other methods. In principle, it is also possible this about general properties of a network in which such a sensor component has been installed to record and evaluate; also phase measurements belong to.

Die auf dem bisherigen Stand der Technik erzielbare Auflösung einer Phasenmessung, meist als Zeitmessung realisiert, erreichte aber nur in einigen Fällen eine für Sensoranwendungen ausreichende Genauigkeit. Zudem gilt eine Phasenmessung (mit Auswertung) als ein recht umständliches Verfahren.The up to date of the Technology achievable resolution a phase measurement, usually realized as a time measurement but only in a few cases one for Sensor applications sufficient accuracy. A phase measurement also applies (with evaluation) as a rather cumbersome procedure.

Im Zusammenhang mit der Auswertung von Phasenbeziehungen an elektronischen Sensorbrücken wurden genau arbeitende, allgemeiner einsetzbare, elektronische Verstärkertechniken gesucht und entwickelt.In connection with the evaluation of phase relationships on electronic sensor bridges were precisely working, General-purpose, electronic amplifier technologies searched and developed.

Die Erfindung realisiert ein hochsensitives Verfahren zur Messung der Phasenlage eines periodischen Signals gegenüber der Phasenlage eines gegebenen Referenzsignals. Die zu diesem Zweck gefundene Technik zur Verstärkung von sehr kleinen Phasendifferenzen zwischen zwei höherfrequenten Signalen unter Einsatz einer dicht benachbarten Referenzfrequenz, ist als eine parametrische (gewissermaßen auch als eine nichtoptisch-interferometrische) Verstärkertechnik aufzufassen, die sich zur Messung physikalischer Größen (z.B. durch Sensoren) eignet.The invention realizes a highly sensitive Method for measuring the phase position of a periodic signal across from the phase position of a given reference signal. The for this purpose found technology for reinforcement of very small phase differences between two higher frequencies Signals using a closely adjacent reference frequency, is as a parametric (to a certain extent also as a non-optical interferometric) amplifier technology that can be used to measure physical quantities (e.g. through sensors).

Dabei wird die Phasengangsänderung eines Signals (i.a. ein sinusförmiges Signal) mit relativ hoher Frequenz beim Durchgang durch das Netzwerk genutzt und dann die Phasendifferenz zur Messung in die viel größere Phasenzeit zwischen zwei Überlagerungs- bzw. Mischsignalen transformiert. Höchstempfindliche Phasenzeitmessungen bis in den ps-Bereich (Picosekunden, 10–12s) sind so möglich.The change in phase response of a signal (generally a sinusoidal signal) with a relatively high frequency is used when passing through the network and the phase difference is then transformed into a much larger phase time between two superimposed or mixed signals. Highly sensitive phase time measurements down to the ps range (picoseconds, 10 –12 s) are possible.

Die technische Ausführung ergibt in gewissem Sinne eine Universalschaltung zur Sensortechnik (vgl. 23 und Beschreibung), wobei eine (hochgenaue) Digitalisierung recht einfach (implizit) gegeben ist, mit der eine Schnittstelle zu einem Mikrokontroller realisiert werden kann. Die entwickelte Methode stellt damit auch einen neuartigen, elektronischen Brückenverstärker für wechselspannungserregte Messbrücken und Sensoren bereit.In a certain sense, the technical design results in a universal circuit for sensor technology (cf. 23 and description), whereby (highly precise) digitization is given quite simply (implicitly) with which an interface to a microcontroller can be realized. The developed method therefore also provides a new type of electronic bridge amplifier for AC-excited measuring bridges and sensors.

Die zur Erfassung einer physikalischen Größe häufig eingesetzte Anordnung ist eine Brückenschaltung. Oftmals sind beim Einsatz eines Sensorbausteins diese Meßbrücken nicht erst explizit aufzubauen, sondern sind selbst direkter Bestandteil der Sensoren, so z.B. beim Einsatz von Dehnungsmeßstreifen innerhalb handelsüblicher Druck- Kraft- oder Biegesensorkonstruktionen.The one to capture a physical Size frequently used The arrangement is a bridge circuit. Often, these measuring bridges are not when a sensor module is used to be built up explicitly, but are themselves a direct component the sensors, e.g. when using strain gauges within commercial Pressure, force or bending sensor designs.

Dieser Umstand (also als Vorgabe die Anwendung einer Messbrücke) war bei der Suche nach neuen Verfahren und bei der Entwicklung zu berücksichtigenThis fact (as a default the use of a measuring bridge) was on the lookout for new processes and development consider

Die mit einem derartigen Sensorkonstrukt erzielbaren Änderungen der Widerstandswerte sind im allgemeinen sehr klein. Die sich am Sensorausgang einstellenden Signalgrößen müssen daher i.a. noch elektronisch aufbereitet, weiterverarbeitet und/oder verstärkt werden. Hierfür gibt es recht hoch spezialisierte Verstärkerbausteine, meist in IC-Form, die im allgemeinen dem Anwendungszweck entsprechend noch beschaltet werden müssen.The one with such a sensor construct achievable changes the resistance values are generally very small. The most Signal quantities setting sensor output must therefore generally still electronic processed, further processed and / or reinforced. There is for that quite highly specialized amplifier modules, mostly in IC form, which generally corresponds to the application still need to be connected.

Bei der Weiterverarbeitung der mit einer solchen Meßbrücke gewonnenen Signale durch einen derartigen Baustein ist im allgemeinen darauf zu achten, daß die Eigenschaften der Messbrücke (oder des Sensorkonstrukts) durch den Abgriff der Brücken-Spannungsmessung selbst nicht verfälscht werden. Allerdings sind auch im Kurzschluß betriebene Messbrücken bereits beschrieben worden.When further processing the signals obtained with such a measuring bridge by means of such a module, care must generally be taken that the properties of the measuring bridge (or the sensor construct) cannot be falsified by tapping the bridge voltage measurement itself. However, measuring bridges operated in the short circuit have already been described.

Es waren bei der Suche also Sensorkonstrukte, die für eine spannungsmäßige Verarbeitungstechnik (Innenwiderstand der Messanordnung mit Rinnen → ∞) vorgesehen sind, zu berücksichtigen, wie auch solche Sensoren, deren „Abgriffstechniken" für eine strommäßige Weiterverarbeitung (Rinnen → 0) spezifiziert sind.The search therefore had to take into account sensor constructions that are intended for a voltage-related processing technique (internal resistance of the measuring arrangement with R inside → ∞), as well as those sensors whose “tapping techniques” are specified for further processing in terms of current (R inside → 0) ,

Dies ist i.a. mit den heutigen Verstärkertechniken (Operationsverstärker im folgenden kürzer als „OP-Amp" bezeichnet) kein Problem. Aber beim Einsatz induktiver oder kapazitiver Komponenten, z.B. in einer Brücke, ergeben sich in der Praxis oftmals dann doch erhebliche Probleme. So gelingen Frequenzkompensationen nicht immer befriedigend, die Linearisierung einer Brückenschaltung ist nicht immer ein einfaches Unterfangen usw.; die zu treffenden Maßnahmen reduzieren zumeist auch die Empfindlichkeit der Brücke wieder.This is generally with today's amplifier techniques (Operational amplifier in the following shorter as "op-amp" referred to) no problem. But when using inductive or capacitive components, e.g. in a bridge, In practice, there are often considerable problems. Frequency compensations are not always satisfactory Linearization of a bridge circuit is not always an easy task, etc .; the ones to be hit activities usually reduce the sensitivity of the bridge again.

Die erfindungsgemäßen Anordnungen entstanden primär bei der Konstruktion von Sensoren mit eingebauter Brückenschaltungen, die erst konventionell, dann aber auch durch eine allgemeinere Anordnung realisiert werden mussten. In einer weiteren wichtigen Sensoranordnung sollte eine räumliche Strecke durch eine Signal-Laufzeitmessung erfasst werden und eine weitere hatte eine Flussmessung als Ziel. Diverse Verfahren und Anordnungen wurden untersucht, einige durchaus mit Erfolg; aber erst die erfindungsgemäßen Lösungen stellten eine ausreichend hohe Sensitivität und Auflösung und – als Nebeneffekt – die leichte Digitalisierung der Messgrößen und die leicht zu realisierende Schnittstelle zu einem Mikrokontroller sicher.The arrangements according to the invention arose primary in the construction of sensors with built-in bridge circuits, which is conventional at first, but then also through a more general arrangement had to be realized. In another important sensor arrangement should be a spatial Distance can be detected by a signal transit time measurement and a another aimed at a flow measurement. Various procedures and Orders were examined, some with success; but only presented the solutions according to the invention a sufficiently high sensitivity and resolution and as Side effect - the easy digitization of the measured variables and the easy to implement Interface to a microcontroller safely.

In der bevorzugt eingesetzten Technik wird ein beim Berechnen von Additionstheoremen der trigonometrischen Funktionen primär als mathematischer Transformationsprozess aufzufassender Vorgang, nämlich die Übersetzung der Phaseneigenschaft einer Sinusfunktion in die Hüllkurve des Überlagerungsergebnisses bzw. in die NF-Komponente eines Mischsignals technisch nachgebildet und genutzt. Eine Phasenverschiebung in einem hochfrequenten Sinussignal wird nämlich unter bestimmten Umständen bei einer Überlagerung; einer Mischung oder einer Unterabtastung auf die fast gleiche Phasenverschiebung in der niederfrequenten Hüllkurve transformiert („fast" bedeutet dabei z.B. bei einer Schwebungsbildung „bis auf den Faktor 2").In the preferred technique becomes one when calculating addition theorems of the trigonometric Functions primary process to be understood as a mathematical transformation process, namely the translation the phase property of a sine function in the envelope of the overlay result or technically simulated in the LF component of a mixed signal and used. A phase shift in a high-frequency sine signal namely under certain circumstances with an overlay; one Blend or subsample to almost the same phase shift in the low frequency envelope transformed ("almost" means e.g. with beat formation "down to a factor of 2").

Dieser „parametrische Verstärkungseffekt" wird bei technischen Anwendungen bisher kaum beachtet.This "parametric gain effect" has hardly been considered in technical applications.

Voraussetzung der darzustellenden Methoden ist, wie gleich gezeigt wird, die Erzeugung von zwei frequenzmäßig möglichst nahe beieinander liegenden Sinussignalen. Die Erzeugung von solchermaßen definierten Signalen wird u.U. allerdings auch als gegeben vorausgesetzt, da solche Signale mit den heutigen Generatortechniken u.U. auch anders zu erzeugen sind und von Fall zu Fall geeignet ausgelegt werden müssen; das gilt vor allem beim Einsatz sehr hoher Frequenzen. Wichtig für das erfindungsgemäße Verfahren ist also nicht primär die hier eingesetzte Technik zur Erzeugung von f + df die Art, diese Frequenzen zu generieren, stellt eine eigene Thematik dar. Diese Frequenzen können daher im hier zu sehenden Zusammenhang auch als gegeben angesehen werden. Vorzugsweise wird allerdings eines der beschriebenen Verfahren genutzt, das aus der Nachbildung der Additionstheoreme abgeleitet werden kann.Requirement of the to be shown Methods, as will be shown, is the generation of two in frequency as possible sinusoidal signals close together. The generation of such defined Signals may be however, also given as given, since such signals with today's generator technologies may also different are to be generated and interpreted suitably from case to case have to; the applies especially when using very high frequencies. Important for the method according to the invention is not primary the technology used here to generate f + df the way this Generating frequencies is a separate topic. This Frequencies can therefore regarded as given in the context to be seen here become. However, one of the methods described is preferred used, derived from the simulation of the addition theorems can be.

Wird die eine dieser beiden Signalfrequenzen zur Messung in einer der unten beschriebenen Sensoranordnungen genutzt und dann die beiden dadurch gegebenen, in ihrer Phasenlage zu vergleichenden Sinussignale mit dem zweiten Sinussignal (additiv oder subtraktiv) überlagert, dann entstehen z.B. zwei Schwebungen (oder auch bei Abtastung oder Mischung – wie unten gezeigt wird – zwei abgetastete NF-Signale, oder zwei NF-Mischsignale).Will be one of these two signal frequencies used for measurement in one of the sensor arrangements described below and then the two given, to be compared in their phase position Sinusoidal signals superimposed with the second sinusoidal signal (additive or subtractive), then e.g. two beats (or also when scanning or Mix - like shown below - two sampled LF signals, or two LF mixed signals).

Wegen der besonderen Eigenschaften der Additionstheoreme trigonometrischer Funktionen, dass die Phasenlage in einer Einzelkomponente ( hier die Phase des HF-Signals) sich in einer Summen- oder Überlagerungskomponente wiederfindet, ist diese Phasenzeit (bezogen auf die ja sehr viel niedrigere Hüllkurven-Frequenz) um ein vielfaches größer geworden. (Wie unten gezeigt wird, sind dazu auch andere, vor allem aber digitale, oder Rechtecksignale geeignet) Dies zeigt z.B. die fast jedem Handbuch der Mathematik zu entnehmende Beziehung sin(α) + sin(β) = 2cos [(α – β)/2]sin[(α + β)/2], wenn diese in folgendem Sinne interpretiert wird: sin(ω + Δ)t + sin (ωt + φ) = 2cos[(Δt – φ)/2]sin[ωt + (Δt + φ)/2].Because of the special properties of the addition theorems of trigonometric functions, that the phase position in a single component (here the phase of the RF signal) is found in a sum or overlay component, this phase time (based on the much lower envelope frequency) is around one has grown many times over. (As shown below, other, but above all digital, or square-wave signals are also suitable) This shows, for example, the relationship that can be found in almost every manual in mathematics sin (α) + sin (β) = 2cos [(α - β) / 2] sin [(α + β) / 2] , if it is interpreted in the following sense: sin (ω + Δ) t + sin (ωt + φ) = 2cos [(Δt - φ) / 2] sin [ωt + (Δt + φ) / 2] ,

Besonders der Faktor cos[(Δt – φ)/2] hierin ist wichtig. Die in der Niederfrequenz Δ/2 der Cosinuskomponente liegende Phasenlage φ/2 stellt die durch die HF, also durch sin(ωt + φ) in der Hüllkurve eingebrachte bzw. verursachte, gleiche Phasenlage dar. In dieser NF-Cosinuskomponente ist φ/2 aber eine sehr viel größere Phasenzeit! In diesem Sinne stellt also eine Schwebungserzeugung eine parametrische Verstärkung einer z.B. durch Signallaufzeiten entstehenden Phasendifferenz in der HF dar. Die in den erfindungsgemäßen Anordnungen jeweils erzeugten Doppel- (oder auch Mehrfach-)-Schwebungen erlauben, die Messung der HF-Phasenverschiebung auf die viel leichtere Phasenmessung in den Hüllkurven (bzw. NF-Mischsignalen) zurückzuführen.The factor cos [(Δt - φ) / 2] here is particularly important. The phase position φ / 2 lying in the low frequency Δ / 2 of the cosine component represents the same phase position introduced or caused by the HF, that is to say by sin (ωt + φ) in the envelope curve. However, φ / 2 is in this NF cosine component a much longer phase time! In this sense, therefore, a beat generation represents a parametric amplification of a phase difference in the HF that arises, for example, due to signal propagation times. The double (or also multiple) beatings generated in the arrangements according to the invention allow the measurement of the HF phase shift to the much easier one Phase measurement in the envelopes (or LF mixed signals) ren.

In dem Sinne, dass sich hierbei eine zeitlich sehr geringe Größe (die z.B. in einem HF-Signal real nur ps, also 10–12s, auszumachen braucht) durch eine technische Nachbildung des mathematischen Prozesses auf die Phasenlage der entstehenden Überlagerungshüllkurve sehr stark auswirkt (z.B. bei entsprechender Frequenzwahl auf mehr als das 106-fache, also auf 1 μs, oder mehr „verstärkt" werden), dass also eine sehr kleine Zeit sehr stark übersetzt, d.h. verstärkt wird, wird dieser Vorgang in Anlehnung an den technisch bereits bestehenden Begriff, hier als „parametrische Verstärkung" bezeichnet.In the sense that a temporally very small quantity (which, for example, only needs to be identified in a HF signal for ps, ie 10-12 s) has a very strong effect on the phase position of the resulting superposition envelope through a technical simulation of the mathematical process ( For example, with a corresponding frequency selection to be "amplified" to more than 10 6 times, that is to say 1 μs, or more, that is to say that a very short time is very strongly translated, ie amplified, this process is based on the technically already existing one Term, referred to here as "parametric gain".

Dieses Verfahren kann immer dann für Messungen, z.B. auch bei Sensoranwendungen, herangezogen werden, wenn die Codierung eines primären, physikalischen Parameters in die Phasenlage eines sinusförmigen Signals erfolgt; und das kann so gut wie immer erreicht werden.Then this procedure can always for measurements, e.g. also for sensor applications, if the coding a primary, physical parameters in the phase position of a sinusoidal signal he follows; and that can almost always be achieved.

Für eine erfindungsgemäße, technische Erschließung dieses an sich klaren Vorgangs ist aber nicht nur die Erkenntnis dieser Tatsache einer parametrischen Verstärkung an sich nötig. Gleichgewichtig und sehr deutlich ist die Notwendigkeit herauszuarbeiten, dass – neben der Erzeugung von frequenzmäßig möglichst dicht benachbarten Sinussignalen – erst die ebenfalls erfindungsgemäße Konstruktion einer Hüllkurven-Phasendifferenzmessung (also die exakte Messung der Phasenlagen von zwei Schwebungen zueinander) ermöglicht, das hochgenaue Verfahren zu realisieren, weil eine Ungenauigkeit bei dieser Phasenlagenbestimmung natürlich einen Teil der mit der parametrischen Verstärkung gewonnenen Genauigkeit wieder vernichten würde.For an inventive, technical development this process, which is in itself clear, is not only knowledge this fact of parametric amplification in itself. DC overweight and very clear is the need to work out that - in addition to the generation of frequency as close as possible neighboring sinusoidal signals - first the construction also according to the invention an envelope phase difference measurement (i.e. the exact measurement of the phase positions of two beats to each other) allows to realize the highly accurate method because of an inaccuracy in this phase position determination, of course, part of that with the parametric gain the accuracy gained would be destroyed again.

Die Vermeidung dieser Problematik wird besonders einfach durch eine Nachbildung der hier beschriebenen analogen Verfahren auf digital arbeitende Techniken erreicht.Avoiding this problem is particularly easy with a replica of the one described here analogue procedures on digitally working techniques.

Zur Feststellung der Phasenlage zwischen zwei Sinussignalen wird hier also zunächst (als erstes Verfahren) angenommen, dass Schwebungen zu bilden seien, und z.B. die Minima (oder Maxima) der beiden Schwebungen zeitlich zueinander zu messen sind. Daß dies nicht immer ganz einfach ist, vor allem, wenn die sich überlagernden Signale von unterschiedlicher Amplitude sind, ist in der Praxis solcher Schaltungen jederzeit nachzuvollziehen und wird gleich noch thematisiert.To determine the phase position between two sinusoidal signals are therefore initially (as the first method) assumed that beats should be formed and e.g. the minima (or maxima) of the two beatings in relation to one another are. That this is not always easy, especially when the overlapping Signals of different amplitudes are in practice such circuits to understand at any time and will soon addressed.

Bei der Ausbildung der parametrischen Verstärkung selbst sind unter der Voraussetzung von mit Standardtechnik (z.B. mit Analogtechniken, UHF-Tranceiver-Chips, usw.) arbeitenden Anordnungen mindestens drei, prinzipiell unterschiedliche Wege möglich. Einmal der gerade genannte Weg einer direkten Nachbildung zweier Schwebungen, deren Phasenlage zueinander auszuwerten ist.When training the parametric reinforcement themselves, provided that with standard technology (e.g. arrangements using analog techniques, UHF transceiver chips, etc.) at least three, basically different ways possible. once the path just mentioned of a direct simulation of two beatings, the phase relationship of which is to be evaluated.

Der zweite Weg nutzt die Unterabtastung eines Signals:
Ist z.B. eine Sinusfunktion Asin(2πft + φ) gegeben, die relativ zu einer anderen (z.B. zu Asin(2πft) als Referenz mit gleicher Frequenz f) die Phasenverschiebung φ aufweisen soll und die mit einer dicht neben der Eigenfrequenz liegenden Abtastrate (Samplingfrequenz f + df) abgetastet wird (was also an sich eine Verletzung des Shannonschen Abtasttheorems bedeutet), dann ergibt sich mit den Abtaststützstellen bei t = Tλ = λ(T – dT) + t0 = λ/(f + df) + t0, λ = 0, 1, 2, ..., für das abgetastete Referenzsignal

Figure 00050001
und für das abgetastete phasenverschobene SignalThe second way uses subsampling of a signal:
For example, is there a sine function Asin (2πft + φ), which should have the phase shift φ relative to another (e.g. Asin (2πft) as a reference with the same frequency f) and which has a sampling rate (sampling frequency f +) that is close to the natural frequency df) is scanned (which in itself means a violation of Shannon's sampling theorem), then results with the sampling support points at t = T λ = λ (T - dT) + t 0 = λ / (f + df) + t 0 , λ = 0, 1, 2, ..., for the sampled reference signal
Figure 00050001
and for the sampled out-of-phase signal

Figure 00050002
Figure 00050002

Wie man daran sehen kann, bleibt auch in diesem Falle die Phasendifferenz zwischen den beiden HF-Signalen, also zwischen Asin(2πft)und Asin(2πft + φ), in den Phasendifferenzen der durch die (Unter-)abtastung erhaltenen niederfrequenten Signale mit der Frequenz df erhalten.As you can see from it, remains also in this case the phase difference between the two RF signals, between Asin (2πft) and Asin (2πft + φ), in the phase differences of those obtained by the (subsample) receive low-frequency signals with the frequency df.

Auch in diesem Fall liegt damit eine parametrisch verstärkte Zeitdifferenz vor (mit z.B. f = 1MHz und df = l0Hz ist dT/T = 10·10–12!).In this case there is also a parametrically amplified time difference (with f = 1MHz and df = 10Hz, for example, dT / T = 10 · 10 –12 !).

Gleiches kann man, als dritte Möglichkeit, durch Mischen der beiden Signale erreichen, eine in Bezug auf die damit erreichbaren bzw. gegebenen Möglichkeiten zur hochwertigen parametrischen Verstärkung meist übersehene Eigenschaft der beim Mischen erzeugten bzw. entstehenden Signale.The same can be done as a third possibility by mixing the two signals, one with respect to the achievable or given possibilities for high quality parametric gain mostly overlooked Property of the signals generated or generated during mixing.

In dem AusdruckIn the expression

sin(ω + Δ)t sin(ωt + φ) = ½{cos[(Δt – φ)] – cos[2ωt + (Δt + φ)/2]} ist in der Phasenlage von cos[(Δt – φ)] als der niederfrequenteren Komponente wieder eine parametrische Verstärkung der Phasenlage zu sehen. Die Trennung der beiden, den rechten Ausdruck bildenden Teile mittels Filter ist bei geeigneter Frequenzwahl auf Grund des hohen Frequenzabstandes relativ leicht. sin (ω + Δ) t sin (ωt + φ) = ½ {cos [(Δt - φ)] - cos [2ωt + (Δt + φ) / 2]} is again a parametric in the phase position of cos [(Δt - φ)] as the lower-frequency component To see amplification of the phase position. The separation of the two parts forming the right expression by means of a filter is relatively easy given a suitable frequency selection due to the high frequency spacing.

Beim Einsatz sehr hoher Frequenzen wird dieser Weg der bessere, wenn nicht sogar der einzig mögliche sein. Dies ist i.a. nicht sonderlich hinderlich, weil dazu ausgefeilte Techniken aus der GHz-Praxis bereitstehen.When using very high frequencies this way will be the better if not the only possible one. This is generally not that much of a hindrance because they are sophisticated Techniques from GHz practice are available.

Auch als Zwischenschritt zwischen extrem hohen Frequenzen und der später bevorzugt eingesetzten digitalen Techniken mit der eingeschränkten Geschwindigkeit der digitalen Techniken ist dieses Verfahren zu sehen. In der 8 und 9 und der folgenden zugehörigen Erläuterungen ist diese Zwischenstufeneigenschaft dargestellt.This process can also be seen as an intermediate step between extremely high frequencies and the later preferred digital technologies with the limited speed of the digital technologies. In the 8th and 9 and the following related explanations, this intermediate stage property is shown.

9 zeigt zwei UHF-Quellen (76) und (77). Das Signal des Generators (76) wird hier zur Messung verwendet (über dem Messblock (75) ist angedeutet wie z.B. eine Meßbrücke in dieser Anordnung einzubringen wäre). Das zur Messung verwendete Signal steht damit zwei mal zur Verfügung (einmal vor und einmal nach dem Messblock (75) bzw. in Form der beiden Zweigabgriffssignale der Messbrücke, die durch die UHF1 erregt wird). 9 shows two UHF sources ( 76 ) and ( 77 ). The signal from the generator ( 76 ) is used for the measurement here (above the measuring block ( 75 ) indicates how a measuring bridge would be installed in this arrangement). The signal used for the measurement is thus available twice (once before and once after the measuring block ( 75 ) or in the form of the two branch tap signals of the measuring bridge, which is excited by the UHF1).

Diese beiden UHF1-Signale werden jetzt mit der zweiten UHF2 (Generator (77)) in den Mischern (80) bzw. (81) gemischt, und in den Blöcken (82) und (83) tiefpaßgefiltert, woraus sich die beiden Zwischenfrequenzen ZF1 und ZF2 ergeben.These two UHF1 signals are now transmitted to the second UHF2 (generator ( 77 )) in the mixers ( 80 ) respectively. ( 81 ) mixed, and in the blocks ( 82 ) and ( 83 ) low pass filtered, resulting in the two intermediate frequencies ZF1 and ZF2.

Wegen sin(ω + Δ)t·sin(ωt + φ) = ½{cos[(Δt – φ)] – cos[2ωt + (Δt + φ)/2]}, von der durch die Filterung (82) bzw. (83) nur die NF-Komponente übrigbleibt, also ½cos[(Δt – φ)], bleibt die Phasendifferenz zwischen den beiden UHF1-Signalen in der jeweiligen ZF erhalten, d.h. zwischen den beiden ZF-Signalen besteht die gleiche Phasenverschiebung, die auch zwischen den beiden UHF1-Signalen besteht (vor und hinter der Meßstrecke). Dies gilt, weil die Mischung der Mess-UHF1-Signale mit exakt dem selben UHF2-Signal erfolgt; dies ist eine wichtige Bedingung bei der Realisation.Because of sin (ω + Δ) t · sin (ωt + φ) = ½ {cos [(Δt - φ)] - cos [2ωt + (Δt + φ) / 2]}, from which the filtering ( 82 ) respectively. ( 83 ) only the NF component remains, i.e. ½cos [(Δt - φ)], the phase difference between the two UHF1 signals is retained in the respective IF, ie there is the same phase shift between the two IF signals, which also exists between the two UHF1 signals exist (in front of and behind the test section). This applies because the measurement UHF1 signals are mixed with exactly the same UHF2 signal; this is an important condition in the realization.

Die zusätzlich von den Misch- und Filterstufen verursachte Phasenverschiebung wird bei gleichem Aufbau in beiden Zweigen gleich ausfallen und taucht in der Phasendifferenz daher auch nicht auf. Ein evtl. unterschiedlicher Phasengang der Verstärker (durch Parameterstreuung) ist durch Überbrücken der Messstrecke leicht messbar. Durch diese Eichmessung ist ein technischer Fehler also leicht zu korrigieren.The additional of the mixing and filter stages caused phase shift with the same structure in both Branches turn out the same and therefore appear in the phase difference also not on. A possibly different phase response of the amplifiers (through Parameter spread) is by bridging the Measuring distance easily measurable. This calibration measurement is a technical one So mistakes can be easily corrected.

In 9 wird in (79) aus der ZF1 mit den Techniken, die zu den 10, 11 und 13 beschrieben sind, unter Vorgabe der Differenzfrequenz df (in 9 durch den Generator (78) erzeugt) die zur ZF1 = f benachbarte Frequenz f + df erzeugt. Die Überlagerung, Unterabtastung oder nochmalige Mischung von ZF1 und ZF2 (ZF2 hat die gleiche Frequenz wie ZF1, aber eine durch die Messanordnung bewirkte andere Phasenlage) mit dieser Frequenz ZF1 ± df in (84) bzw. (85) erzeugt die tieffrequenten, in Ihrer Phasenlage zueinander auszuwertenden Signale bei (86) bzw. (87), die jetzt hochgenau die Phasenlage zwischen den UHF-Signalen, hier in einem zweistufigen Prozess, parametrisch verstärkt wiederspiegeln.In 9 is in ( 79 ) from the ZF1 with the techniques that lead to the 10 . 11 and 13 are described, specifying the difference frequency df (in 9 by the generator ( 78 ) generates) the frequency f + df adjacent to ZF1 = f. The superimposition, subsampling or repeated mixing of ZF1 and ZF2 (ZF2 has the same frequency as ZF1 but a different phase position caused by the measuring arrangement) with this frequency ZF1 ± df in ( 84 ) respectively. ( 85 ) generates the low-frequency signals to be evaluated in their phase relationship with ( 86 ) respectively. ( 87 ), which now reflect the phase relationship between the UHF signals with high precision, here in a two-stage process, parametrically enhanced.

Zum Heruntermischung von zwei sehr hohen Frequenzen in einen niedrigeren Zwischenfrequenzbereich ist eine Mischung also gut geeignet. Dabei ist allerdings zu beachten, dass z.B. die beiden UHF-Signale, deren Phasenverschiebungen zueinander zu messen ist, mit exakt ein und demselben Signal gemischt werden (d.h. auch, im Layout gleicher Signal-Abstand von einem gemeinsamen Quellpunkt); erst das garantiert die Phasendifferenzerhaltung in der Zwischenfrequenz mit parametrischer Verstärkung und damit den Erhalt der Messgröße auch im weiteren Verlauf!To mix down two very high frequencies in a lower intermediate frequency range a mixture well suited. However, it should be noted that e.g. the two UHF signals, their phase shifts to each other is to be measured, mixed with exactly the same signal (i.e. also, in the layout equal signal distance from a common source point); This is the only way to guarantee phase difference maintenance in the intermediate frequency with parametric gain and thus also the preservation of the measured variable in the further course!

In einer der untersuchten Anwendungen gemäß 8 wurden z.B. die zwei phasenverschobenen UHF-Signale (vom Generator (73) erzeugt, auf dem Eingang der Messtrecke (62) liegend und am Ausgang der Messstrecke (62) mit einer Phasenverschiebung vorliegend) erst einmal durch Mischen mit einer UHF-Referenz (74) in den Mischstufen (64) und (63) auf eine Zwischenfrequenz (ZF) von ca. 1MHz heruntergemischt, d.h. das Mischsignal durch die Stufen (65) (tiefpaß-)gefiltert und mit einer ebenfalls in (65) jeweils enthaltenen Schmitt-Trigger-Stufe für eine digitale Weiterverarbeitung aufbereitet.According to one of the applications examined 8th For example, the two phase-shifted UHF signals (from the generator ( 73 ) generated at the entrance of the measuring section ( 62 ) lying and at the exit of the measuring section ( 62 ) with a phase shift) by mixing with a UHF reference ( 74 ) in the mixing stages ( 64 ) and ( 63 ) mixed down to an intermediate frequency (IF) of approx. 1 MHz, ie the mixed signal through the stages ( 65 ) (low pass) filtered and also with a ( 65 ) each contained Schmitt trigger stage prepared for digital further processing.

Mit dem in 8 und 19 dargestellten, weiter unten beschriebenen digitalen Verfahren wurden dann die Signalparameter (die Signallagen) für eine Prozessorschnittstelle aufbereitet.With the in 8th and 19 The digital method shown below, the signal parameters (the signal positions) were then prepared for a processor interface.

Die in den Stufen (63), (64) und (65) zusätzlich entstandenen Phasenverschiebungen heben sich, bedingt durch den gleichen Aufbau, in der Phasendifferenz der Signale gegenseitig auf.The steps ( 63 ), ( 64 ) and ( 65 ) additional phase shifts that occur due to the same structure cancel each other out in the phase difference of the signals.

Da sich eine Phasenlage φ auf allen Stufen auf die Periode von 2π bezieht und die Untersetzungsfaktoren für das Verhältnis φ/2π keine Rolle spielen (Phasendifferenz und die Zeit einer Periode werden ja in gleicher Weise transformiert) war in diesem Fall ein durch die stufenweise Verarbeitung verursachter Fehler (z.B. nicht exakt 1MHz als ZF-Frequenz, sondern nur „ungefähr 1MHz") vollständig vernachlässigbar.Since there is a phase angle φ on all Steps refer to the period of 2π and the reduction factors for the ratio φ / 2π doesn't matter play (phase difference and the time of a period are in transformed in the same way) in this case was a step by step Processing caused errors (e.g. not exactly 1MHz as IF frequency, just "about 1MHz") Completely negligible.

Aus den beiden ZF-Signalen wurde in (67) eine digitale Sinus/Cosinus-Repräsentanz (Betragsfunktion der Signale zur Ansteuerung einer Schaltung nach 13) mit halber Frequenz gebildet, die Vorgabe der tieffrequenten Sinus-Cosinus-Signale erfolgte direkt durch DAC-Funktionen eines Mikrocontrollers (69).The two IF signals were used in ( 67 ) a digital sine / cosine representation (amount function of the signals to control a circuit according to 13 ) formed with half the frequency, the low-frequency sine-cosine signals were specified directly by DAC functions of a microcontroller ( 69 ).

In (68) wurde die Nachbarfrequenz zu dieser halben ZF gebildet; diese Untersetzung um den Faktor 2 mußte auf der rechten Seite ebenfalls erfolgen (66). Die jetzt mögliche, unten beschriebene Ausbildung der digitalen Schwebung mit den D-FFs (70) und (72) und einer einfachen Aufbereitung in (71) erlaubt höchstgenaue Phasenzeitmessung.In ( 68 ) the neighboring frequency to this half IF was formed; this reduction by a factor of 2 also had to be done on the right side ( 66 ). The now possible formation of the digital beat described below with the D-FFs ( 70 ) and ( 72 ) and a simple preparation in ( 71 ) allows maximum accurate phase time measurement.

Die erfindungsgemäße Umsetzung dieser Verfahren auf einfach zu erzeugende und auszuwertende digitale Signale und digitale Methoden stellt jetzt nur noch den letzte Schritt in der Entwicklung des Verfahrens dar. Obwohl in der dargestellten und benötigten Mathematik also fast ausschließlich Sinussignale zur Methodenbeschreibung auftreten, so vor allem zur Darstellung der parametrischen Verstärkung, und in dieser Form durchaus auch zur Realisation geeignet sind, sind es tatsächlich denn auch besonders die erfindungsgemäß verwendeten digitalen Signale und Methoden (bei Kombinationen als „halbdigitale Verfahren" bezeichnet), die eine sehr einfache und kostengünstige Realisation der Methode erlauben.The implementation of these methods according to the invention to digital signals that are easy to generate and evaluate digital methods now only represents the last step in the Development of the method. Although shown in the required Mathematics almost exclusively Sinus signals occur for the description of the method, especially for the Representation of the parametric gain, and definitely in this form are also suitable for implementation, they are actually special those used according to the invention digital signals and methods (for combinations as "semi-digital Procedure "), which is a very simple and inexpensive implementation allow the method.

An dieser Stelle ist es jetzt sinnvoll, zu zeigen, dass zur Erzeugung einer beliebig dicht neben ω, also bei ω ± dω liegenden Kreisfrequenz, dies bei einem konstanten, starren Frequenzabstand f bzw. Kreisfrequenzabstand dω (oder sogar bei einen festen Verhältnis der Frequenzen von Δ/ω, bzw. df/f z.B. erzeugt durch einen digitalen Teiler), wieder eine der trigonometrischen Formeln nachgebildet wird, hier z.B.At this point it makes sense to show that to generate an arbitrarily close to ω, that is to say at ω ± dω Angular frequency, this with a constant, rigid frequency spacing f or angular frequency spacing dω (or even with a fixed ratio the frequencies of Δ / ω, or df / f e.g. generated by a digital divider), again one of the trigonometric ones Formulas are reproduced, here e.g.

sin(α ± β) = sin(α)cos(β) ± cos(α)sin(β). sin (α ± β) = sin (α) cos (β) ± cos (α) sin (β) ,

In diesem Ausdruck steht links vom Gleichheitszeichen das zu erreichende Ziel, rechts ist dargestellt, welche Komponenten benötigt werden und wie diese zu verrechnen sind. Dies wird wieder in die anwendungsbezogenen Frequenzbetrachtungen übersetzt: sin(ω ± Δ)t = sin(ωt)cos(Δt) ± cos(ωt)sin(Δt) In this printout, the goal to be achieved is to the left of the equal sign, the right shows which components are required and how they are to be calculated. This is again translated into the application-related frequency considerations: sin (ω ± Δ) t = sin (ωt) cos (Δt) ± cos (ωt) sin (Δt)

Ganz offensichtlich benötigt man zur Nachbildung der rechten Seite jeweils Sinus- und Cosinusfunktion: Einmal die der hohen Frequenz, also sin(ωt) und cos(ωt), zum anderen wird die gewünschte Frequenzdifferenz durch die beiden Funktionen cos(Δt) und sin(Δt) vorgegeben.Obviously you need to simulate the right side, sine and cosine functions: On the one hand that of the high frequency, that is sin (ωt) and cos (ωt), on the other hand the desired frequency difference through the two functions cos (Δt) and sin (Δt) specified.

Die Nachbildung der Rechnung ist – zumindest für nicht allzu hohe Frequenzen – relativ einfach mit Operationsverstärkern (OP-Amps) zu realisieren. Zum Einsatz kommen klassische Standardschaltungen (vgl. 10, 11 und 13). In mittleren Frequenzbereichen können digitale bzw. Mischtechniken genutzt werden, im hohen UHF- und SHF-Bereich nur noch Mischtechniken.The simulation can be simulated relatively easily - at least for frequencies that are not too high - with operational amplifiers (OP amps). Classic standard circuits are used (cf. 10 . 11 and 13 ). Digital or mixed technologies can be used in medium frequency ranges, only mixed technologies in high UHF and SHF ranges.

Mit Mischtechniken können auch andere Realisationsformen unter Nutzung der parametrischen Verstärkung gezeigt werden (vgl. 8 und 9 in Verbindung mit z.B. einem Meßbrückeneinsatz).With mixed techniques, other forms of realization can be shown using parametric amplification (cf. 8th and 9 in connection with eg a measuring bridge insert).

Der Einsatz einer Mischtechnik ist unter einigen Bedingungen aber auch fast unumgänglich: In einigen Fällen wird man z.B. keine besondere Freiheit bei der Wahl der in einer Messung einzusetzenden Frequenz haben. Die gegebenen Gesetze definieren recht streng den Nutzen von Frequenzbänder z.B. im 2,45GHZ-, 433MHz- oder 868MHz-Bereich. Andere Anwendungen erzwingen aus technischen Gründen den Einsatz sehr hoher Frequenzen, wie z.B. bei einem Abstandsradar.The use of a mixed technique is but in some circumstances almost unavoidable: in some cases e.g. no particular freedom in choosing the one in a measurement frequency to be used. Define the given laws quite strict the use of frequency bands e.g. in 2.45 GHz, 433 MHz or 868MHz range. Force other applications out of technical establish the use of very high frequencies, e.g. with a range radar.

Die Phasenverschiebung zwischen zwei Signalen mit derart hohen Frequenzen ist dabei oftmals selbst ein direkter Messparameter (z.B. die bei einer Distanzmessung durch die Laufzeit eines Signals sich ergebende Phasendifferenz). Diese Phasenlage zwischen Signalen gilt es also auszuwerten.The phase shift between two Signals with such high frequencies are often themselves direct measurement parameters (e.g. when measuring a distance resulting phase difference of a signal). This It is therefore important to evaluate the phase position between signals.

Die beschriebenen Methoden zur Erzeugung dicht benachbarter Frequenzen sind im unteren und mittleren Frequenzbereich noch relativ einfach einzusetzen, im oberen Frequenzbereich aber oftmals sehr schwer beherrschbar. Es besteht daher das Bedürfnis, die Methoden sowohl von sehr hohen Frequenzbereichen nach unten, als auch von noch gut beherrschbaren Bereichen nach oben in den UHF-Bereich zu transformieren.The generation methods described closely adjacent frequencies are in the lower and middle frequency range still relatively easy to use, but in the upper frequency range often very difficult to control. There is therefore a need to Methods from very high frequency ranges down as well also from areas that are still well manageable up to the UHF area to transform.

Der Weg einer Methode zur Transformation von oben nach unten wurde bereits zur 8 bzw. 9 beschrieben; bleibt der umgekehrte Weg:
Wird eine gegebene UHF einmal mit f und einmal mit f + df gemischt, dann erhält man nach einer Hochpassfilterung der beiden UHF-Michsignale auch im UHF-Bereich relativ dicht benachbarte Frequenzen. Da mit der gleich noch beschriebenen Methode df beliebig klein gehalten werden kann, ist auch in der UHF die Frequenzdifferenz recht klein. (Die Frequenz f ist je nach eingesetzter Filtergüte nicht zu klein zu wählen).
The path of a method of transformation from top to bottom has already been made 8th respectively. 9 described; the opposite way remains:
If a given UHF is mixed once with f and once with f + df, then after high-pass filtering of the two UHF Mich signals, frequencies that are relatively close together are also obtained in the UHF range. Since df can be kept arbitrarily small with the method described in the same way, the frequency difference in the UHF is also quite small. (Depending on the filter quality used, the frequency f should not be chosen too low).

21 deutet dazu noch einmal die Vielfältigkeit der gegebenen Möglichkeiten an und zeigt auch Möglichkeiten zur Erzeugung hoher benachbarter Frequenzen. 21 indicates again the diversity of the given possibilities and also shows possibilities for the generation of high neighboring frequencies.

21a und 21b zeigen die Austauschbarkeit der in der Messung eingesetzten Frequenzen. 21a zeigt den Einsatz der UHF (160) in einer Messanordnung (162), die Mischung mit einer ZF (161) in den Mischern (163) und (164) und Filterung des Mischsignals (Tief oder Hochpass, in (165) und (166)), was zwei UHF-Frequenzen mit der von der Messanordnung erzeugten Phasenlage in der UHF bewirkt. Diese Anordnung kann bei notwendiger Kanaltrennung bei Mehrfach-Messanordnungen sinnvoll eingesetzt werden. 21a and 21b show the interchangeability of the frequencies used in the measurement. 21a shows the use of the UHF ( 160 ) in a measuring arrangement ( 162 ), the mixture with a ZF ( 161 ) in the mixers ( 163 ) and ( 164 ) and filtering the mixed signal (low or high pass, in ( 165 ) and ( 166 )), which causes two UHF frequencies with the phase position generated by the measuring arrangement in the UHF. This arrangement can be used sensibly when channel separation is required for multiple measurement arrangements.

21b zeigt umgekehrt den Einsatz der ZF (167) als Messsignal in einer Messanordnung (169), die Mischung mit einer UHF (168) in (170) und (171) und Filterung des Mischergebnisses (Tief oder Hochpass in (172) und (173)), was wiederum zwei UHF-Frequenzen mit der von der Messanordnung in der ZF erzeugten Phasenlage bewirkt. Diese Anordnung ist sinnvoll, wenn die Signale auf UHF aufzuprägen sind, die Messung aber im ZF-Bereich stattfinden muß. 21b conversely shows the use of the ZF ( 167 ) as a measurement signal in a measurement arrangement ( 169 ), the mixture with a UHF ( 168 ) in ( 170 ) and ( 171 ) and filtering of the mixing result (low or high pass in ( 172 ) and ( 173 )), which in turn has two UHF frequencies with that generated by the measuring arrangement in the IF Phase position. This arrangement makes sense if the signals are to be impressed on UHF, but the measurement must take place in the IF range.

21c zeigt den Einsatz einer UHF1 (174) in einer Messanordnung (176), die Mischung mit einer zweiten UHF2 (175) in (177) und (178) und Filterung des Mischergebnisses mit Tiefpass (179) und (180), was zwei ZF-Frequenzen mit der von der Messanordnung erzeugten Phasenlage in der UHF1 erzeugt. Dies wurde bei der Darstellung zur 8 und 9 bereits genutzt. 21c shows the use of a UHF1 ( 174 ) in a measuring arrangement ( 176 ), the mixture with a second UHF2 ( 175 ) in ( 177 ) and ( 178 ) and filtering of the mixing result with low pass ( 179 ) and ( 180 ), which generates two IF frequencies with the phase position generated by the measuring arrangement in the UHF1. This has been shown in the presentation 8th and 9 already used.

21 d stellt eine Möglichkeit zum Erzeugen der benachbarten UHF-Frequenzen dar: Mit einer der beschriebenen Techniken werden in (183) zwei benachbarte Frequenzen f und f + df aus den Vorgaben f (181) und df (182) erzeugt. F und f + df werden als Referenzsignale genutzt, aus denen zwei identische PLL-Schaltungen die beiden UHF-Frequenzen mit den Frequenzen nf und n(f + df) erzeugen. Die PLL-Konstruktion ist als solche bekannt; der Phasenvergleich ist einmal mit der Frequenz f und einmal mit der Frequenz f + df auszuführen. 21 d represents a way of generating the neighboring UHF frequencies: With one of the techniques described in ( 183 ) two adjacent frequencies f and f + df from the specifications f ( 181 ) and df ( 182 ) generated. F and f + df are used as reference signals, from which two identical PLL circuits generate the two UHF frequencies with the frequencies nf and n (f + df). The PLL construction is known as such; the phase comparison is to be carried out once with the frequency f and once with the frequency f + df.

21 e stellt eine weitere Möglichkeit zum Erzeugen der benachbarten UHF-Frequenzen dar: Aus einer einzelnen Frequenz (190) werden in (191) und (192) druch einfache Teilung zwei Referenzfrequenzen f/n und f/(n + 1) erzeugt, aus denen wieder zwei PLL-Schaltungen zwei UHF-Frequenzen mit den Frequenzen mf/n und mf(n + 1) erzeugen (dargestellt ist der Fall m = n). 21 e represents another way of generating the neighboring UHF frequencies: from a single frequency ( 190 ) are in ( 191 ) and ( 192 ) by simple division generates two reference frequencies f / n and f / (n + 1), from which two PLL circuits again generate two UHF frequencies with the frequencies mf / n and mf (n + 1) (the case m = n).

Es bestehen also genügend Variationsmöglichkeiten zum Erzeugen einer oder zweier UHF-Signale und der Messung unter Nutzung einer dieser UHF oder einer ZF, stets unter Beibehaltung der durch die Messanordnung bewirkten Phasenverschiebung. Die Aufwärtsmischung zum Erzeugen der UHF-Signale ist aber ein eher umständlicher Prozess.So there are enough variations for generating one or two UHF signals and the measurement using one of these UHF or one ZF, always while maintaining the by phase shift caused by the measuring arrangement. The upward mix to generate the UHF signals is a rather cumbersome Process.

Man wird i.a. eher den umgekehrten Weg bevorzugen, die Messung also z.B. mit einer UHF-Frequenz realisieren, dann die beiden UHF-Signale (eines als Referenz genutzt, das per Definition ohne eine Phasenverschiebung ist, eines mit einer messbedingten parameterabhängigen Phasenverschiebung) in einen Zwischenfrequenzbereich herabmischen (die Phase bleibt dabei ja, wie gezeigt, erhalten) und dann mit diesen beiden Signalen weiterarbeiten.You will generally rather the reverse Prefer path, i.e. the measurement e.g. realize with a UHF frequency, then the two UHF signals (one used as a reference, which by Definition without a phase shift is one with a measurement-related one parameter-dependent Mix phase shift) in an intermediate frequency range (the phase remains as shown) and then with continue working on these two signals.

Wie erwähnt, ist es dabei nicht einmal nötig, den Freqenzabstand zwischen UHF1 und UHF2 sonderlich stabil zu halten, sofern bei der Erzeugung von f + df aus den Vorgaben f und df der Frequenzabstand df stabil gehalten werden kann. Dies ist erfindungsrelevant!As mentioned, it is not even so necessary, to keep the frequency difference between UHF1 and UHF2 particularly stable, if the generation of f + df from the specifications f and df the Frequency distance df can be kept stable. This is relevant to the invention!

22 stellt für Anwendungen, bei denen relativ niedrige Frequenzen zum Einsatz kommen können, zwei digitale Methoden zur Erzeugung benachbarter Frequenzen dar. 22a zeigt die Erzeugung einer Frequenz f/n aus einer Generatorfrequenz f (435) durch Untersetzung in einem ersten Zähler (433). (Die Stufe (426) dient nur zur nochmaligen Unterteilung und kann ohne Einschränkung hier als Teiler mit dem Teilungsfaktor 1 angenommen werden). 22 represents two digital methods for generating neighboring frequencies for applications in which relatively low frequencies can be used. 22a shows the generation of a frequency f / n from a generator frequency f ( 435 ) by reduction in a first counter ( 433 ). (The stage ( 426 ) is only used for further subdivision and can be used as a divider with the division factor without restriction 1 be accepted).

Der Zähler 2 (410) wird mit jeder Periode der Frequenz f/n um 1 weitergeschaltet. Der Komparator (428) vergleicht die beiden Zählerwerte und setzt das RS-FF (434) jedes mal, wenn die beiden Zählerwerte gleich sind. Betrachtet man vereinfacht nur die Flanken des Signals f/n (Ausgang von (433)) und dieses Komparatorsignal (Ausgang von (428)), dann verschieben sich die Flankenlagen durch das Hochschalten des Zählers 2 (410) jeweils um eine Taktdauer gegeneinander. Es liegen damit also benachbarte Frequenzen im Rahmen der Zählergenauigkeit vor.Counter 2 ( 410 ) is switched by 1 with each period of the frequency f / n. The comparator ( 428 ) compares the two counter values and sets the RS-FF ( 434 ) every time the two counter values are equal. If you simply consider the edges of the signal f / n (output from ( 433 )) and this comparator signal (output from ( 428 )), then the flank positions shift when the counter is switched up 2 ( 410 ) against each other by one cycle. This means that there are adjacent frequencies within the scope of the counter accuracy.

22b zeigt die Generierung benachbarter Frequenzen durch einfache Unterteilung einer gemeinsamen Generatorfrequenz (437). Die mit diesen einfachen Teiler-Generatoren in den erfindungsgemäßen Anordnungen erreichbaren Auflösungen bei einer Phasenmessung lassen aber – verglichen mit den anderen beschriebenen Möglichkeiten eher zu wünschen übrig und werden nur bei sehr einfachen Problemen eingesetzt werden können. 22b shows the generation of neighboring frequencies by simply dividing a common generator frequency ( 437 ). The resolutions with a phase measurement that can be achieved with these simple divider generators in the arrangements according to the invention, however, leave something to be desired compared to the other possibilities described and can only be used for very simple problems.

Die Erzeugung benachbarter Frequenzen erfolgt hier bevorzugt durch eine Nachbildung der Additionstheoreme. 10, 11 und 13 zeigen nur einige Möglichkeiten, ein Additionstheorem mit einfachen Techniken approximativ nachzubilden (es gibt sehr viel mehr!).Adjacent frequencies are preferably generated here by simulating the addition theorems. 10 . 11 and 13 show only a few ways to approximate an addition theorem with simple techniques (there are many more!).

10 zeigt die direkte, analoge Nachbildung der Formel eines Additionstheorems. Die niederfrenuente Vorgabe liegt bei (412) an, die hochfrequente bei (411). Die benötigten Sinus- und Cosinus-Signale stehen bei (413), (414), (415) und (416) zur Verfügung. Die Multiplikation wird in (417) bzw. in (418) nachgebildet, die Differenz der Produkte wird in einer OP-Amp-Schaltung (422) realisiert. (422) stellt (nach Filterung) die benachbarte Frequenz zur hochfrequenten Vorgabe (also zu sinωt) bereit. 10 shows the direct, analog simulation of the formula of an addition theorem. The low-frenuent specification is ( 412 ), the high-frequency at ( 411 ). The required sine and cosine signals are at ( 413 ), ( 414 ), ( 415 ) and ( 416 ) to disposal. The multiplication is in ( 417 ) or in ( 418 ) simulated, the difference between the products is in an op-amp circuit ( 422 ) realized. ( 422 ) provides (after filtering) the neighboring frequency for the high-frequency specification (i.e. to sinωt).

Die 13 stellt eine vereinfachte Form dar, in der die Multiplikationsstufen durch Schalterfunktionen ersetzt worden sind.The 13 represents a simplified form in which the multiplication stages have been replaced by switch functions.

Die niederfrequenten Sinus- bzw. Cosinusfunktionen sind z.B. einfach durch RC-, RL- oder LC-Glieder zu erzeugen und werden den einfachen OP-Amp-Schaltung bei (150) bzw. (151) zugeführt. Die beiden Schalter (152) bzw. (153) legen fest, je nachdem, ob sie offen oder geschlossen sind, ob die an (150) bzw. (151) liegenden Signale positiv oder negativ verstärkt werden. Ist der Schalter geschlossen, dann invertiert die folgende Verstärkerstufe das anliegende Signal, ist er offen, dann ist die Schaltung nicht invertierend.The low-frequency sine or cosine functions can be easily generated by RC, RL or LC elements, for example, and are used for the simple OP amp circuit with ( 150 ) respectively. ( 151 ) fed. The two switches ( 152 ) respectively. ( 153 ) determine, depending on whether they are open or closed, whether the 150 ) respectively. ( 151 ) lying signals can be amplified positively or negatively. If the switch is closed, the following amplifier stage inverts the applied signal; if it is open, the circuit is not inverting.

Werden für diese Schaltersteuerung digitale Sinus- bzw. Cosinus-Nachbildungen (digitale Signale mit der richtigen Phasenlage zueinander) verwendet, dann ergibt sich bei (156) das Signal Cos(NF)·sign[sin(HF)] und bei (157) das Signal Sin(NF))·sign[cos(HF)], wobei sign(...) einfach das Vorzeichen der Funktion, hier der Sinus/Cosinus-Funktion darstellt.Are digital sine or cosine simulations (digital signals with the correct phase relationship to each other) then results in ( 156 ) the signal Cos (NF) · sign [sin (HF)] and at ( 157 ) the signal Sin (NF)) · sign [cos (HF)], where sign (...) simply represents the sign of the function, here the sine / cosine function.

Sinus- und Cosinusfunktion der niederen Frequenz sind damit, so wie vorgegeben, beibehalten, die der HF-Komponente sind phasen- und vorzeichenrichtig einfach durch Rechteckfunktionen nachgebildet worden.Sine and cosine function of the lower The frequency, as specified, is thus retained, that of the HF component are correct in terms of phase and sign using simple rectangular functions have been replicated.

Die Differenzbildung (gleichwertig wäre eine Summation) dieser beiden Signale (156) und (157) mittels der OP-Amp-Stufe (158) liefert bei (159) das Signal cos(2π(df)t)·sign[sin(2πft)) – sin(2π(df)t)·sign[cos(2πft)].The difference (equivalent would be a summation) of these two signals ( 156 ) and (157) using the op amp stage ( 158 ) delivers the signal at (159) cos (2π (df) t) · sign [sin (2πft)) - sin (2π (df) t) · sign [cos (2πft)] ,

Ein selektives Filter mit einer Mittenfrequenz auf der vorliegenden HF, bei (159) nachgeschaltet, würde die höherfrequenten Signalanteile aus diesem Signal entfernen; damit ergibt sich als erste (gut verwendbare) Näherung die Nachbildung eines Additionstheorems. Das (nach einer Filterung) erzielte Ergebnis ist mit guter Näherung sin(2π(f + df)t).A selective filter with a center frequency on the present HF, downstream at (159), the higher frequency Remove signal components from this signal; with this it results as first (usable) approximation the simulation of an addition theorem. The (after filtering) The result obtained is sin (2π (f + df) t) with a good approximation.

20 unten stellt beispielhaft für zwei verschiedene Zeitpunkte das Signal am Ausgang (159) in der 13 dar. Ohne Filterung (nur ein eingeschränkter Frequenzgang des eingesetzten OP-Amps) ergab sich bei einer Messung das rechte Überlagerungssignal (89) (mit einer kaum möglichen Phasenmessung), nach einer einfachen RC-Filterung am Ausgang (159) das linke Überlagerungssignal (88). Wie man sehen kann, ist mit der Schaltung nach 13 nach zusätzlicher Filterung ein doch recht gut ausgeprägtes, annähernd sinusförmiges Überlagerungssignal erzielbar. 20 below shows an example of the signal at the output for two different times ( 159 ) in the 13 Without filtering (only a limited frequency response of the OP amp used), the right overlay signal was obtained during a measurement ( 89 ) (with a hardly possible phase measurement), after a simple RC filtering at the output ( 159 ) the left overlay signal ( 88 ). As you can see, the circuit is after 13 after additional filtering a quite well pronounced, approximately sinusoidal superposition signal can be achieved.

Eine dritte Möglichkeit zur Erzeugung benachbarter Frequenzen deutet 11 an. In dieser Schaltung werden im Bereich (400) alle benötigten niederfrequenten Summen- und Differenzsignale aus sinusförmigen Vorgaben bei (402) und (403) vorab berechnet und durch eine Schalteranordnung periodisch abgetastet. Die Reihenfolge der Abtastung wird durch eine Ansteuerstufe festgelegt, die Frequenz der Abtastung durch einen Takt (404) vorgegeben. Nach Aufbereitung und Filterung im Bereich (401) liegt auch hier wieder eine zu f = Taktfrequenz/4 benachbarte Frequenz vor.A third possibility of generating neighboring frequencies suggests 11 on. In this circuit, in the area ( 400 ) all required low-frequency sum and difference signals from sinusoidal specifications for ( 402 ) and ( 403 ) calculated in advance and periodically sampled by a switch arrangement. The sequence of the sampling is determined by a control stage, the frequency of the sampling by a clock ( 404 ) specified. After preparation and filtering in the area ( 401 ) there is again a frequency adjacent to f = clock frequency / 4.

Als dritte Möglichkeit stellt 11 eine für DSP oder Mikrokontroller geeignete Anordnung dar (s.u.).As a third option 11 an arrangement suitable for DSP or microcontrollers (see below).

Damit sind also zwei Signalsfrequenzen mit der Frequenz f und f + df gegeben. Letztendlich stellt der folgende Beschreibungsteil jetzt nur noch eine „spielerische Auseinandersetzung" mit den bisher beschriebenen Möglichkeiten der parametrischen Verstärkung in den verschiedensten Ausprägungen dar (von der noch folgenden Beschreibung der digitalen Schwebungserzeugung abgesehen). Aber stets liegen gleiche Gedankenkonstrukte vor, die später unter Verwendung der digitalen Verfahren noch einmal einfacher zu handhaben sein werden:

  • – zunächst benötigt man mindestens zwei Signale mit einer je nach Anwendung zu wählender Frequenzlage und einer möglichst geringen Frequenzdifferenz. Bei Bedarf wird durch Mischtechniken der Frequenzbereich geeignet aufwärts oder abwärts transformiert (vgl. 9 und 21).
  • – Dann wird eines dieser Signale mit einer so gewählten Frequenz zur Messung (Erregung, Aufschaltung, Weiterleitung, also zur beliebigen Ausbildung einer sensorisch geprägten Phasendifferenz) verwendet (was ein Referenzsignal und ein Messsignal erzeugt) und das Signal mit der anderen Frequenz
  • – entweder zur Ausbildung der Überlagerungssignale mit Referenz und Messung
  • – oder zur Abtastung von Referenz- und Messsignal
  • – oder zur Bildung eines Mischsignals mit Referenz und Messung

genutzt.This means that there are two signal frequencies with the frequency f and f + df. Ultimately, the following part of the description now only represents a "playful examination" with the previously described possibilities of parametric amplification in various forms (apart from the description of the digital beat generation that follows). But the same constructs of ideas are always available, which are later used using the digital processes will be even easier to use:
  • - First you need at least two signals with a frequency position to be selected depending on the application and the lowest possible frequency difference. If necessary, the frequency range is suitably transformed upwards or downwards using mixing techniques (cf. 9 and 21 ).
  • - Then one of these signals with a frequency selected in this way is used for measurement (excitation, activation, transmission, that is to say for the arbitrary formation of a sensor-shaped phase difference) (which generates a reference signal and a measurement signal) and the signal with the other frequency
  • - either to form the overlay signals with reference and measurement
  • - or for sampling the reference and measurement signal
  • - or to form a mixed signal with reference and measurement

used.

Dies alles wird dabei evtl. in mehreren Stufen und u.U. mehrmals angewendet und jeweils miteinander in Beziehung gesetzt (vgl. 8 oder 9).All of this may be applied in several stages and possibly several times and in each case related to each other (cf. 8th or 9 ).

Vor Ausarbeitung einiger Anwendungen soll jetzt gezeigt werden, wie auch in einer nur aus Widerständen bestehenden Messbrücke die eigentliche Meßgröße in einer Phasenverschiebung codiert werden kann. Kapazitäten und Induktivitäten erzeugen in solchen Netzwerken die Phasenverschiebungen zwischen sinusförmigen (oder auch anderen) Signalen etwas anders – und sind daher noch weitaus besser für eine Phasencodierung geeignet.Before working out some applications is to be shown now, as well as in a resistance-only one measuring bridge the actual measured variable in one Phase shift can be encoded. Generate capacitors and inductors in such networks the phase shifts between sinusoidal (or other) signals a little different - and are therefore still far better for a phase coding is suitable.

Die verschiedenen Konstrukte sollen an einigen Beispielen untereinander und mit einem „Normalfall" verglichen werden.The different constructs are supposed to with some examples compared with each other and with a "normal case" become.

l zeigt die bekannte Grundschaltung einer Meßbrücke. Je zwei der vier Widerstände R1 (6), R2 (7), R3 (8), und R4 (9) unterteilen die angelegte Spannung Uerr (3). Dies geschieht einmal in dem rechten Zweig, bestehend aus R3 (8) und R4 (9), und zum anderen in dem linken Zweig, bestehend aus R1 (6) und R2 (7). Gemessen wird im allgemeinen ein Messwert (Strom oder Spannung) als Differenz zwischen den Mittenabgriffen, z.B. in l (1) und (2), in 2a (11) und (18). l shows the known basic circuit of a measuring bridge. Two of the four resistors R1 ( 6 ), R2 ( 7 ), R3 ( 8th ), and R4 ( 9 ) divide the applied voltage U err ( 3 ). This happens once in the right branch, consisting of R3 ( 8th ) and R4 ( 9 ), and on the other in the left branch, consisting of R1 ( 6 ) and R2 ( 7 ). In general, a measured value (current or voltage) is measured as the difference between the centers tapped, eg in l ( 1 ) and ( 2 ), in 2a ( 11 ) and ( 18 ).

Im allgemeinen wird in einer solchen Anordnung mindestens einer der Widerstände R1..R4 einen von der primären Meßgröße (Temperatur, Druck, Licht, .., usw.) abhängigen Wert aufweisen. Der entsprechende Widerstand im anderen Zweig kann zur Abstimmung der Brücke genutzt werden. Abgestimmt ist die Brücke, wenn die mit dem Instrument (5) meßbare Spannung Umess Null ist, wobei diese Spannungsmessung stromlos geschehen soll (Innenwiderstand des Instruments (5) Rinnen → ∞).In general, in such an arrangement, at least one of the resistors R1..R4 will have a value dependent on the primary measured variable (temperature, pressure, light, .., etc.). The corresponding resistance in the other branch can be used to tune the bridge. The bridge is coordinated when the one with the instrument ( 5 ) measurable voltage U mess is zero, this voltage measurement should take place without current (internal resistance of the instrument ( 5 ) R inside → ∞).

Für eine solchermaßen nicht belastete Meßbrücke gilt mit Umess = Uerr (R2R3 – R4R1)/[(R1 + R2)(R3 + R4)], (I) dass die Abstimmung der Brücke (in der abgestimmten Brücke ist Umess = 0) R2R3 = R4R1 bzw. R1/R2 = R3/R4 erfordert.For a measuring bridge that is not loaded in this way, the following also applies U mess = U err (R 2 R 3 - R 4 R 1 ) / [(R 1 + R 2 ) (R 3 + R 4 )] , (I) that the tuning of the bridge (in the tuned bridge U mess = 0) R 2 R 3 = R 4 R 1 or R 1 / R 2 = R 3 / R 4 requires.

Nimmt man (zwecks Vergleich, aber letztendlich willkürlich) an, daß R, der von der Ziel-Meßgröße abhängige Widerstand ist, R2 zur Abstimmung der Brücke zwar variabel, aber nach erfolgter Abstimmung konstant gehalten wird und zudem die Abgleichbedingung erfüllt ist, dann ist die Sensitivität der Brücke gegenüber einer kleinen Änderung von R1, also ∂R1, gegeben durch ∂Umess = –UerrR2/(R1 + R2)2 ∂R1 (II)If (for comparison, but ultimately arbitrary) it is assumed that R, which is the resistance dependent on the target measured variable, R 2 for tuning the bridge is variable, but is kept constant after tuning and, moreover, the matching condition is fulfilled, then the sensitivity of the bridge to a small change in R 1 , i.e. ∂R 1 , given by ∂U mess = –U err R 2 / (R 1 + R 2 ) 2 ∂R 1 (II)

Dieser Ausdruck beschreibt die Änderung des Messwertes Umess, wenn sich R1 um ∂R1 ändert. Diese Empfindlichkeitsbetrachtung soll im folgenden zum Vergleich der verschiedenen Anordnungen herangezogen werden.This expression describes the change of the measured value U mess when R 1 changes to ∂R. 1 This sensitivity analysis will be used in the following to compare the different arrangements.

Die maximale Empfindlichkeit dieser Brückenanordnung gegenüber einer solchen Widerstandsänderung dR1 ist bei R2 = R1 = R gerade ∂Umess= – [Uerr/(4R)]∂R. (III)The maximum sensitivity of this bridge arrangement to such a change in resistance dR 1 is even when R 2 = R 1 = R ∂U mess = - [U err / (4R)] ∂R , (III)

2 zeigt modifizierte Bedingungen. Da Brückensensoren oftmals vorgegebene Sensoranordnungen sind, ist die Brücke selbst vollständig beibehalten worden, während sich im folgenden das Interesse auch auf den Einzelzweig beziehen kann. 2 shows modified conditions. Since bridge sensors are often predefined sensor arrangements, the bridge itself has been completely retained, while in the following the interest can also relate to the individual branch.

Eine trigonometrische Funktion (hier eine Sinusfunktion mit einer noch festzulegenden Kreisfrequenz) speist den „oberen Knoten" der Messbrücke (16), die Spannung am „unteren Knoten" (10) ist eine Cosinusfunktion. Beide Spannungen haben hierbei die (annähernd) gleiche Amplitude und die gleiche Frequenz.A trigonometric function (here a sine function with an angular frequency to be determined) feeds the "upper node" of the measuring bridge ( 16 ), the tension at the "lower node" ( 10 ) is a cosine function. Both voltages have the (approximately) the same amplitude and the same frequency.

Der rechte (18)) und linke (11) Zweigmittelpunkt liegen in der Anordnung der 2a, bedingt durch die dort folgenden I/U-Wandlerstufen, – virtuell – auf GND-Potential. Die Operationsverstärker (14) und (39) in 2a stellen ihren Ausgang nämlich so ein, daß die Zweigmittenknoten (11) bzw. (18) virtuell auf dem Potential liegen, das jeweils an dem nicht invertierenden Eingang der OP-Amps liegt. Genau genommen wird das im konkreten Fall also nicht wirklich Null, sondern die Offsetspannung des Verstärkers sein. Die Wahl des Rückkopplungswiderstandes erlaubt die Vorgabe einer geeigneten Verstärkung (in 2a R6 bzw. R5, 2b wäre sinngemäß als Verstärkerstufe mit v > 1 abzuändern).The right one ( 18 )) and left ( 11 ) Branch center are in the arrangement of the 2a , due to the subsequent I / U converter stages, - virtually - to GND potential. The operational amplifiers ( 14 ) and ( 39 ) in 2a adjust their output so that the branch middle nodes ( 11 ) respectively. ( 18 ) are virtually at the potential at the non-inverting input of the OP amps. Strictly speaking, this will not really be zero in the specific case, but the offset voltage of the amplifier. The choice of the feedback resistance allows the specification of a suitable gain (in 2a R6 or R5, 2 B would be changed accordingly as an amplifier stage with v> 1).

Da der Mittenabgriff der Brücke in diesem Falle also auf GND liegt, gilt für den in den Knoten hineinfließenden Strom (linker Knoten (11) betrachtet) I = (U1/R1)sin(wt) – (U2/R2)cos(wt) = (R1R2)–1SQRT[(U1 2R2 2 + U2 2R1 2)]sin[wt – arctan((U2R1)/(U1R2))] (Hierin bezeichnet SQRT[...] den Ausdruck √..., also „die Wurzel aus ...." ).Since the center tap of the bridge is GND in this case, the current flowing into the node (left node ( 11 ) considered) I = (U 1 / R 1 ) sin (wt) - (U 2 / R 2 ) cos (wt) = (R 1 R 2 ) -1 SQRT [(U 1 2 R 2 2 + U 2 2 R 1 2 )] sin [wt - arctan ((U 2 R 1 ) / (U 1 R 2 ))] (Herein, SQRT [...] denotes the expression √ ..., "the root of ....").

Alternativ können die Mittelabgriffe der Brücke als Spannungsquelle direkt auf einen Folgeverstärker geschaltet werden (in der Anordnung der 2b sind die OP-Amp-Stufen als einfache hochohmige Buffer-Verstärker (Impedanzwandler) für die Spannungen an den Mittenabgriffen ausgebildet; diese können als Verstärkerstufe mit v > 1 ausgebildet werden).Alternatively, the center taps of the bridge can be connected directly to a secondary amplifier as a voltage source (in the arrangement of 2 B the OP-Amp stages are designed as simple high-resistance buffer amplifiers (impedance converters) for the voltages at the center taps; these can be as Amplifier stage with v> 1).

Die sich an dem (einfachen) Mittenabgriff (38) einstellende Spannung ist U = U2cos(wt) + R2[U1sin(wt) – U2cos(wt)]/(R1 + R2) = [1/(R1 + R2)]SQRT[(U2R1)2 + (R2U1)2]sin[wt + arctan([U2R1]/[R2U1])] The (simple) center tap ( 38 ) is the adjusting voltage U = U 2 cos (wt) + R 2 [U 1 sin (wt) - U 2 cos (wt)] / (R 1 + R 2 ) = [1 / (R 1 + R 2 )] SQRT [(U 2 R 1 ) 2 + (R 2 U 1 ) 2 ] sin [wt + arctan ([U 2 R 1 ] / [R 2 U 1 ])]

Der Phasenausdruck bei der am Zweigmittelpunkt abgegriffenen Spannung zeigt also (vom Vorzeichen abgesehen) die gleiche Beziehung, wie bereits zuvor bei der Betrachtung der Ströme, die in den auf virtuellem GND liegenden Knoten hineinfließen, zu sehen war (lediglich das Vorzeichen der Phase ändert sich; ein Umstand, der in einigen Anwendungen allerdings nützlich sein kann).The phase expression at the at the branch center tapped voltage shows (apart from the sign) the same relationship as before when looking at the currents that flow into the nodes located on virtual GND was seen (only the sign of the phase changes; a fact that may be useful in some applications).

Für einen Vergleich der Anordnungen soll, wie erwähnt, die Bestimmung der Empfindlichkeit der Phasenlage in Abhängigkeit von einer Änderung des Widerstandes R1 herangezogen werden:
Es gilt wegen ∂φ = ∂/∂R1{arctan((U2R1)/(U1R2))] dR1 = {(U1R2U2)/[(U1R2)2 + (U2R1)2]}dR1
As mentioned, the sensitivity of the phase position as a function of a change in the resistance R1 should be used to compare the arrangements:
It is because of ∂φ = ∂ / ∂R 1 {Arctan ((U 2 R 1 ) / (U 1 R 2 ))] DR 1 = {(U 1 R 2 U 2 ) / [(U 1 R 2 ) 2 + (U 2 R 1 ) 2 ]} DR 1

Setzt man hierin wieder U1 = U2 = U und R2 = R1 = R, dann gilt sowohl bei einem Strom-, als auch bei einem Spannungsabgriff ∂φ = ∂R/(2R) If you set U 1 = U 2 = U and R 2 = R 1 = R again, then this applies to both a current and a voltage tap ∂φ = ∂R / (2R)

Gleiches gilt an sich auch jeweils auf der rechten Seite der Brücke, hier nur für den Stromabgriff dargestellt: I = U1/R3sin(wt) – U2/R4 cos(wt) = (R3R4)–1SQRT[(U1 2R4 2 + U2 2R3 2)]sin[wt – arctan((U2R3)/(U1R4))] The same applies to the right side of the bridge, shown here only for the current tap: I = U 1 / R 3 sin (wt) - U 2 / R 4 cos (wt) = (R 3 R 4 ) -1 SQRT [(U 1 2 R 4 2 + U 2 2 R 3 2 )] sin [wt - arctan ((U 2 R 3 ) / (U 1 R 4 ))]

Da diese Seite hier als konstant angesehen wird (R3 = R4 = const), erübrigt sich die Empfindlichkeitsbetrachtung. (Zumal das Ergebnis ja bereits bekannt ist; die Widerstandsbezeichnungen sind lediglich zu vertauschen).Because this side here as constant is viewed (R3 = R4 = const), the sensitivity analysis is unnecessary. (Especially since the result is already known; the resistance designations are only to be exchanged).

Betrachtet man – diese Darstellung erweiternd – die (von den Widerstandswerten abhängige) Phasenverschiebungen zwischen den beiden Sinusfunktionen an den Knotenabgriffen (11) und (18), so findet man (wieder sowohl für den Strom- wie für den Spannungsabgriff gültig) unter der gerade gemachten Annahme, dass hierin der rechte Summand konstant bzw. dass dieser von R1 unabhängig ist und dass auch hier wieder U1 = U2 = U, R2 = R1 = R gilt, dass für die Empfindlichkeit dieser Phasendifferenz gegenüber einer Änderung von R1 ebenfalls ∂Δφ = ∂R/(2R) gilt.Looking at - expanding this representation - the phase shifts (depending on the resistance values) between the two sine functions at the node taps ( 11 ) and (18), one finds (again valid for both current and voltage tapping) under the assumption just made that here the right summand is constant or that it is independent of R 1 and that here again U 1 = U 2 = U, R 2 = R 1 = R also applies to the sensitivity of this phase difference to a change in R 1 ∂Δφ = ∂R / (2R) applies.

Die Bedingungen der wechselspannungserregten Meßschaltungen in 2 sind damit denen der Meßschaltung in l gleich, wenn man sich auf eine Phasenmessung konzentriert; Abstimmbedingung ist in allen Fällen R4R1 – R2R3 = 0 und die Abschätzung der maximalen Brückenempfindlichkeit ist in allen Fällen (bis auf den Faktor Umess/4) gleich.The conditions of the AC-excited measuring circuits in 2 are thus those of the measuring circuit in l same if you concentrate on a phase measurement; The tuning condition is R 4 R 1 - R 2 R 3 = 0 in all cases and the estimate of the maximum bridge sensitivity is the same in all cases (except for the factor U mess / 4).

Der Vorteil der Schaltungen gemäß 2 liegt einmal darin, dass eine Wechselspannungserregung der Brücke gegeben ist. Eine kleine Wechselspannung ist einfacher zu verstärken, weil langsame Gleichspannungsdriften – z.B. eine Offsetdrift der eingesetzten Operationsverstärker – leicht mittels RC-Gliedern abgetrennt werden können und dann keine Rolle mehr spielen. Brückenspannungen können so noch im μV-Bereich erfaßt werden, auch wenn die Offsetspannungen der Operationsverstärker im mV-Bereich driften sollten.The advantage of the circuits according to 2 is that there is an AC excitation of the bridge. A small AC voltage is easier to amplify because slow DC voltage drifts - for example an offset drift of the operational amplifiers used - can easily be separated by means of RC elements and then no longer play a role. Bridge voltages can still be detected in the μV range, even if the offset voltages of the operational amplifiers should drift in the mV range.

Zum anderen kann bei einer Erregung der Anordnung mit reinen Sinusfunktionen durch den Einsatz von Filtern mit geringer Bandbreite das Rauschen gering gehalten werden, weil die Rauschspannung einer solchen Anordnung von der Bandbreite der übertragenen Signale abhängig ist.On the other hand, with arousal the arrangement with pure sine functions through the use of filters with low bandwidth the noise can be kept low because the noise voltage of such an arrangement from the bandwidth of the transmitted Signals dependent is.

Die durch derartige Stufen erzeugten, zusätzlichen Phasenverschiebungen heben sich bei gleichem Aufbau in der Phasendifferenz wieder gegenseitig auf.The generated by such stages additional With the same structure, phase shifts increase in the phase difference again on each other.

Damit ist zunächst einmal gezeigt, dass auch eine Messbrücke bei einer Erregung mit sinusförmigen Signalen, die sich an den Erregungsknoten um einen bestimmten Phasenbetrag unterscheiden, der Phasenversatz der Signale an (und zwischen) den Brückenzweigabgriffen für eine Messwerterfassung geeignet sein kann.First of all it shows that also a measuring bridge with excitation with sinusoidal signals, which are at the excitation nodes by a certain phase amount differ, the phase shift of the signals at (and between) the Brückenzweigabgriffen for one Measured value acquisition can be suitable.

Andere Anordnungen zur Erzeugung einer parameterabhängigen Phasenlage als die bis hier beschriebenen Brückenanordnungen sind im hier zu sehenden Zusammenhang vielfältig möglich:
5 zeigt den Einsatz eines beliebigen Zweipols (45) in einer Brückenanordnung, bestehend aus einer allgemeinen Impedanz (45) mit Widerstand R1 in Reihe und hier den Widerständen R3 bis R4. Die sinusförmige Erregung wird der Brückenschaltung wie gewohnt bei (43) und (44) zugeführt. Wie bei der einfachen Brücke ergeben sich an den Zweigabgriffen (47) und (48) Sinussignale, deren Phasenlagen zueinander in Abhängigkeit von dem Zweipol, dieser wiederum in Abhängigkeit von mindestens einer der darin enthaltenden RLC-Komponenten sich verändern. Die Messung der Phasenlage der beiden Sinussignale (47) und (48) folgt dann dein erfindungsgemäßen Messverfahren, durch Abtastung, Überlagerung oder Mischung.
Other arrangements for generating a parameter-dependent phase position than the bridge arrangements described up to here are possible in many ways in the context seen here:
5 shows the use of any dipole ( 45 ) in a bridge arrangement consisting of an all common impedance ( 45 ) with resistor R 1 in series and here resistors R 3 to R 4 . The sinusoidal excitation of the bridge circuit is as usual with ( 43 ) and ( 44 ) fed. As with the simple bridge, the branch taps ( 47 ) and ( 48 ) Sinusoidal signals, the phase positions of which change in relation to one another as a function of the two-pole circuit, which in turn depends on at least one of the RLC components contained therein. The measurement of the phase position of the two sinusoidal signals ( 47 ) and ( 48 ) then follows your measuring method according to the invention, by scanning, superimposing or mixing.

(47) bzw. (48) stellen praktisch die Signale dar, die in den Darstellungen vor bzw. nach dem Messblock vorliegen (z.B. in 14 vor und nach (240) bzw. (250)), in 8 vor und nach (62), in 9 vor und nach (75), in 19 vor und nach (425).( 47 ) respectively. ( 48 ) practically represent the signals that are present in the representations before or after the measuring block (e.g. in 14 before and after ( 240 ) respectively. ( 250 )), in 8th before and after ( 62 ), in 9 before and after ( 75 ), in 19 before and after ( 425 ).

6 zeigt den Einsatz einer allgemeinen Vierpol-Anordnung. Eine Sinussignalfunktion liegt am Eingang des Vierpols bei (49) und bildet auch die Referenz (50) zu der am Ausgang (52) des Vierpols (51) sich einstellenden Sinusfunktion. Die Messung der Phasenlage zwischen diesen Signalen ergibt eine Aussage zu einer physikalischen Größe, die eine der RLC-Komponenten des Vierpols (51) in bekannter Weise beeinflusst. Besteht dieser Vierpol z.B. aus einem RC-Glied mit temperaturabhängigem Widerstand, dann kann so z.B. die Temperatur gemessen werden. 6 shows the use of a general four-pole arrangement. A sine signal function is included at the input of the four-pole ( 49 ) and also forms the reference ( 50 ) to the one at the exit ( 52 ) of the four-pole ( 51 ) resulting sine function. The measurement of the phase relationship between these signals provides information about a physical quantity that one of the RLC components of the four-pole ( 51 ) influenced in a known manner. If this four-pole consists, for example, of an RC element with temperature-dependent resistance, then the temperature can be measured in this way.

7 zeigt eine Anordnung, mit der z.B. der Phasengangsunterschied eines vom Generator (53) erzeugten, und bei (54) abgestrahlten US-Signals (US = Ultraschall), aber auch eines UHF-Signals entlang einer Strecke (hier (55) z.B. als ein Rohr oder Hohlleiter angenommen) gemessen werden kann. 7 shows an arrangement with which, for example, the phase response difference of one from the generator ( 53 ) generated, and at ( 54 ) emitted US signal (US = ultrasound), but also a UHF signal along a route (here ( 55 ) assumed, for example, as a tube or waveguide) can be measured.

Der hier z.B. in der Mitte der Strecke bei (54) abgestrahlte Schall wird an die Enden der Strecke transportiert und dort (56) bzw. (57) aufgenommen und verstärkt (58) bzw. (59). Je nach Laufzeitunterschied des Signaltransports auf dieser Strecke stellt sich eine bestimmte Phasendifferenz der bei (60) und (61) aufgenommenen und zur Auswertung anstehenden Signale ein. I.a. wird die Phasenlage der Signale an den Enden in etwa gleich sein.The one here in the middle of the route at ( 54 ) emitted sound is transported to the ends of the route and there ( 56 ) respectively. ( 57 ) recorded and reinforced ( 58 ) respectively. ( 59 ). Depending on the transit time difference of the signal transport on this route, there is a certain phase difference between 60 ) and ( 61 ) recorded and pending signals. Ia the phase position of the signals will be approximately the same at the ends.

Eine sich überlagernde Bewegung des Mediums (Luft, Flüssigkeit, Festkörper, usw.), u.U. sogar auch eine Bewegung der Anordnung selbst, erzeugt aber einen zusätzlichen Laufzeitunterschied, daraus resultierend eine Phasenlagenveränderungen zwischen den Sinussignalen. Strömt oder fließt hier z.B. das Medium im Kanal (55), dann ergibt das eine von der Fließgeschwindigkeit des Mediums abhängige, zusätzliche Phasendifferenz zwischen den Signalen (60) und (61).An overlapping movement of the medium (air, liquid, solid, etc.), possibly even a movement of the arrangement itself, but creates an additional transit time difference, resulting in a change in phase position between the sinusoidal signals. For example, the medium flows or flows in the channel ( 55 ), this results in an additional phase difference between the signals depending on the flow velocity of the medium ( 60 ) and ( 61 ).

Unter Nutzung der beschriebenen, parametrischen Verstärkung ist eine Messung sogar dann befriedigend genau, wenn hierbei Licht oder z.B. UHF-Siganle genutzt werden. Bemerkenswerterweise ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen den Enden auch bei einer Bewegung der Messanordnung, sogar wenn elektromagnetische Wellen oder Licht eingesetzt werden.Using the described parametric gain a measurement is satisfactorily accurate even if it is light or e.g. UHF signal can be used. Remarkably results there is a phase shift between the ends even when moving the measuring arrangement, even if electromagnetic waves or light be used.

Wenn die Signallaufzeiten direkt zur Ausbildung einer Phasenverschiebung (z.B. bei einer Strecken- oder Distanzmessung) genutzt werden soll, werden sich bei der Verwendung von Licht oder elektromagnetischer Strahlung aufgrund der extrem hohen Geschwindigkeit nur sehr kleine Phasenverschiebungen einstellen. (Die beiden Signale kommen praktisch gleichzeitig an).If the signal transit times directly for the formation of a phase shift (e.g. with a route or Distance measurement) should be used when using of light or electromagnetic radiation due to the extreme Only set very small phase shifts at high speed. (The two signals arrive practically simultaneously).

Unter Einsatz der oben dargestellten parametrischen Verstärkung sind aber auch solch kleine Phasenverschiebungen mit relativ einfachen Techniken messbar.Using the ones shown above parametric gain are such small phase shifts with relatively simple ones Techniques measurable.

Sei die für eine Messung verwendete Frequenz z.B. 50MHz, die Differenzfrequenz 5Hz. Dann ist der Verstärkungsfaktor 107. Somit werden aus einer 1ns-Phasenverschiebung in der HF jetzt 10ms in der „Abtast-Schwebung"! Wertet man diese 10ms mit einer Auflösung von z.B. 0.02us (50MHz als normaler TTL-Generatortakt) aus, dann ergibt das eine Unterscheidbarkeit von 1/50000 in der Originalphasenzeit von 20ns, also von 0,04ps (gleiche Auflösung vorausgesetzt, aber bezogen auf die 1ns der Phasenverschiebung im Originalsignal). Das entspricht der Zeit, in der Licht die Strecke von ca. 0.3μm zurücklegt.Let the frequency used for a measurement be 50MHz, the difference frequency 5Hz. Then the gain factor is 10 7 . Thus, a 1ns phase shift in the HF now becomes 10ms in the "sampling beat"! If you evaluate this 10ms with a resolution of 0.02us (50MHz as a normal TTL generator clock), this results in a distinguishability of 1/50000 in the original phase time of 20ns, ie 0.04ps (assuming the same resolution, but based on the 1ns of the phase shift in the original signal), which corresponds to the time in which light covers the distance of approx. 0.3μm.

Auch wenn einige „Randeffekte" zu beachten und zu beherrschen sind, die einen solchen Faktor real kaum erlauben, ist das eine bisher nicht erreichbare und durchaus als „extrem" zu bezeichnende Verstärkung bzw. Auflösung!Even if there are some "edge effects" to consider and to be mastered, which really hardly allow such a factor, is this a previously unachievable and quite as "extreme" reinforcement to be designated or Resolution!

In der oben beschriebenen Schwebungsauswertung wird vorausgesetzt, dass zwei sinusförmige Funktionen zwecks parametrischer Phasenzeitverstärkung überlagert werden; das geschah jeweils zwei mal. Die phasenmäßige Beziehung der beiden Schwebungen zueinander liefert Auskunft über die vorliegende Phasendifferenz zwischen den getrennt vorliegenden Sinusfunktionen.In the beat evaluation described above it is assumed that two sinusoidal functions for the purpose of parametric Phase time gain overlaid become; that happened twice. The phase relationship of the two beats to each other provides information about the present phase difference between the separately available sine functions.

Bei der Abtasttechnik mit einer benachbarten Frequenz wurden Referenz und Messsignal abgetastet und erzeugten so zwei NF-Sinussignale die in ihrer Phasenbeziehung die Phasenlage der HF widerspiegeltenWhen scanning with an adjacent one Frequency and reference and measurement signal were sampled and generated so two LF sinusoidal signals in their phase relationship the phase position the HF reflected

Beim (multiplikativen) Mischen der beiden Signale ist die NF-Komponente in der entstehenden Summe zu isolieren und auszuwerten.When (multiplicative) mixing the The resulting sum of the two signals is the NF component isolate and evaluate.

Mit diesen Methoden stehen jetzt praktisch die erfindungsgemäßen Möglichkeiten zur Verfügung. Extrem genaue Phasenmessungen können mit den beschriebenen Methoden realisiert werden.With these methods now stand practically the possibilities according to the invention to disposal. Extremely accurate phase measurements can can be realized with the methods described.

Bereits die Kenntnis über die bestehende Methode zur Phasenmessung mit einer solchen Genauigkeit initiiert i.a. neue Konstruktionsprinzipien von Sensoranordnungen, von denen einige am Beispiel von Messbrücken dargestellt werden sollen.Already knowing about the existing method for phase measurement initiated with such accuracy i.a. new design principles of sensor arrangements, of which some using the example of measuring bridges should be displayed.

3 zeigt wieder eine normale Messbrücke. Erregungsprinzip ist wieder am oberen Zweig die Sinuserregung, unten die Cosinuserregung. Die Phasenlage der Sinussignale an den Mittenabgriffen der Zweige ist hierin (einzeln oder in ihrer Differenz zueinander gesehen), wie oben beschrieben, bekannt. Die Entnahme des Signals an den Mittenabgriffen kann noch gemäß der 2 durch entsprechende (verstärkende) OP-Amp-Stufen im Leerlauf oder im Kurzschluß erfolgen. Diese zusätzliche Komponente wird hier (nicht nur, aber vor allem) zur Vereinfachung nicht dargestellt. 3 shows a normal measuring bridge again. The excitation principle is again the sine excitation on the upper branch and the cosine excitation on the lower branch. The phase position of the sinusoidal signals at the center taps of the branches is known here (seen individually or in their difference from one another), as described above. The removal of the signal at the center taps can still be done according to the 2 by means of appropriate (reinforcing) OP amp stages in idle or short circuit. This additional component is not shown here (not only, but above all) for simplification.

In dieser Anordnung der 3a wird eine Abtastung dieser Werte mit einer dicht neben der Erregungsfrequenz liegenden Samplerate durchgeführt. Für die Ansteuerung (29) der Abtaster (30) bzw. (31) ist zwar eine Sinusfunktion angegeben, dies ist aber hier als digitale Funktion mit einer Phasenlage, die der Sinusfunktion entspricht zu sehen. Dies entspricht der Nutzung der Phasenmessung durch Unterabtastung.In this arrangement the 3a a sampling of these values is carried out with a sample rate lying close to the excitation frequency. For the control ( 29 ) the scanner ( 30 ) respectively. ( 31 ) a sine function is specified, but this can be seen here as a digital function with a phase position that corresponds to the sine function. This corresponds to the use of phase measurement by subsampling.

Wieder kann das Ziel auch unter Einsatz von Mischstufen statt der Abtaster erreicht werden (3b). Dies ist empfehlenswert, wenn sehr hohe Frequenzen zum Einsatz kommen. Die niederfrequenten Signale (40) bzw. (39) ergeben sich dann nach Mischung (36) bzw. (37) und Filterung (38).Again, the goal can be achieved by using mixer levels instead of the scanner ( 3b ). This is recommended if very high frequencies are used. The low-frequency signals ( 40 ) respectively. ( 39 ) result after mixing ( 36 ) respectively. ( 37 ) and filtering ( 38 ).

Dieser Ansatz wird besonders dann interessant, wenn z.B. Effekte auf sehr kleinen Strukturen bei extrem hohen Frequenzen auszuwerten sind (u.a. bei der Entwicklung von schnellen Sensoren für Gase, wenn die Effekte selbst z.B. in der Größenordnung der Wellenlänge der verwendeten Frequenz liegen). 9 zeigt den Einsatz einer solchen Mischung und erst daran angeschlossen die „Normalfrequenzstufe". In 9 oben ist dargestellt, wie eine solche Messbrücke in die Anordnung einzubringen ist.This approach is particularly interesting when, for example, effects on very small structures at extremely high frequencies have to be evaluated (including when developing fast sensors for gases, if the effects themselves are in the order of the wavelength of the frequency used). 9 shows the use of such a mixture and only then the "normal frequency stage". In 9 Above is shown how such a measuring bridge is to be introduced into the arrangement.

Die bei den hier realisierten Anwendungen eingesetzten Abtasttechniken sind üblicherweise Sample-Hold-Stufen oder auch Eimerkettenschaltungen mit einem eingeschränktem Frequenzbereich. Eine Mischung wird aber trotzdem bevorzugt nur dann eingesetzt, wenn so hohe Frequenzen zum Einsatz kommen, dass diese Abtasttechniken nicht mit mehr mit einfacher Technik realisiert werden können.The applications implemented here The sampling techniques used are usually sample hold stages or bucket chain circuits with a limited frequency range. However, a mixture is preferably only used if such high frequencies are used that these scanning techniques can no longer be realized with simple technology.

Wie oben gezeigt worden war, entstehen bei (34) und (35) zwei Signale mit der Differenzfrequenz df bzw. df/2, deren Phasenlage zueinander von der Phasenlage der Signale an den Mittenabgriffen abhängig ist, aber in ihrem Zeitmaß ein Vielfaches der Phasendifferenzzeit der HF darstellen. Weiter unten wird gezeigt, wie die Phasenlage solcher Schwebungssignale zueinander bei Anwendung digitaler Verarbeitungstechniken einfach auszuwerten sind und besonders das angesprochene Problem der genauen Phasenmessung auch zwischen den Überlagerungssignalen sich als dann nicht mehr existent zeigt.As shown above, arise at (34) and (35) two signals with the difference frequency df and df / 2, the phase relationship of which depends on the phase relationship of the signals dependent on the center taps is, but in their measure of time Represent multiples of the phase difference time of the HF. Further down it is shown how the phase relationship of such beat signals to each other easy to evaluate when using digital processing techniques are and especially the problem of accurate phase measurement also between the beat signals then shows itself as no longer existing.

Im Endeffekt wird aber bei allen hier beschriebenen Anwendungen stets die Phasendifferenz der HF-Signale an den Mitteabgriffen mit sehr hoher Genauigkeit gemessen.In the end, however, with everyone Applications described here always the phase difference of the RF signals measured at the center taps with very high accuracy.

Der Vergleich der Empfindlichkeit aller hier vorgestellten Brückenanordnungen zeigt, dass diese (bis auf einen Faktor der Größenordung 2...4 bzw. Uerr/2) vergleichbar sind. Egal, ob man eine klassische Brückenanordnung mit konventioneller Weiterverarbeitung bzw. Verstärkung verwendet, oder eine Anordnung der hier im Kontext beschriebenen Art, die Empfindlichkeit des Grundparameters, hier der Phasenzeit, dort der abgegriffene Spannungswert, gegenüber der primären Sensorgröße ist in etwa gleich.A comparison of the sensitivity of all the bridge arrangements presented here shows that they are comparable (apart from a factor of the order of magnitude 2 ... 4 or U err / 2). Regardless of whether you use a conventional bridge arrangement with conventional further processing or amplification, or an arrangement of the type described here in context, the sensitivity of the basic parameter, here the phase time, there the tapped voltage value, is roughly the same compared to the primary sensor size.

Von Vorteil in der erfindungsgemäßen Anordnung ist dabei, dass die sich ergebende Messgröße i.a. nicht mehr von der Erregungsspannungsamplitude abhängig ist; allerdings muss eine gewisse Mindestsignalstärke sichergestellt sein.An advantage in the arrangement according to the invention is that the resulting measurand i.a. not from the Excitation voltage amplitude dependent is; however, a certain minimum signal strength must be ensured his.

Oder anders: ein Empfindlichkeitsunterschied bei den Methoden ist nicht vorhanden. Wenn statt der Auswertung der an einer (gleichspannungserregten) Brücke abgegriffenen Spannungsdifferenz die Auswertung des Phasenunterschiedes herangezogen wird, dann liegen vergleichbare Empfindlichkeiten vor. Die entscheidende Frage ist, welche der beiden Größen (Spannung bzw. Strom oder Phase) bei der Weiterverarbeitung mit einer größeren Genauigkeit besser und genauer erfasst und ausgewertet werden kann und mit welchem Aufwand das jeweils geschieht.Or in other words: a difference in sensitivity in the methods is not available. If instead of the evaluation the voltage difference tapped on a (DC-excited) bridge the evaluation of the phase difference is used, then lie comparable sensitivities. The crucial question is which of the two sizes (voltage or current or phase) during further processing with greater accuracy can be recorded and evaluated better and more precisely and with which Effort that happens in each case.

Eine Strom- oder Spannungsmessung ist heute ohne weiteres (d.h. unter Einsatz gängiger Techniken) mit einer Genauigkeit von ca. 10–6 möglich. Bei den mit den erfindungsgemäßen, neuen Methoden erreichbaren Genauigkeiten einer Phasenmessung von besser als 10–8 spricht einiges für eine solche Phasenmessung.A current or voltage measurement is now easily possible (ie using common techniques) with an accuracy of approx. 10 –6 . Given the accuracies of a phase measurement of better than 10 -8 that can be achieved with the new methods according to the invention, there are some reasons for such a phase measurement.

Bild 18 zeigt das Prinzip einer realisierte Auswertungsmöglichkeit für eine Anordnung nach 7: G1 (277) und G2 (276) sind die beiden Generatoren zur Erzeugung der beiden, hier sehr dicht benachbarten Frequenzen f und f + df.Figure 18 shows the principle of a realized evaluation option for an arrangement 7 : G 1 ( 277 ) and G 2 ( 276 ) are the two generators for generating the two, here very closely adjacent frequencies f and f + df.

Eine der beiden Signalfrequenzen, hier ist das (willkürlich gewählt) fs = f + df wird auf den US-Geber, z.B. einen Piezowandler (278) gegeben und somit in beide Richtungen „auf die Strecke (275) und (274) geschickt". Dieses Signal erfährt bis zu den Empfängern (279) bzw. (280) eine von der Länge dieser Strecke abhängige Phasenverschiebung.One of the two signal frequencies, here it is (chosen arbitrarily) fs = f + df is applied to the US encoder, e.g. a piezo transducer ( 278 ) given and thus in both directions "on the route ( 275 ) and ( 274 ) sent ". This signal is sent to the receivers ( 279 ) or (280) a phase shift dependent on the length of this distance.

Hier wird z.B. ein Rohr (271) angenommen, in dem sich das Signal ausbreiten kann und durch das ein beliebiges Medium fließt. Bei einer Bewegung dieses Mediums mit der Geschwindigkeit v verändert sich die Schallgeschwindigkeit durch Überlagerung in beiden Richtungen unterschiedlich (einmal um v erhöht, einmal erniedrigt), die bei (279) bzw. (280) empfangenen und (in (272) bzw. (273) verstärkten) Signale zeigen daher eine von v abhängige Phasenverschiebung.Here, for example, a pipe ( 271 ) assumed, in which the signal can spread and through which any medium flows. When this medium moves at speed v, the speed of sound changes differently due to superimposition in both directions (once increased by v, once decreased). 279 ) respectively. ( 280 ) received and (in ( 272 ) respectively. ( 273 ) amplified) signals therefore show a phase shift dependent on v.

Somit steht die US-Signalfrequenz drei mal zur Verfügung; einmal vor dem Aussenden (Ausgang des Generators G2 (276)) und zweimal nach dem Durchlaufen der Messstrecke in beiden Richtungen.The US signal frequency is thus available three times; once before sending (exit of the Generator G 2 ( 276 )) and twice after passing through the measurement section in both directions.

Diese Signale werden jetzt mit der zweiten Frequenz fg des Generators G1 (277) in den Summierern (269), (268) und (267) überlagert (wieder sind hier Abtastung und Mischung gleichwertig möglich), d.h. es stehen bei (283), (282) und (281) drei Schwebungssignale, dargestellt in (261), (262) und (265), die in ihrer gegenseitigen Phasenverschiebung die Phasenverschiebung wiederspiegeln, die sich in der US-HF beim Durchlaufen der Strecke, zuzüglich einer gerätebedingten Verzögerung untereinander und gegenüber dem Startpunkt ergeben hat. Diese Phasenverschiebungen in den Schwebung stellt die parametrisch verstärkte Laufzeitdifferenz der US-Signalfrequenz dar. Diese ist jetzt wesentlich leichter und zudem hochgenau zu messen.These signals are now with the second frequency f g of the generator G 1 ( 277 ) in the summers ( 269 ), ( 268 ) and ( 267 ) overlaid (again, sampling and mixing are equally possible here), ie 283 ), ( 282 ) and ( 281 ) three beat signals shown in ( 261 ), ( 262 ) and ( 265 ), which in their mutual phase shift reflect the phase shift that has occurred in the US HF when crossing the route, plus a device-related delay to each other and to the starting point. These phase shifts in the beat represent the parametrically amplified transit time difference of the US signal frequency. This is now much easier and, moreover, can be measured with high precision.

Die Schwebung (265) stellt mit Ihrer Phasenlage „vor dem Aussenden" praktisch die Referenz für die anderen Schwebungen dar. Die Phasenverschiebung (270) ergibt sich aus der Laufzeit für die Schallausstrahlung in Richtung der Bewegung des Mediums, die Phasenverschiebung (266) ergibt sich aus der Differenz zwischen den beiden Schallgeschwindigkeiten. Da die technisch bedingten Phasenverschiebungen der Aufnehmer rechts und links (einschließlich Verstärkungsanordnung usw.) in etwa gleich sein werden, heben sich diese Effekte in der Phasendifferenz wieder auf; d.h.: ist die Geschwindigkeit v = 0, dann müsste die Phasendifferenz (266) Null sein. Dies erlaubt die einfache Eichung der Messanordnung.The beat ( 265 ) with its phase position "before transmission" practically represents the reference for the other beats. The phase shift ( 270 ) results from the running time for the sound radiation in the direction of the movement of the medium, the phase shift ( 266 ) results from the difference between the two speeds of sound. Since the technically determined phase shifts of the pickups on the right and left (including amplification arrangement etc.) will be approximately the same, these effects cancel each other out in the phase difference; ie: if the velocity v = 0, then the phase difference ( 266 ) Be zero. This allows the measuring arrangement to be easily calibrated.

Ein paar „Randbedingungen" in solchen einfach erscheinenden Anordnungen sind allerdings zu beachten bzw. sind durch die Anordnung entweder zu erfüllen, oder in der Beschreibung zu modifizieren:
Die in den Darstellungen bisher stillschweigend angenommenen, vollständigen Schwebungen (261), (262) oder (265) sind normalerweise niemals gegeben, weil bei der Summenbildung in (268) oder (267) i.a. nicht mit Signalen gleicher Amplitude gearbeitet werden kann. Durch die Überbrückung der Strecke entsteht eine Dämpfung des hindurchgehenden Signals. Das von den Verstärkern (273) oder (272) abgegebene Signal wird kleiner (evtl. auch größer) sein, als das bei (278) aufgeschaltete. Selbst nach einer „geeigneten" Verstärkung werden diese beiden Pegel i.a. unterschiedlich sein.
However, a few “boundary conditions” in such simple-looking arrangements have to be observed or can either be fulfilled by the arrangement or modified in the description:
The complete beatings so far tacitly assumed in the illustrations ( 261 ), ( 262 ) or ( 265 ) are normally never given because when adding up in ( 268 ) or ( 267 ) generally cannot work with signals of the same amplitude. By bridging the route, the passing signal is damped. That from the amplifiers ( 273 ) or ( 272 ) the signal given will be smaller (possibly larger) than that of ( 278 ) activated. Even after "suitable" amplification, these two levels will generally be different.

Damit ist die Schwebung aber nicht vollständig, der Nulldurchgang „verschmiert" gewissermaßen und es sind daher entsprechende Nulldurchgangsdetektoren bzw. – Detektionsstrategien zu entwickeln.But that's not the beat Completely, the zero crossing "smeared" so to speak and there are therefore corresponding zero crossing detectors or detection strategies to develop.

Die Auswirkung dieses Effektes wird durch 15 dargestellt. Links ist die vollständige Schwebung (226) dargestellt, die sich z.B. bei (269) in 18 noch relativ einfach realisieren lässt, weil die beiden Signale der Generatoren (277) und (276) mit gleicher Amplitude erzeugbar sein dürften. Der Nulldurchgang (228) des Überlagerungssignals in 15 links ist scharf ausgeprägt.The impact of this effect is through 15 shown. On the left is the full beat ( 226 ), which can be found at ( 269 ) in 18 can be realized relatively easily because the two signals from the generators ( 277 ) and ( 276 ) can be generated with the same amplitude. The zero crossing ( 228 ) of the beat signal in 15 left is sharp.

In der 15 rechts ist das Bild einer Überlagerung von Signalen mit unterschiedlichen Amplituden dargestellt. Nach dein Empfang liegen die Signale mit ungewisser Amplitude vor. Soll die Phasenmessung z.B. durch die Lage der Minima in den beiden Schwebungen bestimmt werden, so wie das in 18 dargestellt ist, dann wäre das an dem Signal derIn the 15 on the right is the image of a superimposition of signals with different amplitudes. After your reception, the signals are available with an uncertain amplitude. If the phase measurement is to be determined, for example, by the position of the minima in the two beatings, as in 18 is shown, that would be the signal of the

15 rechts mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Mit den folgenden Methoden kann das besser beherrscht werden. 15 on the right associated with some difficulties. This can be mastered better with the following methods.

Sucht man nach weiteren Möglichkeiten zur Erzeugung einer parametrischen Phasenzeitverstärkung, so sind zunächst geeignete andere Signale zu suchen. 16 zeigt z.B. vergleichend eine der Schwebungsbildung gleiche Signalverarbeitung, wenn dazu ausschließlich digitale Signale verwendet werden.If you are looking for other options for generating a parametric phase-time gain, you should first look for suitable other signals. 16 shows, for example, a signal processing which is the same as the beat formation if only digital signals are used for this purpose.

16 zeigt für den Vergleich oben noch einmal die Entstehung einer vollständigen Schwebung, d.h. die summierten (oder subtrahierten) Sinusfunktionen bei (200) und (201) sind in ihrer Amplitude gleich. In den Zeitabschnitten (202) und (219) sind diese Sinussignale mit unterschiedlichem Zeitmaßstab dargestellt. Im Zeitabschnitt (202) sind einzelne Schwingungen dargestellt; oben die kleinere Frequenz (größere Periode), unten die geringfügig größere (Periodenunterschied dT (203)). Im Zeitabschnitt (219) sind einzelne Sinusschwingungen auf Grund des gewählten Maßstabes nicht mehr erkennbar. 16 shows again for the comparison above the formation of a complete beat, ie the summed (or subtracted) sine functions at ( 200 ) and ( 201 ) have the same amplitude. In the periods ( 202 ) and ( 219 ) these sine signals are shown with different time scales. In the period ( 202 ) individual vibrations are shown; above the smaller frequency (larger period), below the slightly larger (period difference dT ( 203 )). In the period ( 219 ) individual sine waves are no longer recognizable due to the selected scale.

Diese beiden Signale werden bei (200) und (201) einer Additionsstufe (204) zugeführt und als Summe (oder als Differenz) bei (205) bereitgestellt. Im Ergebnis ergibt sich die Schwebung mit Maximum bei (222). Ziel für eine Phasenmessung ist die möglichst genaue Detektion des Minimums ((221) Nulldurchgang) dieser Schwebung oder des Maximums, um damit die Phasenlage zu einer anderen Schwebung – wie z.B. in 10 dargestellt – bestimmen zu können.These two signals are used at ( 200 ) and ( 201 ) an addition level ( 204 ) and as a sum (or as a difference) at ( 205 ) provided. The result is the beat with maximum at ( 222 ). The aim for a phase measurement is to detect the minimum as accurately as possible (( 221 ) Zero crossing) of this beat or of the maximum in order to change the phase position to another beat - as eg in 10 shown - to be able to determine.

Unterhalb dieser Schwebung in 16 sind vier Einzelschwingungsrelationen mit einer Positionszuordnung zu der Schwebung dargestellt.Below this beat in 16 Four individual vibration relationships are shown with a position assignment to the beat.

Die Phasenlage der beiden Sinusschwingungen im Bereich (206) ist so, dass sie sich (gleiche Amplituden vorausgesetzt) praktisch gegenseitig aufheben; im Ergebnis ergibt sich daher das Minimum der Schwebung bei (221).The phase position of the two sine waves in the range ( 206 ) is such that they virtually cancel each other out (provided the same amplitudes); the result is therefore the minimum of the beat at ( 221 ).

Auf Grund der unterschiedlichen Periode der beiden addierten Sinussignale verschieben sich die Einzelschwingungen fortlaufend weiter gegeneinander. (207) zeigt einen Zwischenzustand mit einer Zuordnung zur dort ansteigenden Amplitude der Schwebung.Due to the different period of the two added sinusoidal signals, the individual vibrations continuously shift towards each other. ( 207 ) shows an intermediate state with an assignment to the amplitude of the beat increasing there.

Die Verschiebung zwischen den Sinussignalen läuft weiter, die Amplitude der Summenfunktion nimmt kontinuierlich weiter zu und erreicht bei (222) durch die bei (208) jetzt gleiche Lage der beiden Sinusfunktionen das Maximum. Ab jetzt nimmt die Amplitude der Schwebung wieder ab und erreicht über das bei (209) dargestellte Zwischenstadium, bei abnehmender Amplitude erneut das nächste Minimum der Schwebung.The shift between the sinusoidal signals continues, the amplitude of the sum function continues to increase and reaches ( 222 ) by the at ( 208 ) now the same position of the two sine functions the maximum. From now on the amplitude of the beat decreases again and reaches 209 ) darge placed intermediate stage, with decreasing amplitude again the next minimum of the beat.

16 zeigt unten ein (fast) gleiches Verhalten von digitalen Signalen. 16 shows (almost) the same behavior of digital signals below.

Im Bereich (213) bzw. (220) sind zwei digitale Signale dargestellt, wie das vergleichbar in den Bereichen (202) bzw. (219) mit den Sinusfunktionen gezeigt worden ist. Die Perioden dieser digitalen Signale seien den Perioden der oben dargestellten Sinussignale gleich, die Zeitdifferenz zwischen den beiden Perioden ist also auch hier wieder dT (210). Im Bereich (220) sind diese Einzelschwingungen auf Grund des Zeitmaßstabes wieder nicht zu erkennen.In the area ( 213 ) respectively. ( 220 ) two digital signals are shown, as is comparable in the areas ( 202 ) respectively. ( 219 ) has been shown with the sine functions. The periods of these digital signals are the same as the periods of the sine signals shown above, so the time difference between the two periods is again dT ( 210 ). In the area ( 220 ) these individual vibrations are again not recognizable due to the time scale.

Diese beiden digitalen Signale werden jetzt einmal – bei (211) – auf den D-Eingang eines D-F1ipFlops (D-FFs) (214) gegeben, das andere digitale Signal (212) zum anderen als Takt für dieses D-FF genutzt. Ausgang des D-FFs ist der Q-Ausgang (215) und liefert das dort dargestellte digitale Signal (gekennzeichnet durch (216), (217), (218) und (223)).These two digital signals are now once - at ( 211 ) - to the D input of a D-F1ipFlop (D-FFs) ( 214 ) given the other digital signal ( 212 ) secondly used as a clock for this D-FF. The output of the D-FF is the Q output ( 215 ) and supplies the digital signal shown there (marked by ( 216 ), ( 217 ), ( 218 ) and ( 223 )).

Oberhalb dieser Darstellung dieses Signals (Q-Ausgang des D-FFs (215)) sind die Zeitzuordnungen von Einzelschwingungen bei den digitalen Signale dargestellt, die Kennzeichnungen (224) und (225) stellen die Zuordnung zu den vergleichbaren Zeitkoordinaten her, die auch oben bei den Sinusfunktionen verwendet werden. Die jeweilige Zuordnung der beiden digitalen Signale zum D-FF sei so, wie am D-FF (214) gezeigt: das jeweils untere Signal wird als Takteingang verwendet, das jeweils obere liegt am D-Eingang des D-FFs.Above this representation of this signal (Q output of the D-FF ( 215 )) the time assignments of individual vibrations for the digital signals are shown, the markings ( 224 ) and ( 225 ) make the assignment to the comparable time coordinates, which are also used above for the sine functions. The respective assignment of the two digital signals to the D-FF is as described on the D-FF ( 214 ) shown: the lower signal is used as a clock input, the upper signal is at the D input of the D-FF.

Wie man durch Vergleich sehen kann, sind die Phasenlagen der Signale in den Abschnitten (206), (207), (208) und (209) bei den Sinussignalen die gleichen, wie bei den digitalen Signalen; das digitale Signal ist jeweils 1 (high), wenn der Wert der Sinusfunktion > 0 ist und jeweils 0 (low), wenn der Sinuswert < 0 ist.As can be seen by comparison, the phase positions of the signals in the sections ( 206 ), ( 207 ), ( 208 ) and ( 209 ) the same for the sinusoidal signals as for the digital signals; the digital signal is 1 (high) if the value of the sine function is> 0 and 0 (low) if the sine value is <0.

Die Phasenlage der beiden digitalen Signale bei (206) ist so, dass die positive Flanke am Takteingangs (212) vom D-FF (Trace zu (225) unten, Flankenzeitpunkt jeweils durch Pfeil gekennzeichnet) gerade das High-Signal des am D-Eingang (211) liegenden Signals „erwischt", dieses also auf den Q-Ausgang (215) des D-FF (214) legen wird.The phase relationship of the two digital signals at ( 206 ) is such that the positive edge at the clock input ( 212 ) from D-FF (trace to ( 225 ) below, edge time indicated by arrow) just the high signal of the at the D input ( 211 ) lying signal "caught", that is, on the Q output ( 215 ) of the D-FF ( 214 ) will lay.

Dies soll in der Darstellung gerade die Flanke (216) erzeugen. Durch die kleinere Periode des jeweils unteren Signals wandert die pos. Taktflanke immer weiter in den High-Bereich des oberen Signals. (207) zeigt wieder ein Zwischenstadium dieser Phasenlage; es entspricht der oben dargestellten Sinus-Phasenlage und erzeugt jetzt den Zustandszeit- und Signalpunkt (223) am Ausgang (215) des D-FFs.In the illustration, this is precisely the flank ( 216 ) produce. Due to the shorter period of the lower signal, the pos. Clock edge continues into the high range of the upper signal. ( 207 ) shows an intermediate stage of this phase position; it corresponds to the sine phase position shown above and now generates the state time and signal point ( 223 ) at the exit ( 215 ) of the D-FF.

Die Flanke des Taktzeitpunktes verzögert sich durch die kleinere Periode fortlaufenden weiter gegenüber dem Signal am D-Eingang (211) des D-FFs (214). Im Bereich (208) ist wieder die Phasenlage der beiden digitalen Signale – vergleichbar mit den darüber gezeigten Sinussignalen – dargestellt und diese Phasenlage erzeugt jetzt gerade die neg. Flanke (217) im Signal am Ausgang (215) des D-FFs. So geht das jetzt mit Low-Signal am D-Eingang – weiter.The edge of the clock instant is continuously delayed due to the smaller period compared to the signal at the D input ( 211 ) of the D-FF ( 214 ). In the area ( 208 ) the phase position of the two digital signals is shown again - comparable to the sinusoidal signals shown above - and this phase position now generates the negative edge ( 217 ) in the signal at the output ( 215 ) of the D-FF. So it goes now with a low signal at the D input - continue.

Bei (218) stellt sich die nächste positive Flanke am Ausgabe des D-FFs ein. Das digitale Signal am Ausgang des D-FFs entspricht damit (fast) vollständig einer Schwebungserzeugung mit Sinusfunktionen und erlaubt in exakt gleicher Weise die Ausbildung einer parametrischen Verstärkung, jetzt aber mit digitalen Signalen.At ( 218 ) the next positive edge occurs at the output of the D-FF. The digital signal at the output of the D-FF thus corresponds (almost) completely to beat generation with sine functions and allows the formation of a parametric gain in exactly the same way, but now with digital signals.

Vergleicht man den zeitlichen Verlauf der Schwebung oben (222) mit dem des unten dargestellten digitalen Signals des D-FFs-Ausgangs der „digitalen Schwebung", dann kann man erkennen:If you compare the time course of the beat above ( 222 ) with the digital signal of the D-FFs output of the "digital beat" shown below, then you can see:

  • 1. Der Nulldurchgang der Schwebung (221) (verursacht durch die Phasenlage der Sinussignale bei (206)) entspricht der Flanke (216) im digitalen Signal (verursacht durch die Phasenlage der digitalen Signale bei (206)).1. The zero crossing of the beat ( 221 ) (caused by the phase position of the sine signals at ( 206 )) corresponds to the edge ( 216 ) in the digital signal (caused by the phase relationship of the digital signals at ( 206 )).
  • 2. Das Maximum der Schwebung (222) (verursacht durch die Phasenlage der Sinussignale bei (208)) entspricht der Flanke (217) im digitalen Signal (verursacht durch die Phasenlage der digitalen Signale bei (208)).2. The maximum of the beat ( 222 ) (caused by the phase position of the sine signals at ( 208 )) corresponds to the edge ( 217 ) in the digital signal (caused by the phase relationship of the digital signals at ( 208 )).
  • 3. Der nächste Nulldurchgang der Schwebung, entspricht der Flanke (218) im digitalen Signal.3. The next zero crossing of the beat corresponds to the edge ( 218 ) in the digital signal.
  • 4. Die Zeit in der Schwebung vom Nulldurchgang (221) bis zum nächsten Nulldurchgang entspricht einer halben Periode der Hüllkurve in dieser Schwebung, aber einer vollen Periode in dem „digitalen Schwebungssignal". Verglichen mit der analogen Schwebung ist der zeitlichen Übersetzungsfaktor in der digitalen Form also nur halb so groß.4. The time in the beat from the zero crossing ( 221 ) until the next zero crossing corresponds to half a period of the envelope in this beat, but a full period in the "digital beat signal". Compared to the analog beat, the temporal translation factor in the digital form is therefore only half as large.

Bis auf diesen Faktor 2 unterscheidet sich aber die digital erzeugte Schwebung nicht von einer mit Sinusfunktionen erzeugten. Dieses mittels D-FF aus zwei hochfrequenten, digitalen Signalen erzeugte Ausgangssignal (215) wird daher im folgenden als digitale Schwebung bezeichnet.Apart from this factor 2, the digitally generated beat does not differ from that generated with sine functions. This output signal generated from D-FF from two high-frequency digital signals ( 215 ) is therefore referred to below as digital beat.

Auch das Phänomen der parametrischen Verstärkung durch Unterabtastung ist auf diese Weise digital nachbildbar bzw. interpretierbar: betrachtet man die Wirkung der Flanke am Takteingang des D-FF als „Abtastvorgang" des Funktionswertes am D-Eingang, dann ist die Analogie sofort ersichtlich.Also the phenomenon of parametric gain through Undersampling can be digitally reproduced or interpreted in this way: one considers the effect of the edge at the clock input of the D-FF as a "scanning process" of the function value at the D input, the analogy is immediately apparent.

Ein D-FF (214) kann also in der digitalen Welt eine parametrische Phasenzeit-Verstärkung oder auch eine Unterabtastung realisieren, so wie ein Summieren oder eine Subtraktionsstufe bzw. ein Abtasten dies in der analogen Welt mit Sinusfunktionen kann. Daß die Wirkung der Phasenverschiebung eines digitalen hochfrequenten Signals auf die digitale Schwebung die gleiche ist, wie in der analogen Welt, impliziert der gezeigte Vergleich und ist in einer Realisation leicht nachzuvollziehen; (tatsächlich kann man das auch wieder mathematisch zeigen).A D-FF ( 214 ) can therefore implement parametric phase time amplification or undersampling in the digital world, just as summing or subtraction levels or sampling can do this in the analog world with sine functions. That implies that the effect of the phase shift of a digital high-frequency signal on the digital beat is the same as in the analog world Comparison and is easy to understand in a realization; (in fact you can show that mathematically again).

Vorteil der digitalen Realisation ist aber, dass bei digitalen Signalen keine Probleme durch unterschiedliche Amplituden der Signale entstehen und zudem ein Nulldurchgang durch die eine Form der Flanken in der digitalen Schwebung (hier die pos. Flanke (216) bzw. (218)) unmittelbar und direkt vorliegt, das jeweilige Maximum durch die andere Form (hier die neg. Flanke (217)).The advantage of digital implementation is, however, that with digital signals no problems arise due to different amplitudes of the signals and also a zero crossing through the one form of the edges in the digital beat (here the positive edge ( 216 ) respectively. ( 218 )) is present immediately and directly, the respective maximum through the other form (here the neg. flank ( 217 )).

Der operative Prozess der digitalen Schwebungsbildung durch das D-FF liefert also direkt und unmittelbar durch die Flankenzeitpunkte die Stelle eines Maximum- bzw. des Minimum-Äquivalents, das in der analogen Anordnung erst durch eine zusätzliche Detektionsoperation ermittelt werden kann. (Die auch untersuchten Möglichkeiten, zur Schwebungsnachbildung statt der D-FFs z.B. AND- oder XOR-Gatter mit anschließender Integration einzusetzen, zeigen derart gravierende Nachteile, dass eine nähere Beschreibung hier unterbleiben kann).The operational process of digital Beat formation by the D-FF delivers directly and immediately by the edge times the place of a maximum or minimum equivalent, which in the analog Order only by an additional Detection operation can be determined. (They also examined Possibilities, for beat simulation instead of D-FFs e.g. AND or XOR gates with following Using integration shows such serious disadvantages that a closer Description can be omitted here).

Der direkte Einsatz digitaler Signale in der Messstrecke ist manchmal, aber nicht immer möglich. Zur Realisation einer beliebig gearteten Anwendung wird man daher entweder die vorliegenden Sinusfunktionen digital abbilden müssen (z.B. durch Komparator- bzw. Schmitt-Trigger-Funktionen aus den Sinussignalen mit der Frequenz f + df gewinnen) oder bei vorgegebenen digitalen Signalen, die evtl. für die Messung (z.B. in einem linearen Netzwerk) als solche benötigten sinusförmigen Signale, aus den digitalen (z.B. durch Filterung) erst noch gewinnen müssen. Dies ist je nach Einzellösung unterschiedlich anzugehen.The direct use of digital signals in the measuring section is sometimes, but not always possible. For realization Any application is therefore either the present Must map sine functions digitally (e.g. by comparator or Schmitt trigger functions from the sinusoidal signals with the frequency f + df) or at predefined digital signals, which may be used for the measurement (e.g. in a linear network) as such need sinusoidal signals, still have to win from the digital ones (e.g. through filtering). This depends on the individual solution approach differently.

Mit dieser bis jetzt entwickelten Methodenvielfalt kann die Aufgabe einer Phasenmessung angegangen werden. 14 zeigt den bisher dargestellten Stand der Dinge auf und stellt die prinzipiellen Lösungsstrukturen einer Messung der Phasenlaufzeit mittels HF-Signalen vor.With this variety of methods developed so far, the task of phase measurement can be tackled. 14 shows the current state of affairs and presents the basic solution structures for measuring the phase delay using RF signals.

In dieser 14 sind die grundsätzlichen Anordnungen für die analoge (oben) und die digitale Form (unten) einer Schwebungsausbildung gezeigt. Für die hier primär zu sehenden Aufgabe ist die sensorische Anordnung lediglich durch die Blöcke (240) bzw. (250) dargestellt. Der Einsatz einer Messbrücke ist wieder so, wie bereits in 9 gezeigt, einem solchen Block zuzuordnen.In this 14 the basic arrangements for the analog (top) and digital (bottom) form of beat training are shown. For the primary task here, the sensory arrangement is only determined by the blocks ( 240 ) respectively. ( 250 ). The use of a measuring bridge is again the same as in 9 shown to assign such a block.

Links sind (willkürlich) zwei der Darstellungen (231) bzw. (241) zur Erzeugung benachbarter Frequenzen f und f + df gezeigt; dies könnte hier aber auch einfach durch die Vorgabe zweier Generatoren vorgegeben werden. Das jeweils auf die Meßanordnung (240) bzw. (250) geschaltete Signal kann das vor der Filterung (232) bzw. (233) vorliegende sein, oder so, wie hier dargestellt, das bereits gefilterte. Welche Frequenz dabei zum Einsatz kommt, also f oder f + df ist ebenso frei wählbar.On the left are (arbitrarily) two of the representations ( 231 ) respectively. ( 241 ) shown to generate adjacent frequencies f and f + df; this could also be specified here simply by specifying two generators. That in each case on the measuring arrangement ( 240 ) respectively. ( 250 ) switched signal can before filtering ( 232 ) respectively. ( 233 ) be present, or so, as shown here, the already filtered. Which frequency is used, i.e. f or f + df can also be freely selected.

Für eine bei der Überlagerung mit Sinusfunktionen arbeitende Anordnung (14 oben) ist das zur Überlagerung verwendete Signal, das an verschiedenen Stellen „deformiert werden könnte" evtl. zuvor für die Überlagerung in den Summierstufen (234) und (235) (wie immer sind auch hier wieder Differenzbildner, Abtastung oder Mischung möglich) zuvor durch entsprechend eng dimensionierte Filter (232) und (233) wieder auf reine Sinusform zu bringen und sind auch natürlich entsprechend zu verstärken (238).For an arrangement working in the superposition with sine functions ( 14 above) is the signal used for the superimposition, which "could be deformed" at various points, possibly beforehand for the superimposition in the summation stages ( 234 ) and ( 235 ) (as always, differentiators, sampling or mixing are possible again) beforehand using appropriately narrow filters ( 232 ) and ( 233 ) to bring them back to a pure sinus shape and of course to be strengthened accordingly ( 238 ).

Nutzt man in dieser Anordnung (statt der Summationsstufen (234) und (235)) die beschriebene alternative Möglichkeit der Unterabtastung (die Summenbildner (234) bzw. (235) sind durch Abtaststufen zu ersetzen), oder eine Mischung (in diesem Fall sind stattdessen multiplikativ arbeitende Stufen mit folgender Filterung einzusetzen), dann kann die gezeigte Filterung evtl. auch entfallen.If one uses in this arrangement (instead of the summation levels ( 234 ) and ( 235 )) the described alternative possibility of subsampling (the totalizers ( 234 ) respectively. ( 235 ) are to be replaced by sampling stages), or a mixture (in this case multiplicative stages with the following filtering should be used instead), then the filtering shown may possibly also be omitted.

Die Ausgänge der Stufen (234) und (235) liefern die beiden parametrisch verstärkten, in ihrer Phasenlage zueinander auszuwertenden, im allgemeinen aber nicht vollständige Schwebungs- bzw. Überlagerungssignale bzw. die durch Unterabtastung bzw. durch Mischung gewonnen Signale. Im allgemeinen ist dazu zuvor noch eine Aufbereitung (237) notwendig. Wie diese auszusehen hat, hängt von den allgemeinen Bedingungen der jeweiligen Anwendung ab und ist nur von Fall zu Fall festzulegen.The outputs of the stages ( 234 ) and ( 235 ) provide the two parametrically amplified, in terms of their phase relationship to each other, but generally not complete beat or superposition signals or the signals obtained by undersampling or by mixing. In general, this requires a preparation ( 237 ) necessary. How this should look depends on the general conditions of the respective application and is only to be determined on a case-by-case basis.

Im allgemeinen wird bei Überlagerungssignalen eine Demodulation des Schwebungs- bzw. Überlagerungssignal sinnvoll sein, bei einer Mischung eine Filterung, und sodann die Wandlung des gewonnenen niederfrequenten Signals in eine digitale Form (z.B. Schmitt-Trigger-Stufen). Da hier der digitalen Auswertung der Vorzug gegeben wird, wird diese Stufe (237) nicht weiter untersucht; lediglich wird durch das Diodensymbol und durch die Hysterese (z.B. eines Schmitt-Triggers) diese Funktionalität des Blocks (237) angedeutet.In general, a demodulation of the beat or superposition signal will be useful in the case of heterodyne signals, filtering in the case of a mixture, and then the conversion of the low-frequency signal obtained into a digital form (for example, Schmitt trigger stages). Since digital evaluation is preferred here, this stage ( 237 ) not investigated further; this functionality of the block (only by the diode symbol and by the hysteresis (e.g. of a Schmitt trigger) 237 ) indicated.

Gerade diese Stufe (237) ist aber die, die bei einem unvollständigen Überlagerungssignal (vgl. 15 rechts) die Probleme einer genauen Minimumerkennung lösen müßte. Und dies wird mit der digitalen Lösung gar nicht erst auftreten.This stage ( 237 ) is, however, the one with an incomplete heterodyne signal (cf. 15 right) would have to solve the problems of accurate minimum detection. And this will not even happen with the digital solution.

14 zeigt unten die gleiche Anordnung wie zuvor, nur jetzt unter der Annahme einer digitalen Schwebungsbildung. Wie oben bei Vergleich der digitalen und analogen Schwebungsbildner gezeigt, kommt hierbei satt der Summationsstufen jeweils ein D-FF (244) bzw. (245) zum Einsatz. Ist es notwendig oder unumgänglich, die Messung auf dem Kanal (250) mit Sinussignalen auszuführen, dann sind zuvor die an den Enden der Strecke stehenden Sinussignale auf eine digitale Form zu bringen (oder umgekehrt aus der digitalen Signalvorgabe die Sensormesssignale z.B. durch Filterung zu gewinnen). Dies ist von Fall zu Fall sinnvoll zu modifizieren. 14 shows the same arrangement below as before, only now assuming digital beat formation. As shown above when comparing the digital and analog beat formers, there is a D-FF (instead of the summation levels) 244 ) respectively. ( 245 ) for use. If it is necessary or inevitable, the measurement on the channel ( 250 ) with sinusoidal signals, then the sinusoidal signals at the ends of the line must be converted to a digital form beforehand (or vice versa, the sensor measurement signals can be obtained from the digital signal specification, for example by filtering). This should be modified on a case-by-case basis.

(Hier werden technische Grenzen sichtbar, weil die eingesetzten D-FFs und alle anderen Stufen natürlich die eingesetzten Frequenzen verarbeiten können müssen. Liegen die Frequenzen zu hoch, bleibt nur die oben gezeigte Methode der Mischung).(Here technical limits become visible, because the D-FFs used and all other levels na must be able to process the frequencies used. If the frequencies are too high, only the method of mixing shown above remains).

Ebenso austauschbar ist an sich die Signalherkunft für Taktsignal und D-Eingang der D-FFs, zumindest wenn diese ein exaktes 1:1-Pulspause:Pulsdauer-Verhältnis haben. Sollte das nicht der Fall sein, kann eine zuvor mit einem D-FF auf halbe Frequenz untersetzte Signalaufbereitung dieses 1:1-Verhältnis erzwingen. Da das D-FF nur auf die Taktflanke reagiert, reicht es, dieses Verhältnis für das Signal zu fordern, das den D-Eingang beschickt.In itself, the is also interchangeable Signal origin for Clock signal and D input of the D-FFs, at least if this is an exact one 1: 1 pulse pause duration of the pulse-ratio to have. If this is not the case, you can use a D-FF signal processing reduced to half the frequency enforce this 1: 1 ratio. Since the D-FF only responds to the clock edge, this ratio is sufficient for the signal to request that feed the D-entrance.

Hier in der 14 unten wird zur Frequenzerzeugung die Stufe (241) verwendet, in der das HF-Signal bereits digital zum Einsatz zur Schalteransteuerung vorliegt (vgl. 13 und Beschreibung). Das dazu gehörende (Sinus-)Signal zeigt ein solches 1:1-Verhältnis und wird daher auch direkt zur D-Ansteuerung (243) der D_FFs (244) genutzt.Here in the 14 Below is the frequency generation stage ( 241 ) in which the RF signal is already available digitally for use in switch control (cf. 13 and description). The associated (sine) signal shows such a 1: 1 ratio and is therefore also used for D control ( 243 ) of the D_FFs ( 244 ) used.

Das auf die Messstrecke geschaltete Meßsignal wird also nur noch bezogen auf die Laufzeiteigenschaft einer Signalflanke zur Laufzeit- bzw. Phasenmessung eingesetzt (dies entspricht daher eher der oben erwähnten digitalen Abtastung); ein Umstand der sich in den meisten Anwendungsfällen als sehr nützliche Eigenschaft für die Meßanordnung bzw. Auswertung herausgestellt hat. Oftmals ist daher die hier gezeigte Filterung (242) zur Ausbildung reiner Sinussignale gar nicht mehr nötig.The measurement signal connected to the measurement section is therefore only used in relation to the transit time property of a signal edge for transit time or phase measurement (this therefore corresponds more to the digital sampling mentioned above); a fact that has proven to be a very useful property for the measurement arrangement or evaluation in most applications. The filtering shown here is therefore often ( 242 ) is no longer necessary to form pure sine signals.

Bleibt als letztes, die Auswertung (239) bzw. (249) in der 14 zu beschreiben.The last thing that remains is the evaluation ( 239 ) respectively. ( 249 ) in the 14 to describe.

17 zeigt die hier bevorzugt eingesetzte, einfache, digitale Aufbereitung der Phaseninformation zwischen den beiden Schwebungssignalen durch einen Start-Stop-Zählvorgang durch die entsprechenden Signale und der dazu benötigten digitalen Logik. 17 shows the simple, digital processing of the phase information between the two beat signals which is preferably used here by means of a start-stop counting process by means of the corresponding signals and the digital logic required for this.

Die Signale (252) und (253) (diese Bezeichnung wird sowohl für die Leitung der Logik oben rechts, als auch für die Signaldarstellung links verwendet) zeigen die digitalen Schwebungssignale, so wie sie von den D-FFs der 14 (244) bzw. (245) geliefert werden bzw. so wie sie aus den Schwebungssignalen nach Aufbereitung in (237) zur Verfügung stehen. Da die Phaseninformation sich in den Flankenabständen der digitalen Schwebungssignale befindet, sind diese Abstände (17, (255) bzw. (256)) zu messen.The signals ( 252 ) and ( 253 ) (this designation is used both for the management of the logic at the top right, as well as for the signal representation on the left) show the digital beat signals as they are used by the D-FFs of the 14 ( 244 ) respectively. ( 245 ) are delivered or as they result from the beat signals after processing in ( 237 ) be available. Since the phase information is in the edge distances of the digital beat signals, these distances ( 17 , ( 255 ) respectively. ( 256 )) to eat.

Das XOR-Gatter (258) erzeugt aus diesen Signalen bei Ungleichheit ein high-Signal bei (251) immer dann, wenn auch Signal (253) auf high liegt. (Ziel der Messung ist hier, den Abstand 255 zu erfassen; (256) kann durch Austausch der entsprechenden Signale (252) und (253) gemessen werden). Wird ein hochfrequenter Takt bei (254) angelegt, dann wird in der Zeit des Abstandes (255) dieser Takt am Ausgang der AND-Gatter-Kombination (257) bei (236) bereitgestellt.The XOR gate ( 258 ) generates a high signal from these signals in the event of inequality ( 251 ) whenever, even if signal ( 253 ) is high. (The goal of the measurement here is the distance 255 capture; ( 256 ) can be replaced by exchanging the corresponding signals ( 252 ) and ( 253 ) be measured). If a high-frequency clock at ( 254 ), then in the time of the distance ( 255 ) this clock at the output of the AND gate combination ( 257 ) at ( 236 ) provided.

Die Anzahl dieser Takte liefert somit einen digitalen Wert für die Phasenlage zwischen den Schwebungssignalen und kann beliebig weiter verarbeitet werden. Da mit den in 17 gezeigten Signalen z.B. jederzeit eine direkte Mikroprozessoransteuerung möglich ist, stellen diese Signale eine ideale Schnittstelle zu einer Prozessor oder Rechnerstufe dar, deren Konstruktion aber vom eingesetzten Prozessor, Mikrokontroller oder DSP (Digitaler Signal-Prozessor) abhängig sein wird.The number of these cycles thus provides a digital value for the phase position between the beat signals and can be processed as desired. As with the in 17 shown signals, for example, direct microprocessor control is possible at any time, these signals represent an ideal interface to a processor or computer stage, the construction of which will depend on the processor, microcontroller or DSP (digital signal processor) used.

19 zeigt die Realisation einer Brückenuniversalauswertung unter Anwendung der parametrischen Verstärkung mit digitaler Verarbeitung in einer Mikrocontrollersteuerung. 19 shows the realization of a bridge universal evaluation using parametric amplification with digital processing in a microcontroller control.

Vorbedingung für diese Auslegung der Anordnung ist, dass der Mikrocontroller (441) zwei Digital-Analog-Wandler (DAC-)Kanäle zur Verfügung stellen kann und dass eine Zählerfunktion mit externem Takteingang (Eingang für die Leitung (409)) vorhanden ist. Die DAC-Ausgänge erzeugen die beiden Signale b (449) und 2a (448) die im Bereich (450) durch einfache invertierende Verstärker sowohl positiv als auch negativ zur Verfügung stehen.The prerequisite for this configuration of the arrangement is that the microcontroller ( 441 ) can provide two digital-to-analog converter (DAC) channels and that a counter function with an external clock input (input for the line ( 409 )) is available. The DAC outputs generate the two signals b ( 449 ) and 2a ( 448 ) in the area ( 450 ) are available both positively and negatively through simple inverting amplifiers.

Durch Abtastung in (97) werden diese Spannungen auf den virtuellen GND-Knoten (99) gelegt und bilden nach Filterung (429) eine Frequenz aus, die dicht neben der durch die Abtastfolgenperiode gegebenen Frequenz liegt. Die Abtastfolge selbst wird durch die Frequenz des Generators (405) und die Ansteuerungsstufe (442) zum Schalterblock (97) festgelegt; die Abtastfolgenfrequenz beträgt hier, bedingt durch die nacheinander anzusteuernden vier Schalter, ¼ der Generatorfrequenz. Diese „Arbeitsfrequenz" steht bei (443) zur Verfügung; die benachbarte Frequenz liegt nach Filterung in (429) als Messsignal vor.By scanning in ( 97 ) these voltages on the virtual GND nodes ( 99 ) and form after filtering ( 429 ) a frequency that is close to the frequency given by the scan sequence period. The sampling sequence itself is determined by the frequency of the generator ( 405 ) and the control level ( 442 ) to the switch block ( 97 ) fixed; the sampling sequence frequency here is ¼ of the generator frequency, due to the four switches to be controlled one after the other. This "working frequency" stands at ( 443 ) to disposal; after filtering, the adjacent frequency is in ( 429 ) as a measurement signal.

Dieses Signal wird in der Messung (425) eingesetzt und erfährt dadurch in (425) – z.B. eine Anordnung zur Laufzeitmessung – eine Phasenverschiebung. Zwischen den Signalen bei (446) und (447) besteht jetzt die zu messende Phasenverschiebung.This signal is used in the measurement ( 425 ) used and thus experiences in ( 425 ) - eg an arrangement for measuring the transit time - a phase shift. Between the signals at ( 446 ) and (447) the phase shift to be measured now exists.

(Wäre (425) eine Messbrücke, dann wäre z.B. aus dem nach (429) vorliegenden Messsignal zuvor durch eine 90° Phasenverschiebung eine Cosinuskomponente zu erzeugen, die zusammen zur Erregung der Brücke verwendet würden. Statt der Signale (446) und (447) wären in diesem Falle die Zweitabgriffe der Brücke – entsprechend aufbereitet – zu verwenden.(Would ( 425 ) a measuring bridge, then for example from ( 429 ) to generate a measuring signal from a 90 ° phase shift beforehand, which would be used together to excite the bridge. Instead of the signals ( 446 ) and ( 447 ) the second taps of the bridge - prepared accordingly - would have to be used in this case.

Die Zählerfunktion des DSPs muß hier die Taktgeschwindigkeit des Generators G2 (400) verarbeiten können; ist diese Generatorfrequenz für den Mikrocontroller zu hoch, dann muß in die Leitung (409) zwischen AND-Gatter (424) und Kontrollereingang ein schneller Zähler zur Untersetzung geschaltet werden und zudem müsste dieser Zählerstand vom Kontroller über einen freien Port einlesbar sein.The counter function of the DSP must be able to process the clock speed of the generator G 2 (400); if this generator frequency is too high for the microcontroller, then the line ( 409 ) between AND gate ( 424 ) and controller input a fast counter for reduction can be switched and this counter reading should also be readable by the controller via a free port.

In einigen Fällen wird man aber auch den Generator G2 (405) ganz einsparen können. Moderne Kontroller arbeiten oftmals mit Frequenzen deutlich oberhalb von 2MHz; das dazugehörige Clock-Management ist, unter Beschattung des Prozessors mit einem Quarz (428), selbst Teil der Kontrollerfunktionen und kann i.a. nach außen ausgekoppelt werden. In einigen Anwendungsfällen reicht diese Frequenz aus und kann also den Generator G2 komplett ersetzen.In some cases the generator G 2 ( 405 ) can save completely. Modern con trollers often operate at frequencies well above 2MHz; the associated clock management is shaded on the processor with a quartz ( 428 ), itself part of the controller functions and can generally be coupled outwards. In some applications, this frequency is sufficient and can therefore completely replace the G 2 generator.

In der Anordnung der 19 ist diese Generatorfrequenz so groß, dass der Quarztakt des Prozessors (441) für die Generierung der Messfrequenz nicht ausreicht, aber die Generatorfrequenz (405) vom externen Eingang eines internen Timers und von der Ansteuerstufe (442) gerade noch verarbeitet werden kann (bei einem Prozessor mit einer Quarz- (428) bzw. Arbeitsfrequenz von z.B. 16MHz und einer G2-Frequenz von z.B. 100MHz).In the order of the 19 is this generator frequency so high that the quartz clock of the processor ( 441 ) is not sufficient for the generation of the measuring frequency, but the generator frequency ( 405 ) from the external input of an internal timer and from the control stage ( 442 ) can still be processed (with a processor with a quartz ( 428 ) or working frequency of e.g. 16MHz and a G 2 frequency of e.g. 100MHz).

Die Stufen, die in dieser 10 mit (406), (407), (408), (423) und (424) bezeichnet sind, bzw. die Signale (409), (430) entsprechen den Signalen der Darstellung der 17. Das Signal (409) in 19 entspricht den Signal (236) in 17 und gibt die Phasenverschiebungsdauer in Form eines Zählwertes zurück.The levels in this 10 With ( 406 ), ( 407 ), ( 408 ), ( 423 ) and ( 424 ) or the signals ( 409 ), ( 430 ) correspond to the signals of the representation of the 17 , The signal ( 409 ) in 19 corresponds to the signal ( 236 ) in 17 and returns the phase shift duration in the form of a count.

Das Signal (430) entspricht dem Signal (253); die abfallende Flanke löst hier einen IRQ (Interruptrequest) aus. Zu dem Zeitpunkt, wenn dieser Interrupt ausgelöst wird, sind der (im DSP ablaufende) Zählvorgang abgeschlossen, alle Einschwingvorgänge zur Ruhe gekommen und der interne Zählwert des Zählers (evtl. zusammen mit dem Wert des erwähnten externen, zusätzlich bei (409) eingeschalteten Zählers) steht als digitaler Wert der Phasenmessung bereit.The signal ( 430 ) corresponds to the signal ( 253 ); the falling edge triggers an IRQ (interrupt request). At the point in time when this interrupt is triggered, the counting process (running in the DSP) has been completed, all settling processes have come to a standstill and the internal count value of the counter (possibly together with the value of the mentioned external, additionally at ( 409 ) is switched on as a digital value of the phase measurement.

Wie zur 17 beschrieben, sind zur Ansteuerung der D-FFs (407) und (406) drei Signale nötig, hier (443), (444) und (445). (446) und (447) sind die Signale vor und nach dem Durchgang durch die Messstrecke (425), hier die Frequenz f + df (als Ausgang des Filters (429)).How to 17 for controlling the D-FFs ( 407 ) and ( 406 ) three signals necessary, here ( 443 ), ( 444 ) and ( 445 ). ( 446 ) and ( 447 ) are the signals before and after passing through the measurement section ( 425 ), here the frequency f + df (as output of the filter ( 429 )).

Diese Frequenz f + df (hier ca. 25MHz) wird durch die Anordnung (450) und den DAC-Werten, die der Mikrokontroller liefert (Ausgänge bezeichnet mit 2a (448) und b (449)) in Verbindung mit einem Abtastmechanismus, der in einer von (442) festgelegten Reihenfolge, diese Spannungen über die Widerstände (98) abtastet. Die Ausgänge 2a (448) bzw. b (449) sind Sinus- bzw. Cosinusfunktionen niederer Frequenz (df = 25Hz), die der Mikrokontoller durch das Generieren eines Zählerwertes (z.B. auch einer Timerfunktion), eine dazugehörige Lookup-Tabelle (jedem Zählerwert – als Adresse eines Speichers – werden zwei Ausgangswerte, eben Sinuswert und Cosinuswert zugeordnet) und durch die Ausgabe dieser Werte über die DAC-Ausgänge bei (448) und (449) bereitstellt.This frequency f + df (here approx. 25 MHz) is determined by the arrangement ( 450 ) and the DAC values supplied by the microcontroller (outputs labeled 2a ( 448 ) and b ( 449 )) in connection with a scanning mechanism, which in one of ( 442 ) fixed order, these voltages across the resistors ( 98 ) scans. The exits 2a ( 448 ) or b ( 449 ) are sine or cosine functions of low frequency (df = 25Hz), which the microcontroller generates by generating a counter value (e.g. also a timer function), an associated lookup table (each counter value - as the address of a memory - becomes two output values, just a sine value and cosine value assigned) and by outputting these values via the DAC outputs at ( 448 ) and ( 449 ) provides.

Die Werte werden zusätzlich in ihrer invertierten Form benötigt. Hierfür sind die invertierenden Verstärker bei (450) vorgesehen; sind im Kontroller allerdings noch zwei zusätzliche DAC-Kanäle frei, dann können die invertierenden Verstärker auch eingespart werden.The values are also required in their inverted form. For this, the inverting amplifiers are at ( 450 ) intended; however, if two additional DAC channels are free in the controller, the inverting amplifiers can also be saved.

Die Abtastung der ADC-Werte erfolgt durch die Widerstände (98), die bei einem geschlossenem Schalter (in (97), Schalter 1...4) einen zur Spannung proportionalen Strom in den virtuellen GND-Knoten (99) einprägen, der von der folgenden OP-Amp-Stufe wieder in eine Spannung gewandelt wird.The ADC values are sampled by the resistors ( 98 ) which, when the switch is closed (in ( 97 ), Switch 1 ... 4 ) a current proportional to the voltage in the virtual GND nodes ( 99 ), which is converted back into voltage by the following OP-Amp stage.

Das elektronische Filter (429) ist nur dann nötig, wenn für die Messung auf der Messstrecke (425) unbedingt eine Sinusfunktion benötigt wird. Die Signale, die die (invertierenden, mit einer Schmitt-Triggerfunktion ausgestatteten) Gatter (427) und (431) abgeben, sind jeweils die (auf gleiche Art und Weise rekonstruierten) Signale, die einmal vor und einmal nach dem Durchlauf durch die Messstrecke (425) abgegriffen sind und die nach diesen Durchlauf gegenüber dem (Eingangssignal (446) bzw. (445)) mit einer (hier zu messenden) Phasendifferenz vorliegen.The electronic filter ( 429 ) is only necessary if for the measurement on the measuring section ( 425 ) a sine function is absolutely necessary. The signals that the (inverting, equipped with a Schmitt trigger function) gates ( 427 ) and ( 431 ) are the signals (reconstructed in the same way) that occur once before and once after passing through the measuring section ( 425 ) are tapped and which after this run compared to the (input signal ( 446 ) respectively. ( 445 )) with a phase difference (to be measured here).

Diese Phasendifferenz ergibt (über die digitale Schwebungsfunktion gemessen) den gerade beschriebenen, durch den Mikrokontroller erfassten Phasendifferenzmesswert. 19 zeigt, dass in dieser Anordnung nur sehr wenige Komponenten (außer dem doch recht komplexen Kontroller oder einem DSP) notwendig sind. Der oben zur Entwicklungsdarstellung beschriebene Aufwand ist also nur in den seltensten Fällen wirklich notwendig.This phase difference (measured via the digital beat function) results in the phase difference measured value just described, which is detected by the microcontroller. 19 shows that in this arrangement only very few components (apart from the rather complex controller or a DSP) are necessary. The effort described above for the development illustration is therefore only really necessary in the rarest of cases.

Mit der in 10 dargestellten Anordnung (als Kontroller (441) ist in DSP eingesetzt) gelingt es z.B. folgende Sensoren fast ohne zusätzliche Maßnahmen an Stelle von (425) einzusetzen:

  • – Wegsensor (US-Wandler am Anfang und Ende eines Rohres)
  • – Distanzmessung mit UHF zwischen Funkpartnern
  • – Wegsensor (LED und Photodiode am Anfang und Ende einer Strecke)
  • – Temperatursensor (RC-Glied mit temperaturabhängigem Widerstand, nach Frequenzuntersetzung mit D-FFs um den Faktor 2)
  • – Drucksensoren (RC-Glied mit druckabhängigem Widerstand)
  • – Drucksensoren (mit gegebener Brückenanordnung)
  • – Stromabhängige Brücke zur Messung sehr kleiner Ströme

u.a.mWith the in 10 shown arrangement (as controller ( 441 ) is used in DSP) the following sensors succeed almost without additional measures instead of ( 425 ) to use:
  • - displacement sensor (US converter at the beginning and end of a pipe)
  • - Distance measurement with UHF between radio partners
  • - displacement sensor (LED and photodiode at the beginning and end of a section)
  • - Temperature sensor (RC element with temperature-dependent resistance, after frequency reduction with D-FFs by a factor of 2)
  • - Pressure sensors (RC element with pressure-dependent resistance)
  • - pressure sensors (with given bridge arrangement)
  • - Current-dependent bridge for measuring very small currents

etc.

Damit ist eine gewisse Universalität erreicht. Faßt man alle beschriebenen Komponenten die zur beschriebenen hochgenauen Phasenmessung benötigt werden in einem Block zusammen, dann liegt eine Blockkonfiguration wie in 23 angedeutet vor. Nur sehr geringe Konfiguartionsmodifikationen sind nötig, um andere Anwendungen zu ermöglich.A certain universality is thus achieved. If all the components described that are required for the highly precise phase measurement described are combined in a block, then there is a block configuration as in 23 indicated before. Very little configuration modifications are necessary to enable other applications.

Bezieht man Messbrücken in die Anwendung mit ein, dann sind vier externe Pins zum Anschluß der Brücke nötig. Anschlüsse für Stromversorgung, Anzeigeelemente, Steuer- und Kommunikationsanschlüsse sind davon unabhängig notwendige, bzw. dem Anwendungskomfort dienende Pins.If one covers measuring bridges in the application with one, then four external pins are required to connect the bridge. Connections for power supply, Display elements, control and communication connections are regardless of that pins that are necessary or are used for ease of use.

Die gleiche Pin-Anordnung kann daher zum Einsatz als Brückenverstärker (23a) oder in Laufzeitmessungen (23b) oder in Vierpolanordnungen (23c) eingesetzt werden. Lediglich die Pins zur Stromversorgung und eine Schnittstelle zur Messwertübergabe (z.B. eine SPI-Schnittstelle) sind essentiell, so dass u.U eine solche Konstruktion bereits in einem 8 poligen IC-Gehäuse untergebracht werden kann.The same pin arrangement can therefore be used as a bridge amplifier ( 23a ) or in runtime measurements ( 23b ) or in four-pole arrangements ( 23c ) are used. Only the pins for the power supply and an interface for the transfer of measured values (e.g. an SPI interface) are essential, so that such a construction can already be accommodated in an 8-pin IC housing.

Claims (19)

Verfahren und Gerät zur Messung einer Phasenverschiebung bzw. einer Phasenlaufzeit periodischer Signale, bzw. zur Messung der gegenseitigen Phasenlage periodischer Signale mit einer relativ hohen Frequenz, im folgenden als Messsignal oder Messfrequenz bezeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass die nur schwer direkt zu messende Phasenlage zwischen den Signalen der hohen Frequenz (Messsignale) durch eine, hier als „parametrische Verstärkung" bezeichnete Technik so aufbereitet wird, dass die kleinen Phasenzeiten bzw. Phasenlagen der hohen Frequenz in eine sehr viel größere Phasenzeit bzw. Phasenlage von niederfrequenter Signalen transformiert wird, in denen die Phasenzeiten bzw. Phasenlagen wesentlich leichter und genauer bestimmt werden können, wobei diese „parametrische Verstärkung" aus einer Kombination technischer Maßnahmen besteht, indem – ein frequenzmäßig möglichst dicht neben der hohen Frequenz des Messsignals liegendes Signal als Referenzsignal, hier auch bezeichnet als Referenzfrequenz, erzeugt wird und dann entweder – die mit der Phasenverschiebung versehenen Messsignale beide gleichzeitig mit demselben Referenzsignal (z.B. additiv oder subtraktiv) überlagert werden und sodann die Phasenlage der beiden dabei entstehenden Überlagerungssignale zueinander ausgewertet wird, oder – die mit der Phasenverschiebung versehenen Messsignale beide mit derselben Referenzfrequenz abgetastet werden, somit eine sogenannte Unterabtastung verwendet wird und sodann die Phasenlage der beiden, sich durch diese Unterabtastung ergebenden Signale zueinander ausgewertet wird, oder – die mit der Phasenverschiebung versehenen Messsignale beide mit demselben Referenzsignal (z.B. multiplikativ) gemischt werden, aus den beiden so entstehenden Mischsignalen die jeweilige niederfrequente Komponente durch Filterung isoliert wird, und sodann die Phasenlage zwischen diesen beiden niederfrequenten Signalen zueinander ausgewertet wird.Method and device for measuring a phase shift or a phase delay of periodic signals, or for measuring the mutual phase position of periodic signals with a relatively high frequency, hereinafter referred to as measurement signal or measurement frequency, characterized in that the phase position between the Signals of the high frequency (measurement signals) are processed by a technique, referred to here as "parametric amplification", in such a way that the small phase times or phase positions of the high frequency are transformed into a much larger phase time or phase position of low-frequency signals in which the Phase times or phase positions can be determined much more easily and precisely, this “parametric amplification” consisting of a combination of technical measures, in that a signal that is as close as possible in frequency to the high frequency of the measurement signal is also referred to here as a reference signal t is generated as a reference frequency and then either - the measurement signals provided with the phase shift are both simultaneously superimposed with the same reference signal (e.g. additive or subtractive) and then the phase relationship of the two resulting superimposition signals is evaluated, or - the measurement signals provided with the phase shift both are sampled with the same reference frequency, so-called undersampling is used and then the phase relationship of the two signals resulting from this undersampling is evaluated with respect to one another, or - the measurement signals provided with the phase shift are both mixed with the same reference signal (e.g. multiplicative) The respective low-frequency component is isolated from the two resulting mixed signals by filtering, and then the phase relationship between these two low-frequency signals is evaluated with respect to one another. Verfahren und Gerät nach Anspruch 1 zur Messung der Phasenlage zwischen Signalen einer sehr hohen Frequenz dadurch gekennzeichnet, dass eine kaskadenförmige Kette aus Elementen der Anordnung 1 aufgebaut wird, wobei jede Kaskade für sich wie eine Anordnung nach Anspruch 1 – bevorzugt unter Verwendung einer Mischsignalbildung mit Tiefpassfilterung – arbeitet, also unter Nutzung der „parametrischen Verstärkung" aus den beiden jeweils höheren Messsignalfrequenzen mit der zu messenden Phasenlage jeweils zwei wesentlich niederfrequentere Komponenten (oder Zwischenfrequenzkomponenten) mit einer wesentlich größeren Phasenzeit entstehen, die in der nächsten Kaskadenstufe jeweils als höherfrequente Messsignale verwendet werden können und damit die Phasenzeiten in jeder Stufe weiter vergrößert (verstärkt oder transformiert) werden, wobei die Phasenauswertung zwischen den dabei sich ergebenden, ständig niederfrequenteren Signalen erst in der jeweils letzten Stufe erfolgt.Method and device according to claim 1 for measuring the phase position between signals of a very high frequency, characterized in that a cascade-shaped chain of elements of the arrangement 1 is built up, each cascade working as an arrangement according to claim 1 - preferably using mixed signal formation with low-pass filtering - that is, using the "parametric amplification" from the two higher measurement signal frequencies with the phase position to be measured, each two significantly lower-frequency components ( or intermediate frequency components) with a significantly longer phase time, which can be used in the next cascade stage as higher-frequency measurement signals and thus the phase times in each stage are further enlarged (amplified or transformed), the phase evaluation between the resulting, constantly lower-frequency signals only in the last stage. Verfahren und Gerät nach Anspruch 1 und 2 zur Messung der Phasenlage zwischen Signalen relativ hoher oder sehr hohen Frequenz dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisation der parametrischen Verstärkung (bei einer Kaskadierung auf der jeweils untersten Stufe der Phasenzeitauswertung) rechteckförmige oder digitale Signale eingesetzt werden, so dass die Überlagerung oder die Unterabtastung unter Verwendung von F1ipFlops (bevorzugt unter Verwendung von D-F1ipFlops) in Form einer „digitalen Schwebung" nachgebildet werden, z.B. indem das eine Signal der Frequenz f zur Ansteuerung des D-Eingangs, das andere Signal der Frequenz f + df zur Ansteuerung des Takteingangs (oder frequenzmäßig auch umgekehrt) genutzt wird, wobei diese digitalen Signale u.U. erst aus sinusförmigen Signalen (z.B. durch Schmitt-Trigger-Stufen) gewonnen werden.Procedure and device according to claim 1 and 2 for measuring the phase relationship between signals relatively high or very high frequency characterized in that for the realization of the parametric amplification (with a cascading at the lowest level of the phase time evaluation) rectangular or digital signals are used so that the overlay or subsampling using F1ipFlops (preferably using D-F1ipFlops) in the form of a "digital Beat ", for example by emitting a signal of frequency f to control the D input, the other signal of the frequency f + df to control the clock input (or frequency-wise too vice versa) is used, these digital signals may first from sinusoidal Signals (e.g. through Schmitt trigger stages). Verfahren und Gerät nach Anspruch 1 bis 3 zur Messung der Phasenlage zwischen Signalen relativ hoher oder sehr hohen Frequenz dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachbildung einer Überlagerung oder einer Mischung einfache Gatterfunktionen eingesetzt (XOR, AND, usw) werden.Procedure and device according to claim 1 to 3 for measuring the phase position between signals relatively high or very high frequency characterized in that to simulate an overlay or a mixture of simple gate functions (XOR, AND, etc.). Verfahren und Gerät zur Erzeugung dicht benachbarter Frequenz zum Einsatz nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung von sinusförmigen Signalen mit dicht benachbarter Frequenz aus vorgegebenen, oder erzeugten hochfrequenten Sinus- und Cosinussignalen, bei einer Realisation nach Anspruch 2 auch aus einer der beim Mischen entstanden Zwischenfrequenzen (ZF) (aus der z.B. durch 90°-Grad Phasenschiebertechniken die Sinus- und Cosinuskomponenten gewonnen werden können) und aus zugleich vorgegebenen, niederfrequenten Sinus- und Cosinussignalen durch Nachbildung einer der Formeln der Additionstheoreme für trigonometrische Funktionen erfolgt.Procedure and device for generating closely adjacent frequency for use according to claim 1 to 4 characterized in that the generation of sinusoidal signals with closely adjacent frequency from given or generated high-frequency sine and cosine signals, when implemented according to claim 2 also from one of the intermediate frequencies created during mixing (ZF) (from the e.g. by 90 ° degree Phase shifter techniques won the sine and cosine components can be) and from simultaneously predetermined, low-frequency sine and cosine signals by replicating one of the formulas of the addition theorems for trigonometric Functions. Verfahren und Gerät zur Erzeugung dicht benachbarter Frequenz zum Einsatz nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Signale benachbarter Frequenz aus einer gemeinsamen Taktfrequenzquelle durch Untersetzung mit dem Faktor n bzw. (n + k) mit einem Zähler gewonnen werden.Procedure and device for generating closely adjacent frequency for use according to claim 1 to 4 characterized in that the two signals are adjacent Frequency from a common clock frequency source through reduction with the factor n or (n + k) with a counter. Verfahren und Gerät zur Erzeugung dicht benachbarter Frequenz zum Einsatz nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Zähler aus einer hohen (Generator-)Frequenz f die Frequenz f/n erzeugt, ein zweiter Zähler in jeder Periode dieser untersetzten Frequenz f/n einen Vergleichswert in einem zweiten Zähler um den Wert 1 verändert und ein Komparator diesen Vergleichswert nutzt, um bei Gleichheit der Werte des Zählers 1 und des Zählers 2 eine Flanke zu generieren, die gegenüber den Flanken des Signals mit der Frequenz f/n die Periodendauer einer Frequenz f/(n + 1) aufweist.Method and device for generating closely adjacent frequency for use according to claim 1 to 4, characterized in that a first counter generates the frequency f / n from a high (generator) frequency f, a second counter in each period of this reduced frequency f / n a comparison value in a second counter is changed by the value 1 and a comparator uses this comparison value to compare the values of the counter 1 and the counter 2 generate an edge which, compared to the edges of the signal with frequency f / n, has the period of a frequency f / (n + 1). Verfahren und Gerät zur Erzeugung dicht benachbarter Frequenz zum Einsatz nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die zur Erzeugung von Signalen mit dicht benachbarten Frequenzen benötigten niederfrequenten Sinus- und Cosinussignale durch einen Zähler oder eine Zählerfunktion, auch z.B. in einem Mikroprozessor dadurch nachgebildet werden, dass diese Zählerwerte zur Generierung der NF-Signale genutzt werden, z.B. indem sie als Adresse für eine Look-Up-Tabelle verwendet werden, in der die Werte der benötigten Sinus- und Cosinus-Signale digital gespeichert sind, diese Werte nacheinander und periodisch wiederkehrend ausgelesen und sodann mittels Analog-Digital-Wandlung (ADC) die verfahrensgemäß benötigten NF-Signale erzeugt werdenProcedure and device for generating closely adjacent frequency for use according to claim 1 to 4 characterized in that for the generation of signals with closely adjacent frequencies required low-frequency sine and cosine signals by a counter or a counter function, also e.g. can be replicated in a microprocessor in that these counter values used to generate the NF signals, e.g. by being as Address for a look-up table is used in which the values of the required sine and cosine signals are stored digitally, these values one after the other and read out periodically and then by means of analog-digital conversion (ADC) the NF signals required according to the method be generated Verfahren und Gerät zur Erzeugung dicht benachbarter Frequenz zum Einsatz nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die zur Erzeugung von Signalen mit dicht benachbarten Frequenzen benötigten höheren Frequenzen durch PLL-Generatoren erzeugt werden, wobei entweder zwei NF-Generatoren mit verschiedenen Frequenzen als Refererenzgeneratoren eingesetzt werden oder, bei gleichen Referenzfrequenzen, indem unterschiedliche Teilungen der VCO-Generatorfrequenzen in den Phasenvergleich einbezogen werden, oder indem beide Maßnahmen kombiniert werden.Procedure and device for generating closely adjacent frequency for use according to claim 1 to 4 characterized in that for the generation of signals with closely adjacent frequencies, higher frequencies required by PLL generators are generated, either two NF generators with different Frequencies are used as reference generators or, at same reference frequencies by different divisions of the VCO generator frequencies are included in the phase comparison, or by taking both measures be combined. Verfahren und Gerät nach Anspruch 1 bis 4 zur sensorischen Erfassung physikalischer Parameter dadurch gekennzeichnet, dass die Messung über den vom zu messenden Parameter abhängigen Frequenzgang eines elektronischen Netzwerkes erfolgt, das – bevorzugt aber nicht notwendigerweise ausschließlich – aus passiven Elementen (R-, L-, C-Komponenten) besteht, wobei die Auswertung über die Messung der Phasenverschiebung für genau eine Signalfrequenz erfolgt, weil ein zu diesem Zwecke eingesetztes sinusförmiges oder rechteckförmiges Messsignals beim Durchlauf durch das Netzwerk eine reproduzierbare und spezifische Phasenverschiebung erfährt, und diese damit vom physikalischen Parameter abhängige Phasenverschiebung am Ausgang eines Netzwerkes relativ zur Phasenlage des Signals am Eingang oder an einer anderen Zwischenstufe des Netzwerkes erfasst wird.Procedure and device according to claim 1 to 4 for sensory physical detection Parameter characterized in that the measurement over the depend on the parameter to be measured Frequency response of an electronic network takes place, which - preferred but not necessarily exclusively - from passive elements (R-, L, C components), the evaluation using the Measurement of the phase shift for exactly one signal frequency occurs because one used for this purpose sinusoidal or rectangular Measurement signal when passing through the network a reproducible and experiences specific phase shift, and thus from the physical Parameter dependent Phase shift at the output of a network relative to the phase position of the signal at the input or at another intermediate stage of the network is recorded. Verfahren und Gerät nach Anspruch 1 bis 4 und Anspruch 10 zur sensorischen Erfassung physikalischer Parameter dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Messsignale aus nicht sinusförmigen, z.B. digitalen oder Rechtecksignalen, z.B. erst durch Filterung gewonnen werden, diese dann sinusförmigen Signale vor und nach dem Durchgang durch das Messnetzwerk z.B. durch eine Schmitt-Triggerfunktion wieder in digitale Signale gewandelt werden, und in dieser Form die Phasenlage zwischen den Signalen vor und nach dem Durchlauf durch das Netzwerk oder einer Wegstrecke in einer digitalen Schwebung ausgewertet werden.Procedure and device according to claim 1 to 4 and claim 10 for sensory detection physical parameters characterized in that the used Measurement signals from non-sinusoidal, e.g. digital or square wave signals, e.g. only by filtering are obtained, these then sinusoidal signals before and after the passage through the measurement network e.g. through a Schmitt trigger function be converted back into digital signals, and in this form the phase position between the signals before and after the run through the network or a stretch in a digital beat be evaluated. Wechselspannungserregte Brückenanordnung unter Nutzung der Ansprüche 1 bis 4 und 10 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass ein Knoten der Brücke mit einem Signal (bevorzugt einem Sinussignal) der Frequenz f erregt wird, der gegenüberliegende Knoten mit einem phasenverschobenen Signal (bevorzugt einem Cosinussignal) der gleichen Frequenz, erregt wird und an den Zweigmittelpunkten die dort liegenden Spannungen mit der Frequenz f + df abgetastet werden oder mit einem zweiten Signal der Frequenz f + df (additiv oder subtraktiv) überlagert, gleichgerichtet und geglättet werden, wodurch zwei niederfrequente Signale entstehen, deren Phasenlage zueinander als Messsignal der Messbrücke ausgewertet wird.AC excited bridge arrangement using the claims 1 to 4 and 10 to 11, characterized in that a knot of bridge excited with a signal (preferably a sinusoidal signal) of frequency f the opposite Node with a phase-shifted signal (preferably a cosine signal) the same frequency, is excited and at the branch centers the voltages there are sampled at the frequency f + df or with a second signal of frequency f + df (additive or subtractive) overlaid, rectified and smoothed be, which creates two low-frequency signals, their phase relationship to each other is evaluated as the measuring signal of the measuring bridge. Wechselspannungserregte Brückenanordnung unter Nutzung der Ansprüche 1 bis 4 und 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass ein Knoten der Brücke mit einem Signal (bevorzugt einem Sinussignal) der Frequenz f erregt wird, der gegenüberliegende Knoten mit einem phasenverschobenen Signal (bevorzugt einem Cosinussignal) der gleichen Frequenz, erregt wird und an den Zweigmittelpunkten die dort liegenden Spannungen mit der Frequenz f + df multiplikativ gemischt und anschließend mit einem Tiefpass gefiltert werden, wodurch zwei niederfrequente Signale entstehen, deren Phasenlage zueinander als Messsignal der Messbrücke ausgewertet wird.AC excited bridge arrangement using the claims 1 to 4 and 10 to 12, characterized in that a knot of bridge excited with a signal (preferably a sinusoidal signal) of frequency f the opposite Node with a phase-shifted signal (preferably a cosine signal) the same frequency, is excited and at the branch centers the voltages there are multiplied by the frequency f + df mixed and then be filtered with a low-pass filter, creating two low-frequency Signals are generated whose phase relationship to each other is the measurement signal of the measuring bridge is evaluated. Wechselspannungserregte Brückenanordnung unter Nutzung der Ansprüche 1 bis 4 und 10 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass zuvor die an den Zweigmittelknoten liegenden Spannungen mit einem Impedanzwandler (Spannungsfolger) abgegriffen werden oder auch durch eine Strom-Spannungswandlung, bei der die Zweigmittenabgriffe mit dein I-U-Wandler virtuell auf GND gezogen werden.AC excited bridge arrangement using the claims 1 to 4 and 10 to 13 characterized in that previously the voltages lying at the branch center node with an impedance converter (Voltage follower) can be tapped or by a current-voltage conversion, where the branch center taps with your I-U converter virtually open GND are drawn. Wechselspannungserregte Brückenanordnung unter Nutzung der Ansprüche 1 bis 4 und 10 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die zur Messung eingesetzten sinusförmigen Signale durch geeignete Verstärkung und z.B. unter Nutzung einer Schmitt-Trigger-Funktion digitalisiert werden, und sodann die beiden Messsignale jeweils auf den D-Eingang und die Referenzfrequenz auf die beiden Takt-Eingang von zwei D-F1ipFlops, zur Symetrisierung der Signale evtl. auch erst nach einer, wiederum mit D-FFs erzeugten Untersetzung um den Faktor 2, geschaltet werden und so die beiden D-FFs eine Schwebung digital nachbilden.AC excited bridge arrangement using the claims 1 to 4 and 10 to 14 characterized in that the for measurement used sinusoidal Signals through suitable amplification and e.g. digitized using a Schmitt trigger function and then the two measurement signals to the D input and the reference frequency on the two clock input from two D-F1ipFlops, for the symmetrization of the signals possibly also after one, again with D-FFs generated reduction by a factor of 2 and so the two D-FFs digitally simulate a beat. Verfahren und Gerät nach Anspruch 1 bis 14 zur sensorischen Erfassung von Wegstrecken oder Wegdifferenzen unter Einsatz von Ultraschall, Licht oder elektromagnetischen Wellen, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine entsprechende geometrische Empfängeranordnung das Signal eines Senders von mindestens zwei Signalempfängern aufgenommen wird und die dabei evtl. vorliegenden Signallaufzeitdifferenzen zwischen den empfangenen Signalen sich jetzt als hochgenau messbare Phasenverschiebung zwischen den jeweiligen Messsignalen ausprägen können und einen Rückschluss auf Lage, auf die Transportgeschwindigkeit eines Mediums (z.B. bei Verwendung von Ultraschall Windgeschwindigkeit), auf eine Fliess- oder Mediengeschwindigkeit zulassen.Procedure and device according to claim 1 to 14 for the sensory detection of distances or path differences using ultrasound, light or electromagnetic Waves, characterized in that by a corresponding geometric receiver arrangement the signal of a transmitter is recorded by at least two signal receivers and the possibly existing signal delay differences between the received signals can now be measured with high precision Can express phase shift between the respective measurement signals and a conclusion on location, on the transport speed of a medium (e.g. at Using ultrasonic wind speed), on a flowing or allow media speed. Aufbau einer hybriden Anordnung oder eines integrierten Schaltkreises (z.B. als FPGA oder ASIC) zum Einsatz als universeller Brückenverstärker oder als allgemeiner Sensorverstärker unter Nutzung der Ansprüche 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass dieser Verstärker mindestens 4 Pins aufweist, von denen einer ein (in der Frequenz evtl. frei wählbares) hochfrequentes Sinussignal, ein zweiter ein hochfrequentes Cosinussignal (z.B. aus dem Sinussignal erzeugt durch eine 90°-Phasenschiebungstechnik) liefert, die für ein anzuschließendes Netzwerk, z.B. eine Brückenanordnung genutzt werden können, und zwei Pins, die als Eingänge zur Auswertung der Phasenlage von zwei an diesen Pins angelegten Signale nach Anspruch 1 bis 4 und 10–16 genutzt werden können, wobei mit den mindestens zwei Pins zur Stromversorgungszuführung und z.B. zwei Pins für einen Kommunikationskanal (z.B. SPI oder I2C) einem 8-Pin Gehäuse ein vollständiger, universeller Sensorverstärker gegeben ist.Structure of a hybrid arrangement or an integrated circuit (e.g. as an FPGA or ASIC) for use as a universal bridge amplifier or as a general sensor amplifier using claims 1 to 16, characterized in that this amplifier has at least 4 pins, one of which is a (in frequency Possibly freely selectable) high-frequency sine signal, a second one supplies a high-frequency cosine signal (e.g. from the sine signal generated by a 90 ° phase shift technique) that can be used for a network to be connected, e.g. a bridge arrangement, and two pins that serve as inputs for evaluation the phase relationship of two signals applied to these pins can be used according to claims 1 to 4 and 10-16, with the at least two pins for power supply and for example two pins for a communication channel (for example SPI or I 2 C) an 8-pin housing a complete, universal sensor amplifier is given. Auswertung der Phasenlage zwischen zwei digitalen Schwebungssignalen in einer Anwendung unter Nutzung nach Anspruch 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei digitalen Schwebungssignalen durch eine einfache XOR-Verknüpfung der Zeitraum festgehalten wird, in dem die beiden Signale sich in Ihrer Lage zueinander unterscheiden, zudem nichtnotwendigerweise evtl. eine Seite (also entweder der Anteil nach einer positiven oder einer negativen Flanke in einem der beiden Signale) davon durch Einsatz eines AND-Gatters für die Auswertung ausgewählt wird und sodann für die so festgestellte Zeitdauer einer unterschiedlichen Lage, z.B. wiederum durch eine AND-Funktion, ein Takt auf eine Zählfunktion (Zähler oder eine Mikroprozessorfunktion) gelegt wird und durch den sich ergebenden Zählwert an jedem Ende einer Schwebungsperiode ein direkter digitaler Wert für die Phasenbeziehung zwischen den beiden digitalen Schwebungssignalen und damit für die Phasenbeziehung der in der Messung eingesetzten HF-Signale gewonnen ist.Evaluation of the phase position between two digital beat signals in an application using according to claim 1 to 17 thereby characterized by between two digital beat signals a simple XOR link the period during which the two signals are recorded Distinguish their position from one another, moreover not necessarily possibly one side (i.e. either the proportion after a positive or a negative edge in one of the two signals) Use of an AND gate for selected the evaluation and then for the duration of a different location determined in this way, e.g. again by an AND function, a cycle to a counting function (Counter or a microprocessor function) and through which itself resulting count value a direct digital value at each end of a beat period for the Phase relationship between the two digital beat signals and therefore for the phase relationship of the RF signals used in the measurement is obtained is. Verfahen und Gerät zur sensorischen Erfassung eines physikalischen Parameters mittels eines einfachen RC-, RL- oder LC-Gliedes in dem entweder R, L oder C von dem physikalischen Parameter abhängt dadurch gekennzeichnet, dass der Phasengang dieser RLC-Anordnung zur Messwerterfassung unter Nutzung der Verfahren nach Anspruch 1 bis 18 ausgewertet wird.Procedure and device for sensory detection of a physical parameter using a simple RC, RL or LC element in which either R, L or C depends on the physical parameter characterized by that the phase response of this RLC arrangement for data acquisition under Use of the method according to claim 1 to 18 is evaluated.
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