DE10061235A1

DE10061235A1 - Filter

Info

Publication number: DE10061235A1
Application number: DE10061235A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2002-06-27
Also published as: US20020070795A1; US6737911B2

Abstract

Das erfindungsgemäße adaptive Filter besitzt den Vorteil, daß zu seiner Realisierung nur ein sehr geringer schaltungstechnischer Aufwand notwendig ist, wodurch das adaptive Filter für viele Anwendungen erst praktikabel wird. Insbesondere ist der Flächenbedarf des erfindungsgemäßen Filters gering, da sich die für viele Anwendungen notwendigen, großen Zeitkonstanten auf einfache Weise durch die Steuerschaltung realisieren lassen. Das erfindungsgemäße adaptive Filter ist insbesondere für sogenannte "Mixed-Signal ASICS" geeignet, in denen die notwendigen Voraussetzungen für die Steuerschaltung bereits vorhanden sind, so daß sich die Steuerschaltung allein durch eine entsprechende Verdrahtung realisieren läßt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Filter, wie sie für die Signalverarbeitung benötigt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein adaptives Filter, das für eine analoge Signalverarbeitung geeignet ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Tiefpassfilter.

Von analogen Sensoren, beispielsweise analogen Magnetfeldsensoren, wird ein Ausgangssignal verlangt, dem eine möglichst kleine Rauschspannung überlagert sein soll. Darüber hinaus soll das Ausgangssignal schnellen Änderungen der Sensoreingangsgröße mit möglichst geringer Totzeit folgen. Leider widersprechen sich diese beiden Anforderungen.

Die Forderung einer kleinen Rauschleistung kann in der Regel nur durch eine Bandbegrenzung realisiert werden. Bei vielen analogen Sensoren handelt es sich dabei um eine Tiefpaßfilterung, da die meisten physikalischen Größen (Temperatur, Magnetfeld, Druck, Beschleunigung, etc.) nur für Frequenzen von 0 Hz (= zeitlich konstante physikalische Meßgröße) bis zu einer maximalen Frequenz fmax, die in der Regel zwischen 100 Hz und 100 kHz liegt, von praktischem Interesse sind. Der Tiefpaß ist dabei so ausgelegt, daß er alle Spektralanteile im Nutzfrequenzband von 0 Hz bis fmax möglichst unverzert vom Eingang auf den Ausgang überträgt. Alle Frequenzen über fmax werden hingegen möglichst stark gedämpft.

Unter unverzerter Übertragung versteht man dabei in Abhängigkeit von der Anwendung entweder eine möglichst konstante Amplitude der Übertragungsfunktion H(s) = Ua(s)/Ue(s) (s = σ + jω mit ϕ = 27 πf; f . . . Frequenz; j . . . imaginäre Einheit; Ua, Ue . . . Laplace-Transformierte des Ausgangssignals/Eingangssignals des Tiefpasses) oder aber eine möglichst kleine/konstante Phasenverschiebung des Ausgangssignals gegenüber dem Eingangssignal ϕ = arg(H(jω)) oder aber eine möglichst kleine/konstante Gruppenlaufzeit Tgr = dϕ/dω des Signals durch den Tiefpaß. Dementsprechend ergeben sich verschiedene Optimierungskriterien für die Übertragungsfunktion des Filters, dem mit den unterschiedlichen Filtertypen Butterworth, Tschebyscheff, Bessel, etc. Rechnung getragen wird.

Allen Filtern ist jedoch gemein, daß das Signal um so stärker verzögert wird, je schmalbandiger das Tiefpaßfilter ist. Wird also das Nutzsignalband sehr schmalbandig ausgeführt, so minimiert dies zwar die Rauschleistung im Ausgangssignal, zugleich steigt aber die Totzeit an. Die Totzeit ist jener Zeitversatz mit dem der Sensorausgang auf eine schnelle Änderung der physikalischen Meßgröße reagiert.

Insbesondere bei integrierten Schaltkreisen, die in großen Stückzahlen produziert werden, ist ein Filter wünschenswert, das sich der jeweiligen Applikation automatisch anpaßt. Ändert sich die Eingangsgröße nur sehr langsam, so soll das Filter sehr schmalbandig sein und dadurch die Rauschleistung im Ausgangssignal minimieren. Ändert sich die Eingangsgröße aber stark und/oder schnell, so soll das Tiefpaßfilter seine Grenzfrequenz entsprechend hochsetzen, so daß die Reaktionszeit des Ausgangssignals minimiert wird.

Für derartige adaptive Filter sind sinus-ähnliche Eingangssignale besonders unangenehm, die sich im Nulldurchgang relativ schnell ändern, während der Umkehrzeitpunkte aber praktisch keine Änderung aufweisen. An diesen Umkehrzeitpunkten darf das Filter seine Grenzfrequenz nicht ändern, denn das würde eine erhebliche Verzerrung (Klirrfaktor) des Ausgangssignals bedeuten. Für das Filter bedeutet dies, daß es bei einer Verlangsamung des Eingangssignals nicht sofort mit einer Reduzierung der Grenzfrequenz reagieren darf, sondern das Eingangssignal über einen längeren Zeitraum beobachten muß. Erst wenn das Eingangssignal längere Zeit unverändert bleibt, darf die Grenzfrequenz des Filters reduziert werden.

Soll beispielsweise ein 50 Hz-Signal unverzerrt übertragen werden, so muß dieser Beobachtungszeitraum zumindest länger sein als die flachen Kuppen des 50 Hz- Signals andauern (das sind ca. 1/50/4 Sekunden = 5 ms). Derart große Zeitkonstanten sind jedoch in integrierter Technik kaum wirtschaftlich realisierbar, da sie große Kapazitäten und somit viel Chipfläche benötigen. Große Filterzeitkonstanten mit geringer Totzeit werden daher in der Regel durch adaptive Digitalfilter realisiert. Muß ein Analogsignal jedoch eigens dafür digitalisiert werden, so lohnt sich dieser Aufwand nur in wenigen Fällen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein adaptives Filter mit einer großer Zeitkonstanten anzugeben, das nur einen geringen Flächenbedarf aufweist und das ohne eine Digitalisierung des Eingangssignals eingesetzt werden kann. Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Tiefpassfilter anzugeben, das ebenfalls nur einen geringen Flächenbedarf aufweist.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird das adaptive Filter gemäß Patentanspruch 1 bereit. Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird das Tiefpassfilter gemäß Patentanspruch 14 bereitgestellt. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Erfindungsgemäß wird ein adaptives Filter zur analogen Filterung eines Signals bereitgestellt, das folgende Merkmale aufweist:

a) einen Signaleingang und einen Signalausgang,
b) zumindest ein Potentiometer, das einen ersten, einen zweiten und einen dritten Anschluß aufweist, wobei durch den zweiten Anschluß das Potentiometer in zwei, in Reihe geschaltete Widerstände unterteilt werden kann, der Signaleingang über den ersten Anschluß mit dem Potentiometer und der Signalausgang über den zweiten Anschluß mit dem Potentiometer verbunden ist,
c) zumindest eine Kapazität, die mit dem Potentiometer über den dritten Anschluß des Potentiometers in Reihe geschaltet ist, und
d) zumindest eine Steuerschaltung, mit der die Unterteilung des Potentiometers in zwei, in Reihe geschaltete Widerstände durch den zweiten Anschluß steuerbar ist.

Das erfindungsgemäße adaptive Filter besitzt darüber hinaus den Vorteil, daß es ohne eine Digitalisierung des Eingangssignals eingesetzt werden kann. Durch die passive Realisierung des adaptiven Tiefpasses wird weiterhin ein unvermeidbarer Offsetfehler, wie ihn herkömmliche aktive Filter mit sich bringen, ausgeschaltet.

Das erfindungsgemäße adaptive Filter umfaßt ein Potentiometer mit einem zweiten Anschluß, durch den das Potentiometer in zwei, in Reihe geschaltete Widerstände unterteilt werden kann. Dabei können auch die Grenzfälle auftreten, daß der zweite Anschluß entweder mit dem ersten Anschluß oder mit dem dritten Anschluß übereinstimmt. Das Potentiometer des adaptiven Filters kann aber auch so ausgelegt sein, daß der zweite Anschluß nicht exakt auf den ersten bzw. dritten Anschluß einstellbar ist, so daß das Filter in jedem Fall eine endliche Bandbreite aufweist. Zudem kann es u. U. vorteilhaft sein, daß selbst im Fall eines schmalbandigen Signals im Signalpfad dennoch eine höhere Grenzfrequenz einzustellen, als es möglich wäre, wenn der zweite Anschluß auf den dritten Anschluß eingestellt würde.

Das Potentiometer des adaptiven Filters kann auch derart ausgelegt sein, daß nur noch zwei Positionen für den zweiten Anschluß einstellbar sind, wobei eine Position einer niedrigen Grenzfrequenz, die andere einer höheren Grenzfrequenz entspricht. Zwischen diesen beiden Grenzfrequenzen wird dann entsprechend der Steuerschaltung umgeschaltet.

In einer bevorzugten Ausführung weist die Steuerschaltung eine Auswerteschaltung auf, welche den Betrag der Differenz zwischen der Spannung am ersten Anschluß des Potentiometers und der Spannung am dritten Anschluß des Potentiometers bildet und mit einer Schwellspannung vergleicht. Diese Differenz ist ein gutes Maß für die Änderungen der Eingangsgröße. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Steuerschaltung einen Zähler, insbesondere einen Vorwärts-/Rückwärtszähler, aufweist. Dabei ist es bevorzugt, wenn der Zähler durch ein Signal auf einen Ausgangswert zurückgesetzt werden kann. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn der Zähler durch ein Taktsignal gesteuert wird und der Zähler durch ein Signal asynchron zu dem Taktsignal auf einen Ausgangswert zurückgesetzt werden kann. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn eine Bewertungsschaltung vorgesehen ist, die das Zurücksetzen des Zählers kontrolliert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung umfaßt das Potentiometer eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Widerständen. Weiterhin sind Schalter vorgesehen, durch die der zweite Anschluß des Potentiometers zwischen den Widerständen verschoben werden kann. Auf diese Weise ergibt sich eine einfache Realisierung eines Potentiometers, das von dem Zähler über einen Decoder angesteuert werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist eine Rückkopplungsschaltung vorgesehen, die mit der Kapazität verbunden ist, so daß ein Filter einer beliebigen Ordnung gebildet wird. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Rückkopplungsschaltung ein Übertragungselement mit einer vorgegebenen Übertragungsfunktion enthält.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind mindestens zwei Kapazitäten vorgesehen, die mit dem Potentiometer verbunden sind. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn eine Rückkopplungsschaltung vorgesehen ist, die mit mindestens einer der Kapazitäten verbunden ist, so daß ein Filter mit einer vorgegebenen Ordnung gebildet wird. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Rückkopglungsschaltung zumindest einen Transistor enthält, der als Sourcefolger beschaltet ist und der Steueranschluß des Transistors mit dem dritten Anschluß des Potentiometers verbunden ist. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Rückkopplungsschaltung zumindest einen Transistor enthält, der eine Verstärkung von etwa 1 aufweist und/oder der die mit der Rückkopplungsschaltung verbundene Kapazität von dem dritten Anschluß des Potentiometers entkoppelt.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Tiefpassfilter zur analogen Filterung eines Signals bereitgestellt, das folgende Merkmale aufweist:

a) einem Signaleingang und einem Signalausgang,
b) einem RC-Netzwerk mit mindestens zwei Widerständen und mindestens zwei Kapazitäten, wobei zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang eine Verbindung vorhanden ist, die nur Widerstände aufweist, und
c) einer Rückkopplungssschaltung, die mit mindestens einer der Kapazitäten verbunden ist, so daß ein Filter mit einer vorgegebenen Ordnung gebildet wird, wobei die Rückkopplungssschaltung einen Transistor aufweist, der als Sourcefolger beschaltet ist und der Steueranschluß des Transistors mit dem Signalausgang verbunden ist.

Das erfindungsgemäße Tiefpassfilter besitzt den Vorteil, daß zu seiner Realisierung nur ein sehr geringer schaltungstechnischer Aufwand notwendig ist. Insbesondere ist der Flächenbedarf des erfindungsgemäßen Tiefpassfilters gering.

In einer bevorzugten Ausführung weist der Transistor der Rückkopplungsschaltung eine Verstärkung von etwa 1 auf. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Transistor die mit der Rückkopplungsschaltung verbundene Kapazität von dem Signalausgang entkoppelt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1a bis 1c eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filters erster Ordnung,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filters beliebiger Ordnung,

Fig. 3 die Rückkopplungsschaltung aus Fig. 2,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filters dritter Ordnung,

Fig. 5 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tiefpassfilters, und.

Fig. 6 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tiefpassfilters.

Fig. 1a zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filters. Das erfindungsgemäße Filter umfaßt einen Signaleingang 1 und einen Signalausgang 5. Dabei entspricht der Signaleingang 1 dem ersten Anschluß Pe eines Potentiometers 3 während der Signalausgang 5 dem zweiten Anschluß des Potentiometers 3 entspricht. Der zweite Anschluß des Potentiometers ist dabei so ausgelegt, daß durch den zweiten Anschluß 5 (sogenannter "Schleifer") das Potentiometer 3 in zwei, in Reihe geschaltete Widerstände unterteilt werden kann. Über einen dritten Anschluß Pa ist das Potentiometer 3 mit einer Kapazität c3 verbunden, die mit dem Potentiometer 3 in Reihe geschaltet ist. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Filter eine Steuerschaltung 7 auf, mit der die Unterteilung des Potentiometers 3 in zwei, in Reihe geschaltete Widerstände durch den zweiten Anschluß steuerbar ist. Dadurch ergibt sich eine einfache Regelung der Zeitkonstante des adaptiven Filters.

Bezeichnet man den Widerstand zwischen dem zweiten Anschluß 5 und dem dritten Anschluß Pa mit k.P3 und den Widerstand zwischen dem ersten Anschluß Pe und dem zweiten Anschluß 5 mit (1 - k).P3 so ergibt sich die Laplace- Transformierte des Ausgangssignals US am Signalausgang zu:

U5(s) = U1(s).(1/(l + τ₃s) + k.τ₃s/(l + τ₃s)) (1)

wobei τ₃ = P3.C3.

Wie aus Gleichung (1) ersichtlich ist das Ausgangssignal US eine Superposition eines Tiefpaß-gefilterten Signals (erster Summand) und eines Hochpaß-gefilterten Signals (zweiter Summand), wobei beide Filteranteile die gleiche Grenzfrequenz fg3 = 1/2πτ₃ aufweisen und der Hochpaßanteil mit dem Faktor k (<= 1) gedämpft wird. Für k = 0 wird US auf die minimale Nutzbandbreite eingegrenzt. Für k = 1 ergänzen sich Hochpaß- und Tiefpaßanteile zur Übertragungsfunktion = 1, so daß U5 = U1 ist, also keine Filterung vorgenommen wird. Das Bode-Diagramm der Filterübertragungsfunktion ist in Fig. 1b gezeichnet.

In integrierter Technik wird das Potentiometer bevorzugt als Widerstandskette ausgeführt (Fig. 1c), wobei das Potential jedes Schaltungsknotens zwischen zwei benachbarten Widerständen mittels eines CMOS Schalters an den Ausgang durchgeschaltet werden kann. Durch die passive Realisierung des adaptiven Tiefpasses wird auch ein unvermeidbarer Offsetfehler, wie ihn herkömmliche aktive Filter mit sich bringen, ausgeschaltet. Eventuelle Glitches im Ausgangssignal können durch Ansteuerung der CMOS-Schalter mit überlappenden Takte eliminiert werden. Zudem werden Schalttransienten durch die Bandbegrenzung der nachfolgenden Elektronik (z. B. Ausgangsverstärker zur Ansteuerung von offchip Lastkapazitäten bzw. -widerständen) bedämpft.

Zur Steuerung der Stellung des zweiten Anschlußes 5 am Potentiometer ist die Steuerschaltung 7 vorgesehen. Die Steuerschaltung 7 umfaßt eine Auswerteschaltung 8, welche die Differenz zwischen der Spannung am ersten Anschluß Pe des Potentiometers 3 und der Spannung am dritten Anschluß Pa des Potentiometers 3 bildet und mit einer Schwellspannung vergleicht. Das Ergebnis dieses Vergleichs wird einem Anschluß L4 eines Vorwärts-/Rückwärtszählers Z4 zugeführt. Die Auswerteschaltung 8 umfaßt zwei P-MOS-Transistoren, mehrere Stromquellen I sowie 0,4 I, zwei Schmitt-Trigger und ein NOR-Gatter. Die Funktionsweise dieser Auswerteschaltung 8 ist im Stand der Technik hinreichend bekannt und wird hier nicht weiter erläutert.

Die Auswerteschaltung 8 liefert einen logischen HIGH- Pegel an L4, wenn der Betrag von U1 - U2 kleiner als eine eingestellte Schwelle Umin ist, andernfalls liegt am Ausgang L4 ein LOW-Pegel an. Dieser digitale Ausgang L4 steuert die Zählrichtung eines Vorwärts-/Rückwärtszählers 24. Wenn L4 HIGH ist, so zählt der Zähler vorwärts; bei LOW zählt er rückwärts. Der Ausgang des Zählers wird durch eine Decoder (nicht gezeigt) decodiert und steuert die in Fig. 1c gezeigten CMOS-Schalter 21 an.

Je höher die Binärzahl des Zählers Z4 ist, desto kleiner wird k, d. h. desto näher wird der zweite Anschluß des Potentiometers an den ersten Anschluß des Potentiometers heran geführt. Ist die Binärzahl des Zählers Z4 = 0 so ist k = l, d. h. der Schleifer des Potentiometers ist am linken Anschlag Pe, so daß das Signal U1 unverzögert an den Ausgang US des adaptiven Filters durchgereicht wird. Für Z4 = Zmax wird jener CMOS-Schalter auf der rechten Seite des Potentiometers Pa durchgeschaltet (k = 0), so daß das komplette Tiefpaßfilter P3, C3 in den Signalpfad eingefügt ist. Der Zähler Z4 ist in diesem Beispiel überlauf-sicher ausgelegt. Beim Rückwärtszählen ändert sich der Zählerausgang nicht mehr sobald die Binärzahl des Zählers Z4 = 0. Beim Vorwärtszählen ändert sich der Zählerausgang nicht mehr sobald die Binärzahl des Zählers Z4 = Zmax.

Der Zähler wird von einem langsamen Takt CLK angesteuert (z. B. Frequenz fCLK = 1 kHz), so daß das adaptive Filter seine Grenzfrequenz nur sehr langsam herunter setzt (d. h. das Filter relaxiert langsam, dies entspricht einer großen Zeitkonstanten). Bevorzugt wird das Signal L4 auch an den RESET-Eingang des Zählers Z4 angelegen, so daß die Binärzahl des Zählers Z4 auf null zurückgesetzt wird, sobald L4 = LOW ist. Somit reagiert das adaptive Filter unverzüglich (auch asynchron zum langsamen Takt CLK) auf schnelle Eingangsspannungssprünge U1, sobald diese größer als die Schwelle Umin sind. Sobald sich das Eingangssignal U1 wieder beruhigt hat, erniedrigt sich die Grenzfrequenz des Filters aber nur langsam synchron mit dem Takt CLK. Das Filter benötigt die Zeit Zmax/fCLK um seine Grenzfrequenz von Unendlich auf f3min = fg3 = 1/(2πτ₃) = 1/(2πP3C3) herunterzusetzen.

Der große Vorteil dieser Schaltung liegt darin, daß der schaltungstechnische Aufwand auf ein Minimum reduziert ist, wodurch das adaptive Filter für viele Anwendungen erst praktikabel wird. Das erfindungsgemäße Filter kann insbesondere in sogenannten "Mixed-Signal ASICS" eingesetzt werden, in denen eine Taktansteuerung bereits vorhanden ist. Zumeist werden diese ASICs mit einem Programmierinterface ausgestattet, in dem man einen Vorwärts-/Rückwärtszähler benötigt. Dieser Zähler kann - wenn die Programmierung beendet ist - im adaptiven Filter Verwendung finden, so daß keine zusätzliche Chipfläche eingesetzt werden muß.

Wird vom dem erfindungsgemäße Filter keine schnelle Reaktionszeit verlangt, so kann die in Fig. 1a gezeigte Verbindung zwischen dem Anschluß L4 und dem Reset-Anschluß des Zählers Z4 auch weggelassen werden. Dementsprechend steuert das an dem Anschluß L4 anliegende, logische HIGH/LOW- Signal lediglich die Zählrichtung und nicht mehr den Reset des Zählers Z4.

Eine verbesserte Störfestigkeit kann dadurch erreicht werden, daß der Anschluß L4 nicht direkt den Reset-Anschluß des Zählers Z4 steuert, sondern dazwischen dem Anschluß L4 und dem Reset-Anschluß des Zählers Z4 eine Digitalschaltung eingefügt ist, welche die zeitliche Abfolge der L4-Werte bewertet, und in Abhängigkeit dieser Bewertung die Zählrichtung und/oder Zählgeschwindigkeit bzw. die Zurücksetzung des Zählers steuert. Auf diese Weise kann die Resistenz des adaptiven Filters gegenüber kurzfristigen Störimpulsen erhöht werden, indem der Zähler erst bei beispielsweise 10 aufeinanderfolgenden LOW-Werten an dem Anschluß L4 auf einen vorgegebenen Wert zurückgesetzt wird.

Die Taktansteuerung für diesen zusätzlichen Digitalteil ist bevorzugt hochfrequent ausgelegt (beispielsweise 1-10 MHz). Durch die Verwendung einer zusätzlichen Bewertungsschaltung kann auch die Schwelle Umin reduziert werden, da die Wahrscheinlichkeit, daß bei aufeinanderfolgenden z. B. 10 Werten an dem Anschluß L4 alle Werte durch Rauschspitzen LOW sind wesentlich geringer ist, als das beim der Berücksichtigung von nur einem L4-Wert der Fall ist.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filters beliebiger Ordnung. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Filter ist eine Rückkopplungsschaltung 14 vorgesehen, die mit der Kapazität C3 verbunden ist, so daß ein Filter beliebiger Ordnung gebildet wird. Die Rückkopplungsschaltung 14 steuert die Kapazität C3 derart, daß kapazitive Ströme in den Anschluß Pa injiziert werden, die noch verbliebene, hohe Frequenzen von U2 kompensieren.

Da sich die Parameter des Tiefpaßfilters, das aus dem widerstand P3 und der Kapazität C3 gebildet wird, in Abhängigkeit der Stellung des zweiten Anschlusses nicht ändern, ist das Signal U2 immer ein stark Tiefpaß-gefiltertes Abbild des Eingangssignals U1. Dementsprechend kann eine starke und schnelle Änderung des Eingangssignals aus dem Vergleich mit dem Abbild aus der Vergangenheit (U2) von der Schwellwertschaltung erkannt werden.

Bevorzugt wird als Rückkopplungsschaltung 14 eine aktive Rückkopplungsschaltung eingesetzt, wie sie in der Patentschrift US 4,783,635 offenbart ist (Fig. 3). Bei dieser aktiven Rückkopplungsschaltung kann eine beliebig komplizierte Übertragungsfunktion G(s) (in Fig. 3) in zeitkontinuierlicher, besser aber in zeitdiskreter (beispielsweise durch sogenannte "Switched Capacitor Filter") Technik realisiert werden. Da zwischen U1 und U2 keine aktiven Verstärker eingefügt sind und der Eingang der Rückkopplungsschaltung keinen Strom aufnimmt, ist U2 hinsichtlich des Gleichspannungsanteils ein exaktes Abbild von U1. Der Eingang der Rückkopplungsschaltung 14 nimmt keinen Strom auf, weil die Eingangsstufe des in Fig. 3 gezeigten Verstärkers A2 von MOS-Transistoren gebildet wird. Somit kann über die Rückkopplungsschaltung wie auch über die Kapazität C3 kein Gleichstrom fließen. Dementsprechend kann man dieses Filter als "Offset-frei" bezeichnen.

Durch Wahl einer geeigneten Übertragungsfunktion G(s) lassen sich sehr steile Übertragungsfunktion für das adaptive Filter erzeugen, die einen flachen Kurvenverlauf im Durchlaßbereich und einen sehr steilen Abfall in den Sperrbereich aufweisen. In integrierten Sensoren kann diese Art der Filterung jedoch bereits zu einem großen Flächen- und/oder Leistungsbedarf führen, da zwei komplette Operationverstärker A2 und A3 benötigt werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filters dritter Ordnung. Dazu sind an dem Potentiometer zwei weitere Anschlüsse vorgesehen, über die das Potentiometer mit jeweils einer Kapazität Ca bzw. Cb verbunden ist. Über den dritten Anschluß Pa des Potentiometers ist wie bisher eine Kapazität Cc mit dem Potentiometer 3 verbunden.

Weiterhin ist in Fig. 4 eine Rückkopplungsschaltung 15 gezeigt, die einen Transistor M1, beispielsweise einen MOS- FET oder einen JFET, und eine Stromquelle Ibias aufweist. Der Transistors ist als sogenannter "Sourcefolger" beschaltet, wobei sein Steueranschluß mit dem dritten Anschluß Pa des Potentiometers 3 verbunden ist. Der Sourceanschluß des Transistors M1 ist mit der Kapazität Cb verbunden, wodurch die Kapazität Cb von dem dritten Anschluß Pa des Potentiometers 3 entkoppelt ist.

Durch das in Fig. 4 gezeigte erfindungsgemäße Filter wird ein adaptives Filter dritter Ordnung gebildet, das wiederum als sogenanntes "offset-freies" Filter bezeichnet werden kann. Da das in Fig. 4 gezeigte erfindungsgemäße Filter anstatt zweier Operationverstärker nur einen Transistor M1 und eine Stromquelle Ibias benötigt, kann das in Fig. 4 gezeigte erfindungsgemäße Filter auch bei Anwendungen verwendet werden, bei denen ein geringer Flächen- bzw. Leistungsbedarf gefordert werden.

Fig. 5 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tiefpassfilters. Das erfindungsgemäße Tiefpassfilter umfaßt einen Signaleingang U1 und einen Signalausgang U2. Weiterhin umfaßt das erfindungsgemäße Tiefpassfilter ein RC-Netzwerk, das sich aus den Widerständen Ra, Rb, Rc und den Kapazitäten Ca, Cb und Cc zusammensetzt. Das RC-Netzwerk ist dabei so ausgelegt, daß zwischen dem Signaleingang U1 und dem Signalausgang U2 eine Verbindung über die Widerstände Ra, Rb und Rc vorhanden ist, die nur Widerstände aufweist.

Weiterhin weist das erfindungsgemäße Tiefpassfilter eine Rückkopplungsschaltung 25 auf, die einen Transistor M1, beispielsweise einen MOS-FET oder einen JFET, und eine Stromquelle Ibias aufweist. Der Transistors ist als sogenannter "Sourcefolger" beschaltet, wobei sein Steueranschluß mit dem Signalausgang U2 verbunden ist. Der Sourceanschluß des Transistors M1 ist mit der Kapazität Cb verbunden, wodurch die Kapazität Cb von dem Signalausgang U2 entkoppelt ist. Insgesamt ergibt sich auf diese Weise ein Tiefpassfilter dritter Ordnung.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tiefpassfilters vierter Ordnung. Dazu ist ein RC-Netzwerk vorgesehen, das sich aus den Widerständen Ra, Rb, Rc, Rd und den Kapazitäten Ca, Cb, Cc und Cd zusammensetzt. Das RC-Netzwerk ist dabei wiederum so ausgelegt, daß zwischen dem Signaleingang U1 und dem Signalausgang U2 eine Verbindung über die Widerstände Ra, Rb, Rc und Rd vorhanden ist, die nur Widerstände aufweist.

Weiterhin ist in Fig. 6 eine Rückkopplungsschaltung 25 gezeigt, die wiederum einen Transistor M1, beispielsweise einen MOS-FET oder einen JFET, und eine Stromquelle Ibias aufweist. Der Transistors ist als sogenannter "Sourcefolger" beschaltet, wobei sein Steueranschluß mit dem Signalausgang U2 verbunden ist. Der Sourceanschluß des Transistors M1 ist mit den Kapazitäten Ca und Cc verbunden, wodurch die Kapazitäten Ca und Cc von dem Signalausgang U2 entkoppelt sind.

Durch das in Fig. 6 gezeigte erfindungsgemäße Tiefpassfilter kann ein Tiefpassfilter vierter Ordnung gebildet werden, das wiederum als sogenanntes "offset-freies" Filter bezeichnet werden kann.

Claims

1. Adaptives Filter zur analogen Filterung eines Signals mit:

a) einem Signaleingang und einem Signalausgang,
b) zumindest einem Potentiometer, das einen ersten, einen zweiten und einen dritten Anschluß aufweist, wobei durch den zweiten Anschluß das Potentiometer in zwei, in Reihe geschaltete Widerstände unterteilt werden kann, der Signaleingang über den ersten Anschluß mit dem Potentiometer und der Signalausgang über den zweiten Anschluß mit dem Potentiometer verbunden ist,
c) zumindest einer Kapazität, die mit dem Potentiometer über den dritten Anschluß des Potentiometers in Reihe geschaltet ist, und
d) zumindest einer Steuerschaltung, mit der die Unterteilung des Potentiometers in zwei, in Reihe geschaltete Widerstände durch den zweiten Anschluß steuerbar ist.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung eine Auswerteschaltung aufweist, welche den Betrag der Differenz zwischen der Spannung am ersten Anschluß des Potentiometers und der Spannung am dritten Anschluß des Potentiometers bildet und mit einer Schwellspannung vergleicht.

3. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung einen Zähler, insbesondere einen Vorwärts-/Rückwärtszähler, aufweist.

4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler durch ein Signal auf einen Ausgangswert zurückgesetzt werden kann.

5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler durch ein Taktsignal gesteuert wird und der Zähler durch ein Signal asynchron zu dem Taktsignal auf einen Ausgangswert zurückgesetzt werden kann.

6. Filter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bewertungsschaltung vorgesehen ist, die das Zurücksetzen des Zählers kontrolliert.

7. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Potentiometer eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Widerständen umfaßt und Schalter vorgesehen sind, durch die der zweite Anschluß des Potentiometers zwischen den Widerständen verschoben werden kann.

8. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückkopplungsschaltung vorgesehen ist, die mit der Kapazität verbunden ist, so daß ein Filter einer beliebigen Ordnung gebildet wird.

9. Filter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung ein Übertragungselement mit einer vorgegebenen Übertragungsfunktion enthält.

10. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Kapazitäten vorgesehen sind, die mit dem Potentiometer verbunden sind.

11. Filter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückkopplungsschaltung vorgesehen ist, die mit mindestens einer der Kapazitäten verbunden ist, so daß ein Filter mit einer vorgegebenen Ordnung gebildet wird.

12. Filter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung zumindest einen Transistor enthält, der als Sourcefolger beschaltet ist, wobei der Steueranschluß des Transistors mit dem dritten Anschluß des Potentiometers verbunden ist.

13. Filter nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung zumindest einen Transistor enthält, der eine Verstärkung von etwa 1 aufweist und/oder der die mit der Rückkopplungsschaltung verbundene Kapazität von dem dritten Anschluß des Potentiometers entkoppelt.

14. Tiefpassfilter zur analogen Filterung eines Signals mit:

a) einem Signaleingang und einem Signalausgang,
b) einem RC-Netzwerk mit mindestens zwei Widerständen und mindestens zwei Kapazitäten, wobei zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang eine Verbindung vorhanden ist, die nur Widerstände aufweist, und
c) einer Rückkopplungssschaltung, die mit mindestens einer der Kapazitäten verbunden ist, so daß ein Filter mit einer vorgegebenen Ordnung gebildet wird, wobei die Rückkopplungssschaltung einen Transistor aufweist, der als Sourcefolger beschaltet ist, und der Steueranschluß des Transistors mit dem Signalausgang verbunden ist.

15. Filter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor der Rückkopplungsschaltung eine Verstärkung von etwa 1 aufweist und der Transitor die mit der Rückkopplungsschaltung verbundene Kapazität von dem Signalausgang entkoppelt.

16. Filter nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Transitor der Rückkopplungsschaltung die mit der Rückkopplungsschaltung verbundene Kapazität von dem Signalausgang entkoppelt.