DE102004052416B4

DE102004052416B4 - Regelkreisfilter

Info

Publication number: DE102004052416B4
Application number: DE102004052416A
Authority: DE
Inventors: Andreas Menkhoff
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: CN1797242A; CN1797242B; US7304546B2; DE102004052416A1; US20060091963A1

Abstract

Regelkreis mit einstellbarem Filterverhalten und einstellbarer Grenzfrequenz zum Filtern eines Eingangssignals, wobei der Regelkreis einen Subtrahierer enthält, der von dem zu filternden Eingangssignal ein Rückführsignal zur Erzeugung eines Regeldifferenzsignals subtrahiert, das an eine Regelstrecke angelegt wird, deren Ausgangssignal das gefilterte Ausgangssignal des Regelkreises bildet und das durch ein Schleifenfilter zur Erzeugung des Rückführsignals gefiltert wird, wobei das Schleifenfilter mittels eines Filterkoeffizientensatzes, der jeweils mindestens einen Filterkoeffizienten aufweist, einstellbar ist, wobei jeder Filterkoeffizient von einem Einstellparameter abhängt, wobei ein Filterkoeffizientensatz zur Einstellung des Filterverhaltens des Regelkreises selektierbar ist, und wobei die Grenzfrequenz des Regelkreises in Abhängigkeit von dem Einstellparameter extern einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelkreisfilter mit einstellbarem Filterverhalten und einstellbarer Grenzfrequenz, wobei das Regelkreisfilter ein skalierbares Übertragungsverhalten aufweist.
In vielen technischen Geräten, insbesondere in Signalempfängern, sind ein oder mehrere Regelkreise vorgesehen.
1 zeigt einen Regelkreis nach dem Stand der Technik. Eine Einrichtung des Regelkreises subtrahiert von einem an einem Eingang E anliegenden Eingangssignal ein Ruckführsignal, das von einem internen Schleifenfilter abgegeben wird. Diese Einrichtung wird beispielsweise in einer Trägerfrequenzregelschleife durch einen Mischer gebildet, der die Trägerfrequenzabweichung des Eingangssignals für die Regelstrecke vermindert. Die durch den Mischer bzw. Subtrahierer erzeugte Regeldifferenz bzw. Regelabweichung gelangt über eine Regelstrecke zu einem Ausgang A des Regelkreises. Das Ausgangssignal der Regelstrecke bzw. die Regelgröße wird durch das Schleifenfilter gefiltert und als Ruckführsignal an den Subtrahierer abgegeben. Das Schleifenfilter bzw. der Regler koppeln das Ausgangssignal des Regelkreises an den Eingang zuruck. In Abhängigkeit von der zu regelnden Regelstrecke wird das Schleifenfilter bzw. der Regler gewählt. Der in 1 dargestellte Regelkreis nach dem Stand der Technik enthält einen PID-Regler, der sich aus einem Proportional-(P-)Regler, einem Integral-(I-)Regler und einem Differential-(D-)Regler zusammensetzt.
Das Rückführsignal, das von dem PID-Regler bzw. dem Schleifenfilter abgegeben wird, ergibt sich aus dem Ausgangssignal wie folgt:
wobei K_P, K_I, K_D die Übertragungswerte bzw. Regelparameter des Reglers darstellen.
Die Übertragungsfunktion des des Schleifenfilters lautet:
1 zeigt einen Regelkreis mit einem PID-Regler, bei dem ein Proportionalregler, ein Integratorregler und ein Differentialregler parallel in einem Schleifenfilter geschaltet sind. Ein derartiges Schleifenfilter kann durch Parallelschaltung von weiteren Signalzweigen, in denen beispielsweise mehrere Integratoren oder Differentiatoren in Reihe geschaltet sind, erweitert werden. Die Wahl des Schleifenfilters bzw. Reglers richtet sich nach der zu regelnden Regelstrecke. Regelstrecken mit einem verzögernden Übertragungsverhalten benötigen einen I- bzw. PI-Regler. Regelstrecken mit einem Integrationsverhalten kommen zwar mit einem P-Regler aus, allerdings sind gewisse zusätzliche Verbesserungen mit einem PI-Regler moglich. Bei vielen Regelaufgaben ist ein PID-Regler hinsichtlich Realisierungsaufwand, Handhabung und erzielbarer Wirkung vorteilhaft.
Der in 1 dargestellte Regelkreis nach dem Stand der Technik kann in digitaler oder in analoger Form aufgebaut werden. Regelkreise werden insbesondere in den Signalempfängern eingesetzt. Diese Regelkreise sind je nach unterschiedlichen Anforderungen unterschiedlich einzustellen. Beim Einregeln auf ein Eingangssignal wird der Regelkreis in einem Akquisitionsmodus zunächst derart eingestellt, dass er möglichst schnell ist, d. h. derart, dass er die Regelabweichung möglichst schnell minimiert. Anschließend wird der Regler des Regelkreises derart eingestellt, dass er träge bzw. langsam ist, um Störungen der Regelabweichung gut zu unterdrücken.
Die Einstellung des Reglers bzw. des Schleifenfilters erfolgt mit Hilfe der Regelparameter K_P, K_I, K_D.
In einer integrierten Schaltung befinden sich bei vielen Anwendungen eine Vielzahl von Regelkreisen. Beispielsweise ist es üblich, auf einem digitalen Empfänger einen Regelkreis zur analogen Verstärkungseinstellung, einen weiteren Regelkreis zur digitalen Verstärkungseinstellung, einen Regelkreis zur Trägerfrequenzeinstellung, einen Regelkreis zur Trägerphaseneinstellung und schließlich einen weiteren Regelkreis zur Taktphaseneinstellung vorzusehen. Darüber hinaus sind weitere Regelkreise zur Kanalschätzung innerhalb eines Empfängers vorgesehen. Es ist daher in vielen Anwendungsschaltungen, insbesondere in Empfängern, notwendig, mehr als sechs Regelkreise einzustellen, die sich darüber hinaus auch noch gegenseitig beeinflussen. Weist jeder der mehr als sechs Regelkreise einen PI-Regler bzw. einen PI-Schleifenfilter auf, so sind mehr als 12 Regelparameter einzustellen. Ist jeder Regelkreis mit einem PID-Regler versehen, so sind durch den Anwender mehr als 18 Regelparameter einzustellen. Bei einem PID-Quadratregler sind sogar mehr als 24 Regelparameter einzustellen. Die Einstellung der Regelparameter bewirkt eine Änderung der Grenzfrequenz des Regelkreises sowie eine durch den Anwender schwer vorhersehbare Änderung des Filterverhaltens bzw. der Filtercharakteristik des Regelkreises.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Regelkreis zu schaffen, dessen Filterverhalten und dessen Grenzfrequenz in einfacher Weise für einen Anwender einstellbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Regelkreis mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft einen Regelkreis mit einstellbarem Filterverhalten und mit einstellbarer Grenzfrequenz zum Filtern eines Eingangssignals,
wobei der Regelkreis eine Einrichtung enthält, die von dem zu filternden Eingangssignal ein Rückführsignal zur Erzeugung eines Regeldifferenzsignals subtrahiert, das an eine Regelstrecke angelegt wird, deren Ausgangssignal das gefilterte Ausgangssignal des Regelkreises bildet und das durch ein Schleifenfilter zur Erzeugung des Rückführsignals gefiltert wird,
wobei das Schleifenfilter mittels eines Filterkoeffizientensatzes, der jeweils mindestens einen Filterkoeffizienten (K_P, K_I, K_D) aufweist, einstellbar ist,
wobei jeder Filterkoeffizient von einem Einstellparameter abhängt,
wobei der Regelkreis einen Speicher aufweist, der mehrere durch einen Anwender einstellbare Filtercharakteristika des Regelkreises speichert, wobei die gespeicherten Filtercharakteristika jeweils für jeden Filterkoeffizienten des Schleifenfilters eine zugehörige Koeffizientengleichung aufweisen und wobei eine Grenzfrequenz der Filtercharakteristika in Abhängigkeit von dem Einstellparameter einstellbar ist.
Bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelkreises gibt jede gespeicherte Koeffizientengleichung dabei die Abhängigkeit eines Filterkoeffizienten des Schleifenfilters von dem Einstellparameter an.
Bei einer bevorzugten Ausführungsformen sind die Filterkoeffizientengleichungen eines Filtertyps in Abhängigkeit von einem externen Selektionssignal zur Selektion des Filterverhaltens bzw. des Filtertyps aus dem Speicher auslesbar.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Filterkoeffizienten des Schleifenfilters mittels der aus dem Speicher ausgelesenen Filterkoeffizientengleichungen des selektierten Filtertyps in Abhängigkeit von dem extern angelegten Einstellparameter eingestellt.
Das Schleifenfilter weist vorzugsweise mindestens einen Multiplizierer auf, der jeweils einen in Abhängigkeit von dem Einstellparameter eingestellten Filterkoeffizienten mit dem Ausgangssignal der Regelstrecke multipliziert.
Dabei ist der Multiplizierer vorzugsweise über nur einen Proportionalregler, einen Integralregler oder einen Differentialregler an einen Addierer des Schleifenfilters angeschlossen.
Das Schleifenfilter ist vorzugsweise ein PID-Schleifenfilter.
Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelkreises weist das Schleifenfilter mindestens einen Multiplexer auf, der ausgangsseitig über ein Proportionalglied, einen Integrator oder einen Differentiator an einen Addierer des Schleifenfilters angeschlossen ist und der eingangsseitig an mehrere parallel verschaltete Berechnungsschaltungen angeschlossen ist, wobei eine Berechnungsschaltung in Abhängigkeit von einem externen Selektionssignal an den Ausgang des Schleifenfilters durchgeschaltet wird.
Die Anzahl (N) der parallel verschalteten Berechnungsschaltungen entspricht vorzugsweise der Anzahl der einstellbaren Filtertypen des Regelkreises.
Vorzugsweise berechnet jede Berechnungsschaltung jeweils einen Filterkoeffizienten des Schleifenfilters in Abhangigkeit von dem Einstellparameter.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Schleifenfilter einen Multiplizierer auf, der den Einstellparameter (K_in) mit dem Ausgangssignal der Regelstrecke multipliziert und das multiplizierte Signal an alle Berechungsschaltungen des Schleifenfilters abgibt.
Der erfindungsgemäße Regelkreis weist vorzugsweise ein IIR-Filterverhalten auf.
Bei einer ersten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Regelkreis analog aufgebaut.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Regelkreis digital aufgebaut.
Der in der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelkreises vorhandene Speicher ist vorzugsweise über eine Schnittstelle programmierbar.
Die Regelstrecke des erfindungsgemäßen Regelkreises wird vorzugsweise durch eine Signalverzögerungsstrecke gebildet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelkreises ist das einstellbare Filterverhalten vorzugsweise u. a. als Butterworth-Filter, als Chebyshev-Filter oder als elliptisches Filter einstellbar.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelkreises ist dieser auf einem Chip integriert.
Des Weiteren werden bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Regelkreises unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren zur Erläuterung erfindungswesentlicher Merkmale beschrieben.
Es zeigen:
1 einen Regelkreis nach dem Stand der Technik;
2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelkreises;
3 eine Variante der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelkreises;
4 das Übertragungsverhalten des in 3 dargestellten Regelkreises gemäß der ersten Ausführungsform;
5 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelkreises;
6 eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelkreises mit Chebyshev-Filterverhalten;
7a, 7b zwei umschaltbare Filtercharakteristika des in 6 dargestellten Regelkreises gemäß der Erfindung.
2 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelkreises 1. Der Regelkreis 1 dient zum Filtern eines Eingangssignals, das an einem Signaleingang 2 des Regelkreises angelegt wird. Das zu filternde Eingangssignal wird einer internen Regelschleife 3 des erfindungsgemäßen Regelkreises 1 zugeführt. Das Eingangssignal kann dabei komplexwertig sein. Die Regelschleife 3 kann durch einen Regelkreis nach dem Stand der Technik, wie er in 1 dargestellt ist, gebildet sein. Die Regelschleife 3 enthält eine Einrichtung 4, die von dem an dem Signaleingang 2 anliegenden, zu filternden Eingangssignal ein Rückführsignal x_R zur Erzeugung eines Regeldifferenzsignals x_d subtrahiert. Das Regeldifferenzsignal wird von dem Subtrahierer 4 an eine Regelstrecke 5 angelegt. Bei der Einrichtung 4 handelt es sich vorzugsweise um einen Subtrahierer. Bei einer alternativen (nicht dargestellten) Ausführungsform wird die Einrichtung 4 durch einen Mischer gebildet, wobei bei dieser Ausführungsform noch zusätzlich ein Trägerphasendetektor bzw. ein Trägerfrequenzdetektor in dem Rückkoppelzweig vor dem Schleifenfilter 7 vorgesehen ist. Alternativ wird die Einrichtung 4 durch ein Resampling-Filter oder durch eine Cordic-Schaltung gebildet. Bei der Regelstrecke 5 handelt es sich vorzugsweise um eine Signalverzögerungsstrecke. Das Ausgangssignal der Regelstrecke 5 wird über eine Leitung an einen Signalausgang 6 des Regelkreises 1 abgegeben. Das von der Regelstrecke 5 abgegebene Ausgangssignal wird ferner über eine Leitung an ein Schleifenfilter 7 der Regelschleife 3 angelegt, welche das Ausgangssignal der Regelstrecke 5 zur Erzeugung des Rückführsignals filtert. Bei dem Schleifenfilter 7 handelt es sich vorzugsweise um ein PID-Schleifenfilter. Das Schleifenfilter 7 wird mittels Filterkoeffizienten bzw. mittels Regelparameter über Einstellleitungen 8 eingestellt. Der erfindungsgemäße Regelkreis 1 gemäß der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform enthält zusätzlich zu der Regelschleife 3 einen Speicher 9.
In dem Speicher 9 sind N Koeffizientengleichungen abgespeichert, die jeweils eine Filtercharakteristik bzw. einen Filtertyp festlegen. Eine erste Filtercharakteristik zeigt beispielsweise ein Butterworth-Filterverhalten, und eine zweite Filtercharakteristik beschreibt ein Chebyshev-Filterverhalten. Die Filtercharakteristika bzw. Koeffizientengleichungen können auch Varianten des jeweiligen Filtertyps angeben, beispielsweise ein Chebyshev-Filter mit starkem Überschwingen bzw. ein Chebyshev-Filter mit geringem Überschwingverhalten. Jede in dem Speicher 9 abgespeicherte Filtercharakteristik umfasst für jeden Filterkoeffizienten eines einzustellenden Schleifenfilters 7 eine zugehörige Koeffizientengleichung. Sind in dem Schleifenfilter 7 M Filterkoeffizienten K_i einzustellen, umfasst jede Filtercharakteristik, die in dem Speicher 9 abgespeichert ist, M Koeffizientengleichungen. Jede Koeffizienten- bzw. Parametergleichung wiederum gibt die Abhängigkeit des Filterkoeffizienten des Schleifenfilters 7 von einem externen Einstellparameter (K_in) an.
Der Regelkreis 1 gemäß der Erfindung weist einen Einstelleingang 10 auf, über den der Anwender bzw. die Vorrichtung, in die der Regelkreis 1 eingebaut ist, den Einstellparameter K_in einstellen bzw. variieren kann.
Über Selektions- bzw. Adressleitungen 11 wird eine der in dem Speicher 9 abgespeicherten Filtercharakteristika von dem Anwender ausgewählt. Die verschiedenen Filtercharakteristika des Speichers 9 werden vorab vorzugsweise uber eine Schnittstelle 12 in den Speicher 9 einprogrammiert. Der Anwender selektiert die gewünschte Filtercharakteristik und stellt die Vielzahl der Schleifenparameter bzw. Filterkoeffizienten durch Veränderung eines einzigen externen Einstellparameters (K_in) ein. Der Anwender stellt somit bei dem erfindungsgemäßen Regelkreis 1 nicht mehr wie bisher die Vielzahl von Schleifenparametern bzw. Filterkoeffizienten des Schleifenfilters 7 getrennt ein, sondern selektiert einen Filtertyp und variiert dann erfindungsgemäß lediglich einen einzigen Einstellparameter K_in. Der Benutzer bzw. die Anwendungssoftware übergibt dem Regelkreis 1 gemäß der Erfindung ein Selektionssignal zur Selektion des Filtertyps und einen Einstellparameter (K_in) zur Einstellung der Frequenzbandbreite des erfindungsgemäßen Regelkreises 1. Der Regelkreis weist ein Hochpass-Übertragungsverhalten auf, wobei die Grenzfrequenz fg des Hochpass-Übertragungsverhaltens durch den extern einstellbaren Einstellparameter K_in variiert wird. Indem der Anwender nur einen einzigen Regelparameter bzw. Einstellparameter K_in zu variieren hat, ist die Einstellung des erfindungsgemäßen Regelkreises 1 im Vergleich zu einer herkömmlichen Regelschleife, wie sie in 1 dargestellt ist, erheblich vereinfacht. Insbesondere bei einem Empfänger, der eine Vielzahl von Regelkreisen enthält, benötigt der Anwender bzw. die Anwendungssoftware nur einen Einstellparameter pro Regelkreis, so dass die Einstellung des Empfängers erheblich erleichtert bzw. beschleunigt wird.
3 zeigt eine Implementierung des erfindungsgemäßen Regelkreises gemaß der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform. Das Schleifenfilter 7 wird wie in 3 durch einen PID-Regler gebildet. Das Schleifenfilter 7 filtert das Ausgangssignal der Regelstrecke 5 zur Erzeugung eines Rückführsignals. Dabei enthält das Schleifenfilter 7 einen ersten Multiplizierer 7-1, einen zweiten Multiplizierer 7-2 und einen dritten Multiplizierer 7-3. Ausgangsseitig ist der erste Multiplizierer 7-1 an ein Proportionalglied 7-4 angeschlossen. Bei dem zweiten Multiplizierer 7-2 ist ein Integrator 7-5 nachgeschaltet. Dem dritten Multiplizierer 7-3 ist ein Differentiator 7-6 nachgeschaltet. Die Ausgangssignale des Proportionalgliedes 7-4, des Integrators 7-5 und des Differentiators 7-6 werden über Leitungen einem Addierer 7-7 zugeführt, der die Signale zu dem Rückführsignal addiert. Die in dem Schleifenfilter 7 vorgesehenen Multiplizierer 7-1, 7-2, 7-3 multiplizieren jeweils das Ausgangssignal x_a der Regelstrecke 5 mit einem Filterkoeffizienten bzw. Regelparameter K_P, K_I, K_D. Die Filterkoeffizienten K_P, K_I, K_D werden über Einstellleitungen 8-1, 8-2, 8-3 angelegt. Der Benutzer selektiert über die Adressleitung 11 einen Satz von Koeffizientengleichungen, die in dem Speicher 9 abgespeichert sind, und stellt über den Einstelleingang 10 einen externen Einstellparameter K_in ein. Mittels der aus dem Speicher a ausgelesenen Koeffizientengleichungen werden die Filterkoeffizienten K_P, K_I, K_D für das Schleifenfilter 7 in Abhängigkeit von dem eingestellten externen Parameter K_in berechnet. Jeder Satz von Koeffizientengleichungen entspricht einem gewünschten Filtertyp, der ein vorgegebenes Filterverhalten aufweist. Durch die Einstellung des Einstellparameters K_in wird die gewünschte Grenzfrequenz fg eingestellt.
Die charakteristische Funktion eines Butterworth-Filters bei der die Regelstrecke 5 ein Delay ist wie folgt gegeben: H(S)·H(–s) = (64 s² – 32 s⁴ + 4 s⁶)(–64 ki² + 64 s² – 64 ki s² – 128 kd ki s² + 48 ki² s² + 128 kp s² + 64 ki kp s² + 64 kp² s² – 32 s⁴ – 192 kd s⁴ – 64 kd² s⁴ + 32 ki s⁴ – 12 ki² s⁴ – 64 kd kp s⁴ – 32 ki kp s⁴ – 32 kp² s⁴ + 4 s⁶ – 16 kd s⁶ + 16 kd² s⁶ – 4 ki s⁶ + 8 kd ki s⁶ + ki² s⁶ – 8 kp s⁶ + 16 kd kp s⁶ + 4 ki kp s⁶ + 4 kp² s⁶) (3)
Die in Gleichung (3) dargestellte Funktion stellt einen Butterworth-Hochpass dar, sofern die Potenzen s⁶, s⁴ und s² gleich sind. Ein Lösen des Gleichungssystems und die anschließende Taylorreihenentwicklung um K_i = K_in = 0 ergibt:
Diese Charakteristik ist in dem Speicher 9 als ein Satz von Koeffizientengleichungen abgespeichert.
Der Anwender bzw. die Anwendungssoftware stellt das Filterverhalten des Regelkreises 1 entsprechend einem Butterworth-Filterverhalten ein, indem der Anwender über die Selektionsleitungen 9 den entsprechenden Satz an Koeffizientengleichungen bzw. die entsprechende Filtercharakteristik aus dem Speicher 9 ausliest. Anschließend wird über die Einstellung des externen Einstellparameters K_in die Grenzfrequenz fg des Butterworth-Hochpasses variiert.
4 zeigt das Übertragungsverhalten des erfindungsgemaßen Regelkreises 1 bei selektiertem Butterworth-Hochpassfilterverhalten bei Änderung des Einstellparameters K_in. Mit ansteigendem Einstellparameter nimmt die 3-Dezibel-Grenzfrequenz fg der Übertragungsfunktion H(f) des Regelkreises 1 zu. Für den Anwender ist es somit sehr einfach, durch Selektion des gewünschten Filterverhaltens und durch anschließende Einstellung des externen Einstellparameters K_in die Grenzfrequenz fg bzw. die Bandbreite einzustellen.
Durch Programmierung des Speichers 9 kann einer Vielzahl von unterschiedlichen Filtercharakteristiken bzw. Filtertypen für unterschiedlichste Anwendungen zur Verfügung gestellt werden. Daher ist der erfindungsgemäßen Regelkreis 1 gemäß 3 besonders flexibel für unterschiedliche Einsatzgebiete anwendbar.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Regelkreises 1 gemäß der ersten Ausführungsform besteht ferner darin, dass eine beliebige Regelschleife 3 dazu eingesetzt werden kann, ein Signalfilter mit beliebigem Filterverhalten zu schaffen, das besonders einfach einstellbar ist. Der erfindungsgemäße Regelkreis 1 gemäß der ersten Ausfuhrungsform kann somit gängige Regelschleifen 3 zu einem universell einsetzbaren, leicht einstellbaren Signalfilter umfunktionieren.
5 zeigt eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelkreises 1.
Bei der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform ist kein Speicher 9 wie bei der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform vorgesehen, sondern die Berechnung der Filterkoeffizienten erfolgt mittels festverdrahteter Berechnungsschaltungen. Diese Berechnungsschaltungen sind innerhalb des Schleifenfilters 7 vorgesehen. Das von der Regelstrecke 5 abgegebene Ausgangssignal x_a wird durch einen Multiplizierer 7-8 des Schleifenfilters 7 mit dem extern einstellbaren Einstellparameter K_in multipliziert. Das Schleifenfilter 7 der in 5 dargestellten zweiten Ausfuhrungsform weist im Gegensatz zum Schleifenfilter 7 der in 3 dargestellten ersten Ausführungsform lediglich einen Multiplizierer auf. Hierdurch wird der Hardwareaufwand verringert. Das Schleifenfilter 7 gemäß der zweiten Ausführungsform weist mehrere Multiplexer 7-9, 7-10, 7-11 auf, wobei der erste Multiplexer 7-9 über ein Proportionalglied 7-4, der zweite Multiplexer 7-10 über einen Integrator 7-4 und der dritte Multiplexer 7-11 über einen Differentiator 7-6 an einen Addierer 7-7 des Schleifenfilters 7 angeschlossen ist. Jeder der Multiplexer weist einen Steuereingang auf, an den ein Selektionssignal SEL zur Auswahl eines Multiplexereingangs angelegt wird. Jeder Multiplexer weist eine Anzahl N von Multiplexereingängen auf, die jeweils an Ausgänge von Berechnungsschaltungen angeschlossen sind. Die Anzahl der parallel verschalteten Berechnungsschaltungen, die an einen Multiplexer angeschlossen sind, entspricht der Anzahl der einstellbaren Filtertypen des erfindungsgemäßen Regelkreises 1 gemäß der zweiten Ausführungsform. Jede Berechnungsschaltung berechnet einen Filterkoeffizienten des Schleifenfilters 7 in Abhängigkeit von dem externen Einstellparameter K_in. Bei der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform weisen die jeweils an dem ersten Eingang der Multiplexer 7-9, 7-10, 7-11 angeschlossenen Berechnungsschaltungen folgende Berechnungsfunktion auf:
6 zeigt eine spezielle Implementierung der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelkreises 1. Bei der in 6 dargestellten Implementierung weist der erfindungsgemäße Regelkreis 1 ein Chebyshev-Filterverhalten auf. Das Schleifenfilter 7 des Regelkreises 1 ist ein PID-Regler mit einem Proportionalglied 7-4 in Form eines Inverters, einem Integrationsschaltkreis 7-5 und einem Differentiator 7-6. Das Ausgangssignal der Regelstrecke 5 wird durch den Multiplizierer 7-8 des Schleifenfilters 7 mit dem externen Einstellparameter K_in multipliziert und an einen Signaleingang eines Schieberegisters 7-12 angelegt. Das Schieberegister 7-12 ist ein Schieberegister, welcher das angelegte Signal in Abhängigkeit von dem Selektsignal SEL entweder um 1 Bit oder um 2 Bit nach rechts schiebt. Das Schieberegister 7-12 fuhrt somit entweder eine Division durch einen Wert zwei oder eine Division durch einen Wert vier in Abhängigkeit von dem Selektsignal SEL durch. Das Ausgangssignal des Schieberegisters 7-12 wird einerseits dem Inverter 7-4 zugeführt, und andererseits einem zweiten Schieberegister 7-13. Das Schieberegister 7-13 schiebt das angelegte Signal um 1 Bit nach rechts, so dass stets eine Division durch den Wert zwei erfolgt. Das Schieberegister 7-13 ist im Gegensatz zu dem Schieberegister 7-12 nicht variabel einstellbar, sondern führt stets eine Bitverschiebung um 1 Bit nach rechts durch.
Ist das Selektionssignal SEL logisch niedrig, wird eine Filtercharakteristik B eingestellt mit:
x_int = K_in·x_a (8)
Wird das Selektionssignal SEL logisch hoch, führt das Schieberegister 7-12 eine Division durch vier durch, indem eine Bitverschiebung um 2 Bit nach rechts erfolgt. Dies ergibt die Filtercharakteristik A, wobei:
x_int = K_in (11)
Die 7a, 7b zeigen das Übertragungsverhalten der in 6 dargestellten Implementierung des erfindungsgemäßen Regelkreises 1 gemäß der zweiten Ausführungsform als Chebyshev-Filter. Ist das Selektionssteuersignal SEL logisch hoch, wird die Filtercharakteristik A eingestellt, während bei einem logisch niedrigen Selektionssignal SEL die Filtercharakteristik B eingestellt wird. Die Filtercharakteristik A weist ein geringes Schwanken (ripple) der Übertragungsfunktion im Durchlassfrequenzbereich auf. Demgegenüber weist die Filtercharakteristik B ein relativ großes Schwanken der Übertragungsfunktion im Durchlassfrequenzbereich auf. Je nach Anforderung kann der Anwender zwischen der Filtercharakteristik A und der Filtercharakteristik B eines Chebyshev-Hochpassfilters durch Einstellung des Selektionssignals SEL wahlen. Durch Änderung des Einstellparameters K_in kann er zudem die Grenzfrequenz f_g des Hochpassfilters in einfacher Weise einstellen. Durch Erhöhung des Einstellparameters K_in wird die Grenzfrequenz f_g bzw. die Bandbreite des Regelkreises 1 erhöht. Der Anwender stellt die Filtereigenschaften des Regelkreises 1 nicht durch direkte Einstellung der Filterkoeffizienten ein, sondern durch Auswahl einer gewünschten Filtercharakteristik und anschließend durch Einstellung einer gewünschten Grenzfrequenz fg dieser Filtercharakteristik in Abhängigkeit eines extern einstellbaren Einstellparameters K_in. Die in 6 dargestellte Ausführungsform zeigt einen digital aufgebauten Regelkreis 1. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der erfindungsgemäße Regelkreis 1 auch analog aufgebaut werden. Durch den erfindungsgemäßen Regelkreis 1 sind beliebige Filtercharakteristika implementierbar. Bei einem Schleifenfilter 7 kann es sich um einen beliebig aufgebauten Regler handeln. Wie das in 6 dargestellte Ausfuhrungsbeispiel belegt, können Filtercharakteristika mit sehr geringem schaltungstechnischem Aufwand mit dem erfindungsgemäßen Regelkreis 1 realisiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Regelkreis
2: Eingang
3: Regelschleife
4: Subtrahierer
5: Regelstrecke
6: Ausgang
7: Schleifenfilter
8: Einstellleitungen
9: Speicher
10: Einstelleingang
11: Selektionseingang

Claims

Regelkreis mit einstellbarem Filterverhalten und einstellbarer Grenzfrequenz zum Filtern eines Eingangssignals, wobei der Regelkreis (1) eine Subtrahier-Einrichtung (4) enthalt, die von dem zu filternden Eingangssignal ein Rückführsignal (x_R) zur Erzeugung eines Regeldifferenzsignals (x_d) subtrahiert, das an eine Regelstrecke (5) angelegt wird, deren Ausgangssignal das gefilterte Ausgangssignal (x_a) des Regelkreises (1) bildet und das durch ein Schleifenfilter (7) zur Erzeugung des Rückführsignals (x_R) gefiltert wird, wobei das Schleifenfilter (7) mittels eines Filterkoeffizientensatzes, der jeweils mindestens einen Filterkoeffizienten (K_P, K_I, K_D) aufweist, einstellbar ist, wobei jeder Filterkoeffizient von einem Einstellparameter (K_in) abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (1) einen Speicher (9) aufweist, der mehrere durch einen Anwender einstellbare Filtercharakteristika des Regelkreises (1) speichert, wobei die gespeicherten Filtercharakteristika jeweils für jeden Filterkoeffizienten des Schleifenfilters (7) eine zugehörige Koeffizientengleichung aufweisen und wobei eine Grenzfrequenz (f_g) der Filtercharakteristika in Abhängigkeit von dem Einstellparameter (K_in) einstellbar ist.
Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede gespeicherte Koeffizientengleichung die Abhängigkeit eines Filterkoeffizienten des Schleifenfilters (7) von dem externen Einstellparameter (K_in) angibt.
Regelkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterkoeffizientengleichungen für ein Filterverhalten des Regelkreises (1) in Abhängigkeit von einem externen Selektionssignal zur Selektion des Filterverhaltens aus dem Speicher (9) auslesbar sind.
Regelkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterkoeffizienten des Schleifenfilters (7) mittels der aus dem Speicher (9) ausgelesenen Filterkoeffizientengleichungen des selektierten Filterverhaltens in Abhängigkeit von dem angelegten Einstellparameter (K_in) eingestellt werden.
Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifenfilter (7) mindestens einen Multiplizierer enthält, der jeweils einen in Abhängigkeit von dem Einstellparameter (K_in) eingestellten Filterkoeffizienten mit dem Ausgangssignal (x_a) der Regelstrecke (5) multipliziert.
Regelkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Multiplizierer über ein Proportionalglied, einen Integrator oder einen Differentiator an einen Addierer des Schleifenfilters (7) angeschlossen ist.
Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifenfilter (7) ein PID-Schleifenfilter ist.
Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifenfilter (7) mindestens einen Multiplexer aufweist, der ausgangsseitig über ein Proportionalglied, einen Integrator oder einen Differentiator an einen Addierer des Schleifenfilters (7) angeschlossen ist und der eingangsseitig an mehrere parallel verschaltete Berechnungsschaltungen angeschlossen ist, wobei jede Berechnungsschaltung in Abhängigkeit von einem externen Selektionssignal an den Ausgang des Multiplexers durchgeschaltet wird.
Regelkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (N) der parallel verschalteten Berechnungsschaltungen der Anzahl der einstellbaren Filtertypen des Regelkreises (1) entspricht.
Regelkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Berechnungsschaltung jeweils einen Filterkoeffizienten des Schleifenfilters (7) in Abhängigkeit von dem Einstellparameter (K_in) berechnet.
Regelkreis nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifenfilter (7) einen Multiplizierer (7-8) aufweist, der den Einstellparameter (K_in) mit dem Ausgangssignal (x_a) der Regelstrecke multipliziert und das multiplizierte Signal an alle Berechnungsschaltungen des Schleifenfilters (7) abgibt.
Regelkreis nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis ein IIR-Filterverhalten aufweist.
Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis analog aufgebaut ist.
Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis digital aufgebaut ist.
Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (9) über eine Schnittstelle (12) programmierbar ist.
Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelstrecke (5) eine Signalverzögerungsstrecke ist.
Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das einstellbare Filterverhalten des Regelkreises ein Butterworth-Filterverhalten, ein Chebyshev-Filterverhalten oder ein elliptisches Filterverhalten ist.
Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (1) auf einem Chip integriert ist.
Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Subtrahier-Einrichtung (4) ein Subtrahierer ist.
Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Subtrahier-Einrichtung (4) ein Mischer ist.
Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Subtrahier-Einrichtung (4) ein Resampling-Filter ist.
Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Subtrahier-Einrichtung (4) eine Cordic-Schaltung ist.