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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Tiefpassschaltung nach der Gattung
des unabhängigen
Patentanspruchs.
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Aus
US-6,134,282 ist bereits ein Tiefpass mit einer veränderbaren
Grenzfrequenz bekannt. Dazu wird eine Änderung einer Steuerfrequenz
verwendet.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Tiefpassschaltung mit
den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass die Veränderung
der Grenzfrequenz nunmehr mittels einer Pulsweitenmodulation erreicht
wird. Dies ist eine erheblich einfachere Lösung, da nun kein frequenzdurchstimmbares
Element vorgesehen sein muss. Damit können einfachere Komponenten
verwendet werden. Insbesondere ist es mit der erfindungsgemäßen Tiefpassschaltung
möglich,
kleinere Kapazitäten zur
Erreichung niedriger Grenzfrequenzen einzusetzen. Normalerweise
wäre bei
einer niedrigen Eckfrequenz der Einsatz hoher Widerstands- oder
Kapazitätswerte
notwendig. Insbesondere beim Einsatz in der Fahrzeugelektronik wird
jedoch die Verwendung von hochohmigen Widerständen vermieden, da Feuchtigkeit
und Verschmutzungen zu hochohmigen Nebenschlüssen führen können, die die Funktion der Schaltung
negativ beeinflussen. Die Verwendung größerer Kapazitätswerte
erhöht
die Kosten. Zudem haben Tantalkondensatoren, die höhere Kapazitätswerte
aufweisen, eine größere Toleranz über der
Lebensdauer und auch eine nicht zu vernachlässigende Temperaturabhängigkeit.
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Daher
kann mit der erfindungsgemäßen Tiefpassschaltung
durch die Verwendung der Pulsweitenmodulation auf kleinere Kapazitäten zurückgegriffen
werden, so dass nunmehr eine geringere Toleranz und eine Verbesserung
der Temperaturabhängigkeit
ermöglicht
wird.
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Durch
die im abhängigen
Anspruch angegebenen Maßnahmen
sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Tiefpassschaltung
möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass zur Pulsweitenmodulation ein Schalter vorgesehen
ist. Dieser Schalter wird vorteilhafter Weise durch Transistoren realisiert.
Dazu können
beispielsweise Feldeffekttransistoren eingesetzt werden.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1 ein
Schaltbild eines herkömmlichen Tiefpasses,
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2 ein
Schaltbild der erfindungsgemäßen Tiefpassschaltung
und
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3 ein
Vergleich der herkömmlichen
Tiefpassschaltung und der erfindungsgemäßen Tiefpassschaltung.
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Beschreibung
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Tiefpassfilter
finden insbesondere in der Fahrzeugelektronik zur Filterung hochfrequenter
Signale eine weiter Verbreitung. Insbesondere die Ausgangssignale
von Beschleunigungssensoren werden einer Tiefpassfilterung zur Glättung unterzogen.
Um dabei möglichst
geringe Grenzfrequenzen zu realisieren, müssten die Bauteilwerte des
verwendeten Widerstands und des Kondensators hoch ausfallen, da
diese Wert in der Gleichung zur Bestimmung der Grenzfrequenz im
Nenner stehen. Dies verbietet sich jedoch aus den oben genannten
Gründen.
Folglich wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
eine veränderbare
Grenzfrequenz dadurch zu erreichen, dass eine Pulsweitemodulation
realisiert wird, mit der die hohen Bauteilwerte simuliert werden.
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1 zeigt
ein Tiefpassfilter erster Ordnung mit einer Signalquelle Ue, einem
Widerstand R, der in Reihe zur Signalquelle Ue geschaltet ist, wobei
an einer anderen Seite des Widerstands R ein Ausgangsschluss Ua
und ein Kondensator C geschaltet ist. Der Kondensator C ist an seiner
anderen Seite mit dem anderen Ende der Signalquelle Ue verbunden.
Damit ist ein herkömmlicher
Tiefpass erster Ordnung realisiert. Die Grenzfrequenz berechnet
sich aus f_g = 1/(2·π·R·C).
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2 erläutert nun
die erfindungsgemäße Lösung. Nun
ist zwischen der Signalquelle Ue und dem Widerstand ein Schalter
S vorgesehen, der durch einen Pulsweiten moduliertes Signal Ust
geöffnet
und geschlossen wird. Der Widerstand R ist wiederum an seiner anderen
Seite mit dem Ausgangsschluss Ua und dem Kondensator C verbunden,
der dann wiederum an das andere Ende der Signalquelle Ue angeschlossen
ist. Der Schalter S wird demnach über das getaktete Signal Ust
gesteuert. Die erforderliche Pulsweite t_Pw ist abhängig vom
gewünschten Kapazitätsverhältnis. Die
Grenzfrequenz berechnet sich zu f_g = 1/(2·π·R·t_PW·C). Dabei ist die Größe t_Pw
auf eine Sekunde bezogen, so dass diese Größe dimensionslos ist. Die Frequenz
des Steuersignals Ust muss viel Größer als die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters
aus 1 sein. Diese Grenzfrequenz entspricht den Größen, die
durch die Werte der Komponenten R und C gegeben sind. Durch eine
Variation der Pulsweite lässt
sich die Grenzfrequenz ändern.
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Als
Schalter S können
verschiedene Komponenten, die eine Schaltfunktion ausführen können, eingesetzt
werden. Dazu zählen
neben Feldeffekt- und Biopolartransistoren auch mechanische Schalter die
zur Realisierung der entsprechenden Pulsweitenmodulation geeignet
sind.
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3 zeigt
die Ausgangssignale des Tiefpassfilters gemäß 1 und des
modifizierten erfindungsgemäßen Tiefpassfilters
mit einer Pulsweite von t_Pw = 0,1. Dabei ist durch die Kurve 30 das
Eingangssignal, die Kurve 32 das Ausgangssignal des Tiefpassfilters
gemäß 1 gezeigt
und durch die Kurve 31 das Ausgangssignal des erfindungsgemäßen Tiefpassfilters.
Der Vergleich der beiden Ausgangssignale Ua zeigt, dass das Ausgangssignal
des erfindungsgemäßen Tiefpassfilters 31 eine
erheblich geringere Grenzfrequenz aufweist und damit höherfrequente
Signalanteile besser herausfiltert, als das der herkömmliche
Tiefpassfilter vermag. Verringert sich das Testverhältnis ohne
die Schaltfrequenz, dann erhöht
sich jedoch der Rauschanteil des Ausgangssignals Ua.
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Die
Ansteuerung des Schalters S kann beispielsweise durch eine Rechnerschaltung
realisiert sein. Dazu kann beispielsweise in einem Steuergerät der Prozessor
bzw. μ-Controller verwendet
werden. In Abhängigkeit
von Funktionen ist es dabei möglich, dass
die Grenzfrequenz verändert
wird, indem die Pulsweite entsprechend eine Veränderung erfährt. Soll der Tiefpassfilter
beispielsweise zur Tiefpassfilterung von Beschleunigungssignalen
verwendet werden, kann je nach Signalanalyse die Grenzfrequenz erhöht oder
erniedrigt werden, um bessere Aussagen über das Signal zu erhalten.
Es ist jedoch auch möglich,
eine feste Pulsweitenmodulation einzustellen, die durch eine festverdrahtete
elektronische Schaltung realisiert ist.