DE10012871A1 - Phase selective rectifier for instrumentation, has active low pass filter and switches measurement signal between branches - Google Patents
Phase selective rectifier for instrumentation, has active low pass filter and switches measurement signal between branchesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen phasenselektiven Gleichrichter für ein Messignal, insbesondere zur Auswertung des Ausgangs signals einer kapazitiven Sensorsitzmatte eines Personen kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a phase-selective rectifier for a measurement signal, in particular for evaluating the output signals of a capacitive sensor seat mat of a person Motor vehicle, according to the preamble of claim 1.
Ein phasenselektiver Gleichrichter wird beispielsweise in ei ner Messanordnung dazu benutzt, aus einem stark verrauschten Messignal die Amplitude derjenigen Schwingung zu bestimmen, die eine konstante Phasenlage zu einem vorgegebenen Steuer signal und darüber hinaus dieselbe Frequenz wie das Steuer signal aufweist. Dazu wird das Steuersignal in dem Gleich richter mit dem verrauschten Messignal multipliziert und aus dem Ergebnis der zeitliche Mittelwert gebildet. Bei den her kömmlichen phasenselektiven Gleichrichtern wird das ver rauschte Messignal auf zwei parallele Zweige aufgeteilt, wo bei in dem einen Zweig ein Spannungsfolger und in dem anderen Zweig ein invertierender Verstärker angeordnet ist. Ausgangs seitig sind die beiden Zweige zur Berechnung des zeitlichen Mittelwertes über einen gesteuerten Schalter mit einem Tief passfilter verbunden, wobei der gesteuerte Schalter den Ein gang des Tiefpassfilters im Takt des Steuersignal abwechselnd mit dem einen und dem anderen Zweig verbindet.A phase-selective rectifier is, for example, in ei ner measuring arrangement used for this, from a very noisy Measurement signal to determine the amplitude of that vibration, which has a constant phase position at a given tax signal and also the same frequency as the steering signal. To do this, the control signal is the same multiplied by the noisy measurement signal and off the result is the mean over time. With her conventional phase-selective rectifiers, the ver rushed measurement signal divided into two parallel branches where in one branch a voltage follower and in the other Branch an inverting amplifier is arranged. output the two branches are on the side for calculating the temporal Average over a controlled switch with a low passfilter connected, the controlled switch the On low-pass filter alternately in time with the control signal connects to one and the other branch.
Nachteilig an diesem bekannten phasenselektiven Gleichrichter ist die Tatsache, dass sowohl der in dem einen Zweig angeord nete Spannungsfolger als auch der in dem anderen Zweig ange ordnete invertierende Verstärker eingangsseitig die Fähigkeit haben muß, Signale mit einer relativ hohen Flankensteilheit von beispielsweise 13 V/µs zu verarbeiten, da diese Bauelemente direkt mit dem Messignal beaufschlagt werden, das bei spielsweise auch rechteckförmig sein kann.A disadvantage of this known phase-selective rectifier is the fact that both are arranged in one branch voltage follower as well as that in the other branch arranged inverting amplifiers on the input side must have signals with a relatively high slope of 13 V / µs, for example, because these components be directly loaded with the measurement signal, which at can also be rectangular, for example.
Ein weiterer Nachteil des vorstehend beschriebenen phasense lektiven Gleichrichters besteht darin, dass durch die Um schaltvorgänge des gesteuerten Schalters Störsignale entste hen, die über das Tiefpassfilter auf den Signalausgang über sprechen, was dadurch verursacht wird, dass das Tiefpassfil ter üblicherweise eine Rückkopplungsschleife aufweist.Another disadvantage of the phasense described above selective rectifier is that by the order switching operations of the controlled switch produce interference signals hen that over the low pass filter on the signal output over speak about what is caused by the low pass fil ter usually has a feedback loop.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, einen phasen selektiven Gleichrichter zu schaffen, bei dem die durch die Schaltvorgänge des gesteuerten Schalters verursachten Stör signale nicht auf den Signalausgang übersprechen und bei dem ein kostensparender Einsatz von Bauelementen möglich ist, die eingangsseitig nur eine relativ geringe Flankensteilheit zu lassen.The invention is therefore based on the object, a phase to create selective rectifiers in which the through the Switching operations of the controlled switch caused interference do not crosstalk signals to the signal output and at the a cost-saving use of components is possible that only a relatively low slope on the input side to let.
Die Erfindung wird, ausgehend von dem eingangs beschriebenen bekannten phasenselektiven Gleichrichter gemäß dem Oberbeg riff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The invention is based on that described above known phase-selective rectifier according to the Oberbeg riff of claim 1, by the characterizing features of Claim 1 solved.
Die Erfindung umfaßt die allgemeine technische Lehre, den steuerbaren Schalter nicht wie bei dem eingangs beschriebenen bekannten phasenselektiven Gleichrichter hinter den beiden parallelen Zweigen, sondern eingangsseitig davor anzuordnen.The invention encompasses the general technical teaching that controllable switch not as described in the beginning known phase-selective rectifier behind the two parallel branches, but to be arranged in front of it on the input side.
Dies bietet zum einen den Vorteil, dass die durch die Schalt vorgänge verursachten Störsignale bis zum Signalausgang eine größere Laufstrecke haben und mehrere Bauelemente passieren müssen, wodurch ein Übersprechen auf den Signalausgang weit gehend verhindert wird. On the one hand, this offers the advantage that the switching interfering signals up to the signal output have a longer running distance and pass several components need, causing crosstalk to the signal output far is prevented.
Darüber hinaus ist das ausgangsseitige Tiefpassfilter hierbei nicht unmittelbar hinter dem steuerbaren Schalter angeordnet, so dass die zur schaltungstechnischen Realisierung des Tief passfilters verwendeten Bauelemente geringen Anforderungen hinsichtlich der eingangseitig zulässigen Flankensteilheit genügen müssen, wodurch die Baukosten wesentlich verringert werden können.In addition, the low-pass filter on the output side is here not directly behind the controllable switch, so that the implementation of the low circuit passfilter used components low requirements with regard to the steepness permitted on the input side must suffice, which significantly reduces the construction costs can be.
Das eingangsseitig angeordnete steuerbare Schaltelement nimmt also im Rahmen der Erfindung das Messignal eingangsseitig auf und gibt dieses in Abhängigkeit von dem Steuersignal entweder an den einen oder an den anderen Zweig weiter.The controllable switching element arranged on the input side takes thus within the scope of the invention the measurement signal on the input side and gives this depending on the control signal either to one or the other branch.
Ausgangsseitig werden die beiden Zweige durch einen Dreipol zusammengeführt, der ausgangsseitig den Signalausgang bereit stellt, wobei der Dreipol beispielsweise als Subtrahierer, als Addierer oder als Multiplizierer ausgebildet sein kann. Vorzugsweise weist der Dreipol einen Steuereingang auf, um den Arbeitspunkt des Dreipols festzulegen. Ein Subtrahierer kann beispielsweise einen Operationsverstärker aufweisen, wo bei der invertierende Eingang des Operationsverstärkers mit dem einen Zwang und der nicht-invertierende Eingang des Ope rationsverstärkers mit dem anderen Zweig verbunden ist.On the output side, the two branches are connected by a three-pin connector merged, the output side ready the signal output , the three-pole, for example, as a subtractor, can be designed as an adder or as a multiplier. The three-pole connector preferably has a control input in order to to determine the working point of the three-pole. A subtractor can have, for example, an operational amplifier, where at the inverting input of the operational amplifier with one constraint and the non-inverting input of the ope tion amplifier is connected to the other branch.
Der schaltungstechnische Aufbau von Addierern, Subtrahierern, Multiplizierern und Tiefpassfiltern ist allgemein bekannt und beispielsweise in dem Lehrbuch Tietze/Schenk: Halbleiter- Schaltungstechnik, Springer Verlag Berlin ausführlich be schrieben, so dass der diesbezügliche Inhalt dieses Lehrbuchs der vorliegenden Patentanmeldung zuzurechnen ist. The circuitry structure of adders, subtractors, Multipliers and low pass filters are well known and for example in the textbook Tietze / Schenk: semiconductor Circuit technology, Springer Verlag Berlin be extensively wrote so that the related content of this textbook of the present patent application.
Vorzugsweise weisen die Tiefpassfilter in den beiden Zweigen einen gemeinsamen Masseanschluß auf, wodurch ein Spannungs- Offset des Ausgangssignals der beiden Zweige verhindert wird.The low-pass filters preferably have in the two branches a common ground connection, whereby a voltage Offset of the output signal of the two branches is prevented.
Dem selben Zweck dient der vorzugsweise spiegelbildliche Auf bau der Tiefpassfilter in den beiden Zweigen.The preferably mirror-image up serves the same purpose build the low pass filter in the two branches.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusam men mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen:Other advantageous developments of the invention are in the Subclaims marked or are together below men with the description of the preferred embodiments of the invention explained. Show it:
Fig. 1 einen phasenselektiven Gleichrichter mit einem aus gangsseitig angeordneten Subtrahierer, Fig. 1 is a phase-selective rectifier with a arranged from input side subtractor,
Fig. 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen phasenselektiven Gleichrichters mit einem ausgangsseitig angeordneten Multiplizierer zur Zusammenführung der beiden Zweige sowie Fig. 2 shows an alternative embodiment of an inventive phase-selective rectifier with a multiplier arranged on the output side for merging the two branches and
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiels eines erfindungs gemäßen Gleichrichters, bei dem ausgangsseitig ein Addierer angeordnet ist. Fig. 3 shows another embodiment of a rectifier according to the Invention, in which an adder is arranged on the output side.
Der in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellte phasenselek tive Gleichrichter dient in einer Messanordnung dazu, aus ei nem stark verrauschten Messignal SE die Amplitude derjenigen Schwingung zu bestimmen, die eine konstante Phasenlage zu ei nem vorgegebenen Steuersignal ST und dieselbe Frequenz wie das Steuersignal ST aufweist. Eingangsseitig weist der pha senselektive Gleichrichter ein steuerbares Schaltelement 1 auf, welches das Messignal SE eingangsseitig aufnimmt und in Abhängigkeit von dem Steuersignal ST wahlweise an einen ersten Zweig 2 oder einen parallel geschalteten zweiten Zweig 3 weiterleitet. In den beiden Zweigen 2, 3 ist jeweils ein Tiefpassfilter 4, 5 angeordnet, deren schaltungstechnischer Aufbau im folgenden beschrieben wird.The phase-selective rectifier shown in FIG. 1 as a block diagram is used in a measuring arrangement to determine the amplitude of that oscillation from a strongly noisy measurement signal S E which has a constant phase position with a predetermined control signal ST and the same frequency as the control signal ST , On the input side, the phase-selective rectifier has a controllable switching element 1 , which receives the measurement signal S E on the input side and, depending on the control signal ST, either passes it on to a first branch 2 or a second branch 3 connected in parallel. A low-pass filter 4 , 5 is arranged in each of the two branches 2 , 3 , the circuitry structure of which is described below.
Das Tiefpassfilter 4 weist ein RC-Glied auf, das aus einem eingangsseitig angeordneten ohmschen Widerstand R2TP und einem mit Masse verbundenen Glättungswiderstand C2TP besteht. Wei terhin weist das Tiefpassfilter 4 ausgangsseitig einen Opera tionsverstärker OP1 auf, wobei der nicht-invertierende Ein gang des Operationsverstärkers OP1 mit dem Widerstand R2TP verbunden ist, während der Ausgang des Operationsverstärkers OP1 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 rückgekoppelt ist. Eingangsseitig weist das Tiefpassfil ter 4 hier zusätzlich einen weiteren ohmschen Widerstand R1TP auf, um das Betriebsverhalten des Tiefpassfilters 4 durch ei ne geeignete Dimensionierung der ohmschen Widerstände einzu stellen. Schließlich ist der Ausgang des Operationsverstär kers OP1 über einen Rückkopplungskondensator C1TP auf den Ver bindungspunkt der beiden ohmschen Widerstände R1TP und R2TP rückgekoppelt.The low-pass filter 4 has an RC element which consists of an ohmic resistor R 2TP arranged on the input side and a smoothing resistor C 2TP connected to ground . Furthermore, the low-pass filter 4 has an operational amplifier OP1 on the output side, the non-inverting input of the operational amplifier OP1 being connected to the resistor R 2TP , while the output of the operational amplifier OP1 is fed back to the inverting input of the operational amplifier OP1. On the input side, the low-pass filter 4 additionally has a further ohmic resistor R 1TP in order to set the operating behavior of the low-pass filter 4 by suitable dimensioning of the ohmic resistors. Finally, the output of the operational amplifier OP1 is fed back via a feedback capacitor C 1TP to the connection point of the two ohmic resistors R 1TP and R 2TP .
Das in dem anderen Zweig 3 angeordnete Tiefpassfilter 5 ist zu dem Tiefpassfilter 4 spiegelbildlich symmetrisch angeord net, so dass hinsichtlich des schaltungstechnischen Aufbaus des Tiefpassfilters 5 auf die vorstehende Beschreibung des Tiefpassfilters 4 entsprechend verwiesen werden kann.The low-pass filter 5 arranged in the other branch 3 is arranged in mirror image symmetry to the low-pass filter 4 , so that reference can be made accordingly to the above description of the low-pass filter 4 with regard to the circuit design of the low-pass filter 5 .
Die Glättungskondensatoren C2TP der beiden Tiefpassfilter 4, 5 weisen einen gemeinsamen Masseanschluß auf, um einen Span nungsoffset am Ausgang der beiden Zweige 2, 3 zu vermeiden. The smoothing capacitors C 2TP of the two low-pass filters 4 , 5 have a common ground connection in order to avoid a voltage offset at the output of the two branches 2 , 3 .
Ausgangsseitig sind die beiden Zweige mit einem Subtrahierer 6 verbunden, der die Differenz auf dem Ausgangssignal des Tiefpassfilters 5 und des Tiefpassfilters 4 bildet, wobei der Subtrahierer 6 zusätzlich einen Steuereingang zur Aufnahme eines Steuersignals AP aufweist, um den Arbeitspunkt des pha senselektiven Gleichrichters einzustellen. Am Ausgang des Subtrahierers erscheint also das Ausgangssignal SA als Summe aus dem Steuersignal AP und der Differenz der in den beiden Zweigen 2, 3 geglätteten Teilspannungen.On the output side, the two branches are connected to a subtractor 6 , which forms the difference on the output signal of the low-pass filter 5 and the low-pass filter 4 , the subtractor 6 additionally having a control input for receiving a control signal AP in order to set the operating point of the phase-selective rectifier. At the output of the subtractor, the output signal S A thus appears as the sum of the control signal AP and the difference between the partial voltages smoothed in the two branches 2 , 3 .
Im folgenden wird nun der Aufbau des Subtrahierers 6 be schrieben, der im wesentlichen aus einem Operationsverstärker OP3 besteht, wobei der invertierende Eingang des Operations verstärkers OP3 über einen Vorwiderstand Rsub mit dem Ausgang des Tiefpassfilters 4 verbunden ist, während der nicht- invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP3 über ei nen Vorwiderstand Rsub mit dem Ausgang des anderen Tiefpass filters 5 verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstär kers OP3 bildet zum einen den Signalausgang des gesamten pha senselektiven Gleichrichters und ist zum anderen über einen Vorwiderstand Rsub auf den invertierenden Eingang des Operati onsverstärkers OP3 rückgekoppelt. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP3 ist schließlich über einen Vorwiderstand Rsub mit dem Steuereingang AP des Subtra hierers 6 verbunden, über den der Arbeitspunkt des Gleich richters eingestellt wird.In the following, the structure of the subtractor 6 will be described, which essentially consists of an operational amplifier OP3, the inverting input of the operational amplifier OP3 being connected via a series resistor R sub to the output of the low-pass filter 4 , while the non-inverting input of the Operational amplifier OP3 is connected via a series resistor R sub to the output of the other low-pass filter 5 . The output of the operational amplifier OP3 forms, on the one hand, the signal output of the entire phase-selective rectifier and, on the other hand, is fed back via a series resistor R sub to the inverting input of the operational amplifier OP3. The non-inverting input of the operational amplifier OP3 is finally connected via a series resistor R sub to the control input AP of the subtractor 6 , via which the operating point of the rectifier is set.
Fig. 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines er findungsgemäßen phasenselektiven Gleichrichters, dass weitge hend mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ü bereinstimmt, so dass im folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet werden und diesbezüglich auf die vorstehende Be schreibung verwiesen wird. Der Unterschied dieses Ausführungsbeispiels besteht im wesentlichen darin, dass die beiden Zweige 2, 3 hinter den beiden Tiefpassfiltern 4, 5 nicht durch einen Subtrahierer, sondern durch einen Multiplizierer 6' zusammengeführt sind. Fig. 2 shows an alternative embodiment of a phase-selective rectifier according to the invention, which largely corresponds to the embodiment described above, so that the same reference numerals are used in the following and reference is made to the above description in this regard. The main difference between this exemplary embodiment is that the two branches 2 , 3 behind the two low-pass filters 4 , 5 are brought together not by a subtractor but by a multiplier 6 '.
Schließlich zeigt Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel, dessen einziger Unterschied über den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen darin besteht, dass die Ausgangssignale der beiden Tiefpassfilter 4, 5 durch einen Addierer 6" zu sammengeführt werden.Finally, FIG. 3 shows a further exemplary embodiment, the only difference of which from the exemplary embodiments described above is that the output signals of the two low-pass filters 4 , 5 are combined by an adder 6 ″.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Aus führungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die sich für den Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung ergeben und ebenfalls in den Schutzbereich des Patents fallen.The invention is not limited to the above described limited leadership examples. Rather, a variety of Variants and modifications possible that are suitable for the specialist from the above description and also in fall within the scope of protection of the patent.
Claims (10)
einem Signaleingang (SE) zur Aufnahme des Messignals,
einem Signalausgang (SA) zur Abgabe des gleichgerichteten Messignals,
mindestens zwei zwischen dem Signaleingang und dem Signalaus gang parallel geschalteten und ausgangsseitig zusammengeführ ten Zweigen (2, 3), in denen jeweils mindestens ein Tiefpass filter (4, 5) angeordnet ist,
mindestens einem steuerbaren Schaltelement (1) zur Beschal tung jeweils eines der beiden Zweige (2, 3), wobei das Schaltelement (1) zur Aufnahme eines den Schaltzustand be stimmenden Steuersignals einen Steuereingang (ST) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltelement (1) eingangsseitig zwischen dem Sig naleingang (SA) und den beiden Zweigen (2, 3) angeordnet ist und das eingangsseitig aufgenommene Messignal in Abhängigkeit von dem Steuersignal einem der beiden Zweige (2, 3) zuführt.1. Phase selective rectifier for a measurement signal, with
a signal input (S E ) for receiving the measurement signal,
a signal output (S A ) for delivering the rectified measurement signal,
at least two branches ( 2 , 3 ) connected in parallel between the signal input and the signal output and merged on the output side, in each of which at least one low-pass filter ( 4 , 5 ) is arranged,
at least one controllable switching element ( 1 ) for switching one of the two branches ( 2 , 3 ), the switching element ( 1 ) having a control input (ST) for receiving a control signal which determines the switching state,
characterized by
that the switching element ( 1 ) is arranged on the input side between the signal input (S A ) and the two branches ( 2 , 3 ) and supplies the measurement signal recorded on the input side to one of the two branches ( 2 , 3 ) as a function of the control signal.
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