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
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Abstract
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.
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
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
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
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
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
Diese beiden UHF1-Signale werden
jetzt mit der zweiten UHF2 (Generator (
Wegen sin(ω + Δ)t·sin(ωt + φ) = ½{cos[(Δt – φ)] – cos[2ωt + (Δt + φ)/2]}, von der durch die Filterung (
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
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
Mit dem in
Die in den Stufen (
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 (
In (
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.
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:
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.
Mit Mischtechniken können auch
andere Realisationsformen unter Nutzung der parametrischen Verstärkung gezeigt
werden (vgl.
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
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
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).
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!
Der Zähler 2 (
Die Erzeugung benachbarter Frequenzen
erfolgt hier bevorzugt durch eine Nachbildung der Additionstheoreme.
Die
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 (
Werden für diese Schaltersteuerung digitale
Sinus- bzw. Cosinus-Nachbildungen (digitale Signale mit der richtigen
Phasenlage zueinander) verwendet, dann ergibt sich bei (
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 (
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.
Eine dritte Möglichkeit zur Erzeugung benachbarter
Frequenzen deutet
Als dritte Möglichkeit stellt
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 und21 ). - – 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 and21 ). - - 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.
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.
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
(
Für
eine solchermaßen
nicht belastete Meßbrücke gilt
mit
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
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
Eine trigonometrische Funktion (hier
eine Sinusfunktion mit einer noch festzulegenden Kreisfrequenz) speist
den „oberen
Knoten" der Messbrücke
(
Der rechte (
Da der Mittenabgriff der Brücke in diesem
Falle also auf GND liegt, gilt für
den in den Knoten hineinfließenden
Strom (linker Knoten (
Alternativ können die Mittelabgriffe der
Brücke
als Spannungsquelle direkt auf einen Folgeverstärker geschaltet werden (in
der Anordnung der
Die sich an dem (einfachen) Mittenabgriff
(
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
It is because of
Setzt man hierin wieder U1 = U2 = U und R2 = R1 = R, dann
gilt sowohl bei einem Strom-, als auch bei einem Spannungsabgriff
Gleiches gilt an sich auch jeweils
auf der rechten Seite der Brücke,
hier nur für
den Stromabgriff dargestellt:
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 (
Die Bedingungen der wechselspannungserregten
Meßschaltungen
in
Der Vorteil der Schaltungen gemäß
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:
(
Der hier z.B. in der Mitte der Strecke
bei (
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 (
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.
In dieser Anordnung der
Wieder kann das Ziel auch unter Einsatz
von Mischstufen statt der Abtaster erreicht werden (
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).
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
Eine der beiden Signalfrequenzen,
hier ist das (willkürlich
gewählt)
fs = f + df wird auf den US-Geber, z.B.
einen Piezowandler (
Hier wird z.B. ein Rohr (
Somit steht die US-Signalfrequenz
drei mal zur Verfügung;
einmal vor dem Aussenden (Ausgang des Generators G2 (
Diese Signale werden jetzt mit der
zweiten Frequenz fg des Generators G1 (
Die Schwebung (
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 (
The complete beatings so far tacitly assumed in the illustrations (
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
In der
Sucht man nach weiteren Möglichkeiten
zur Erzeugung einer parametrischen Phasenzeitverstärkung, so
sind zunächst
geeignete andere Signale zu suchen.
Diese beiden Signale werden bei (
Unterhalb dieser Schwebung in
Die Phasenlage der beiden Sinusschwingungen
im Bereich (
Auf Grund der unterschiedlichen Periode
der beiden addierten Sinussignale verschieben sich die Einzelschwingungen
fortlaufend weiter gegeneinander. (
Die Verschiebung zwischen den Sinussignalen
läuft weiter,
die Amplitude der Summenfunktion nimmt kontinuierlich weiter zu
und erreicht bei (
Im Bereich (
Diese beiden digitalen Signale werden
jetzt einmal – bei
(
Oberhalb dieser Darstellung dieses
Signals (Q-Ausgang des D-FFs (
Wie man durch Vergleich sehen kann,
sind die Phasenlagen der Signale in den Abschnitten (
Die Phasenlage der beiden digitalen
Signale bei (
Dies soll in der Darstellung gerade
die Flanke (
Die Flanke des Taktzeitpunktes verzögert sich
durch die kleinere Periode fortlaufenden weiter gegenüber dem
Signal am D-Eingang (
Bei (
Vergleicht man den zeitlichen Verlauf
der Schwebung oben (
-
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 (
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 (
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 (
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.
In dieser
Links sind (willkürlich) zwei der Darstellungen
(
Für
eine bei der Überlagerung
mit Sinusfunktionen arbeitende Anordnung (
Nutzt man in dieser Anordnung (statt
der Summationsstufen (
Die Ausgänge der Stufen (
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 (
Gerade diese Stufe (
(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
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 (
Bleibt als letztes, die Auswertung
(
Die Signale (
Das XOR-Gatter (
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
Vorbedingung für diese Auslegung der Anordnung
ist, dass der Mikrocontroller (
Durch Abtastung in (
Dieses Signal wird in der Messung
(
(Wäre (
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 (
In einigen Fällen wird man aber auch den
Generator G2 (
In der Anordnung der
Die Stufen, die in dieser
Das Signal (
Wie zur
Diese Frequenz f + df (hier ca. 25MHz)
wird durch die Anordnung (
Die Werte werden zusätzlich in
ihrer invertierten Form benötigt.
Hierfür
sind die invertierenden Verstärker
bei (
Die Abtastung der ADC-Werte erfolgt
durch die Widerstände
(
Das elektronische Filter (
Diese Phasendifferenz ergibt (über die
digitale Schwebungsfunktion gemessen) den gerade beschriebenen,
durch den Mikrokontroller erfassten Phasendifferenzmesswert.
Mit der in
- – 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
- - 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
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 (
Claims (19)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2002133604 DE10233604A1 (en) | 2002-07-24 | 2002-07-24 | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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|---|---|
| DE10233604A1 true DE10233604A1 (en) | 2004-02-19 |
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ID=30469059
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