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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Digital/Analog-Wandlung (D/A-Wandlung).
Darüber
hinaus betrifft die Erfindung eine Verwendung der Vorrichtung zur
Ansteuerung eines spannungsgesteuerten Oszillators sowie einen Radarsensor,
in dem die Vorrichtung zur Anwendung kommt.
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Übliche Vorgehensweisen
zur Umwandlung digital verarbeiteter Signale in analoge Ausgangsspannungen
sind die Verwendung von Digital/Analog-Wandlern (DAC's) oder die Anwendung
einer Schaltung zur Pulsweitenmodulation, eines sogenannten Pulsweitenmodulators.
So wird beispielsweise bei der Verwendung eines DAC's eine Zahl z an
den Digital/Analog-Wandler übergeben;
die am Ausgang anliegende Spannung UA ist
dann proportional zum Wert der Zahl z multipliziert mit der niedrigsten
Spannungsstufe (Diskretisierungsstufe) des Digital/Analog-Wandlers. Derartige
Bauelemente sind in unterschiedlichster Ausführungsform am Markt erhältlich,
wie beispielsweise von Texas Instruments, Maxim oder auch Analog
Devices.
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Im
Unterschied hierzu wird bei der D/A-Wandlung durch Pulsweitenmodulation
eine Rechteckspannung einem Tiefpassfilter zugeführt, an dessen Ausgang ein
analoges Ausgangssignal mit dem gemittelten Wert der Rechteckpulse
ausgegeben. Die Rechteckspannung hat eine vorgegebene Mindestzeitdauer,
die sogenannte Taktzeit τ.
Dabei besteht ein Vorteil der digitalen Analogwandlung durch Pulsweitenmodulation
darin, dass sich die hierzu benötigten
Schaltungen einfach und kostengünstig
realisieren lassen. 1 zeigt beispielhaft
und schematisch den Spannungsverlauf am Eingang des Tiefpassfilters
eines Pulsweitenmodulators über
der Zeit aufgetragen. Es ist also in 1 der
Spannungsverlauf vor einer Tiefpassfilterung dargestellt. In 1a ist
der Fall dargestellt, dass während
der Zykluszeit T, die ein Vielfaches der Taktzeit τ ist, nur während eines
einzigen Taktes, also für
die Taktzeit τ die
Maximalspannung Umax (maximaler Spannungshub)
am Ausgang anliegt. Dagegen liegt in dem in 1b dargestellten
Fall während
zweier Takte, also während
einer Zeit 2τ,
die Maximalspannung Umax am Ausgang des
Pulsweitenmodulators an. Das Verhältnis der Zeit, während der
die Maximalspannung am Ausgang anliegt, zur gesamten Zykluszeit
T wird als Tastverhältnis
oder auch als Duty Cycle des Pulsweitenmodulators bezeichnet. Wenn
dieses Verhältnis
1 ist, wird die Maximalspannung ausgegeben, beim Verhältnis 0
die Minimalspannung, Zwischenwerte zwischen diesen Spannungen ergeben
sich als das Produkt dieses Verhältnisses
mit der Maximalspannung. Hieraus wird erkennbar, dass die Auflösung eines
mittels Pulsweitenmodulation hergestellten analogen Spannungssignals
wesentlich von den beiden Parametern Zykluszeit T und Taktzeit τ abhängt. Um also
bei einer festen Taktzeit τ die
Auflösung
des durch Pulsweitenmodulation gewonnenen analogen Spannungssignals
zu erhöhen,
müsste
die Zykluszeit T erhöht
werden, was sich zwangsläufig
nachteilig auf die Reaktionszeit der Schaltung im Hinblick auf schnelle
Spannungsänderungen
auswirkt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein
Verfahren anzugeben, welche bzw. das eine einfache und kostengünstige Wandlung
digitaler Signale in analoge Signale bei gleichzeitig ausreichender
Auflösung
und gutem Ansprechverhalten ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtungen mit den in Anspruch 1 und 13
angegebenen Merkmalen sowie durch die Verfahren mit den in Anspruch
12 und 14 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche beziehen
sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Wandlung eines digitalen Signals in ein analoges Signal zeigt
mindestens zwei Pulsweitenmodulations-Eingangskanäle mit einem
maximalen Signalhub, insbesondere einem Spannungshub Umax sowie einer
vorgegebenen Taktzeit τ,
Zykluszeit T und einer sich hieraus ergebenden Auflösung. Unter
Pulsweitenmodulations(PWM)-Eingangskanälen werde im Folgenden Signalkanäle verstanden, über die
Signale übertragen
werden, die unter Verwendung einer Pulsweitenmodulation erhalten
wurden. Der erste Eingangskanal ist dabei über ein Überlagerungsglied mit mindestens
einem weiteren Eingangskanal verbunden. Dabei ermöglicht es
die Überlagerung
der an beiden Eingangskanälen
anliegenden Signale, die Auflösung
des resultierenden Signals für
einen gegebenen maximalen Signalhub erheblich zu erhöhen. Darüber hinaus
ist die beschriebene Vorrichtung aufgrund ihrer Einfachheit gegenüber konventionellen Digital/Analog-Wandlern
wesentlich kostengünstiger herzustellen.
Ferner gestattet es die Überlagerung zweier
oder mehrerer Eingangskanäle,
wesentlich schnellere Variationen des gewünschten Signal-, insbesondere
Spannungsverlaufes abzubilden; bei Verwendung nur eines Kanals können üblicherweise
die geforderten Bedingungen an die Geschwindigkeit der Signaländerung
nicht eingehalten werden, da der Quotient aus der Zykluszeit T und
der Anzahl der möglichen
Quantisierungsstufen bei vorgegebener Taktzeit τ konstant ist.
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Als Überlagerungsglied
kann in vorteilhafter Weise ein Addierer verwendet werden, der beispielsweise
durch einen Operationsverstärker
realisiert werden kann. Auch die Verwendung von Subtrahierern, Dividierern
oder auch Multiplizierern ist denkbar. Darüber hinaus hat es sich als
vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen dem weiteren Eingangskanal und
dem Überlagerungsglied
ein Bauteil zur Gewichtung von Signalen, insbesondere ein Dämpfungsglied
oder ein Verstärker
angeordnet ist. Insbesondere für
die Dimensionierung eines Dämpfungsgliedes gibt
es verschiedene Varianten:
- 1. Die Wahl eines
Dämpfungsfaktors
= 1 führt nicht
zu einer Erhöhung
der Auflösung
(Diskretisierung) bei zwei identisch aufgebauten Zweigen vor dem Überlagerungsglied
gegenüber
der herkömmlichen
Pulsweitenmodulation; vielmehr wird lediglich der Gesamtsignalhub
und die Anzahl der einstellbaren Signal- insbesondere Spannungsstufen verdoppelt.
- 2. Der Dämpfungsfaktor
wird exakt so gewählt, dass
der maximale Signal- insbesondere Spannungshub des weiteren Eingangskanals
der Auflösung
des ersten Eingangskanals entspricht (Siehe 3). Mit
dieser Maßnahme
wird die größtmögliche Gesamtauflösung erreicht;
sie erhöht
sich dabei gegenüber
einer Lösung
mit einem Eingangskanal um das Verhältnis der Zykluszeit T des
weiteren Eingangskanals zu dessen Taktzeit τ. Diese Wahl der Parameter für den weiteren
Eingangskanal ist besonders in den Fällen von Vorteil, in denen
die Taktzeit und die Zykluszeit des ersten Eingangskanals der Taktzeit
und der Zykluszeit des weiteren Eingangskanals entspricht; allerdings
sind auch Fälle
denkbar, in denen Taktzeit und Zykluszeit des ersten Eingangskanals
von der Taktzeit und der Zykluszeit des weiteren Eingangskanals
abweichen.
- 3. Der Dämpfungsfaktor
kann auch so gewählt werden,
dass der maximale Signal- insbesondere Spannungshub des weiteren
Eingangskanals größer ist
als die Auflösung
des ersten Eingangskanals. In diesem Fall wird der Signalhub des
weiteren Eingangskanals zwar nicht vollständig ausgenutzt, es ergeben
sich jedoch ggf. Kosteneinsparungen aufgrund der hierdurch eröffneten
Möglichkeit
des Einsatzes von Gleichteilen.
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Die
Mittelwertbildung bzw. Integration der Eingangskanäle kann
an verschiedenen Orten im Signalweg realisiert werden. Eine erste
Variante besteht darin, dass zwischen einem oder mehreren Eingangskanälen und
dem Überlagerungsglied
ein Tiefpassfilter angeordnet ist. In diesem Fall werden in dem Überlagerungsglied
die bereits gemittelten Signale zur Überlagerung gebracht.
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Eine
Alternative hierzu besteht darin, dass der Tiefpassfilter erst nach
dem Überlagerungsglied angeordnet
ist, d. h. dass in dem Überlagerungsglied die
ungefilterten Signale – üblicherweise
Rechteckspannungen – zur Überlagerung
gebracht werden; ferner besteht die Möglichkeit, dass das Überlagerungsglied
selbst Tiefpasseigenschaften besitzt. Insgesamt ist eine hinreichende
Unterdrückung
der Oberwellen bei gleichzeitig gutem Einschwingverhalten wesentlich
für die
Funktion der Vorrichtung.
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Die
beschriebene Vorrichtung kann besonders vorteilhaft dazu verwendet
werden, einen spannungsgesteuerten Oszillator anzusteuern. Im Allgemeinen
ist der Zusammenhang zwischen der Spannung an einem Steuereingang
eines Oszillators und der Frequenz des Oszillators nicht linear.
In diesem Fall kann vorab aus dem gewünschten Frequenzverlauf des
Oszillators der hierzu an dem Steuerspannungseingang des Oszillators
notwendige Spannungsverlauf bestimmt werden. Üblicherweise wird dabei für jeden
gewünschten
Spannungsverlauf und damit Frequenzverlauf ein digitaler Datensatz
erzeugt, der in dem verwendeten Gesamtsystem in einer Speichereinheit
hinterlegt oder auch in Echtzeit ermittelt wird. Zur Umwandlung
des digitalen Datensatzes in das analoge Steuersignal für den Oszillator kann
dabei in besonders vorteilhafter Weise die oben beschriebene Vorrichtung
verwendet werden, wodurch sich die Vorteile der digitalen Datenverarbeitung
leicht realisieren lassen.
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Eine
vorteilhafte Möglichkeit
zum Einsatz der beschriebenen Vorrichtung besteht darin, sie zur
Umsetzung des gewünschten
Frequenzverlaufs eines FMCW (frequency modulated continuous wave)
Radarsensors zu verwenden. Derartige Sensoren werden insbesondere
im automobilen Umfeld zur Überwachung
der Umgebung des Fahrzeugs, wie beispielsweise bei ACC(Adaptive
Cruise Control)-Anwendungen, eingesetzt. Bei diesen Anwendungen wird üblicherweise
der Frequenzverlauf eines Radarsensors durchgestimmt; in der Regel
ist ein linearer Verlauf der Frequenz über die Zeit erwünscht, wobei auch
andere Verläufe
sinnvoll sein können.
In diesem Fall kann die beschriebene Vorrichtung dazu verwendet
werden, nahezu beliebige gewünschte
Frequenzverläufe über den
Spannungsverlauf am Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators
abzubilden.
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Anhand
der 2 soll im Folgenden eine mögliche, exemplarische Realisationsform
der Erfindung schematisch beschrieben werden. 2 zeigt die
beiden Pulsweitenmodulations(PWM)-Eingangskanäle 1 und 2.
Im Verlauf des Signalwegs wird das Signal des PWM-Eingangskanals 2 dem
als Dämpfungsglied
realisierten Bauteil zur Gewichtung von Signalen 3 zugeführt, wo
der anliegende Signalverlauf quasi gestaucht wird. Nachfolgend wird
das Signal dem als Addierer realisierten Überlagerungsglied 4 zugeführt, wo
auch das PWM-Eingangssignal des PWM-Eingangskanals 1 anliegt.
Nach einer Tiefpassfilterung im Tiefpassfilter 5 ergibt
sich die resultierende Ausgangsspannung. Die Punkte 10 und 11 repräsentieren
Testpunkte; der Spannungsverlauf an den genannten Testpunkten 10 und 11 ist
in 3 dargestellt.
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3 zeigt
in Eingangskurve 12 den Spannungsverlauf am Testpunkt 10.
Dort verläuft
die Spannung als eine stufenförmig
ansteigende Gleichspannung. In Eingangskurve 13 der 3 ist
der Spannungsverlauf am Testpunkt 11 aufgetragen; im vorliegenden
Beispiel liegt dem Spannungsverlauf am Testpunkt 11 eine
wesentlich geringere Zykluszeit und damit auch eine wesentlich geringere
Taktzeit zugrunde. Beide Signale werden über die Addierereingänge 14 und 15 dem
als Addierer realisierten Überlagerungsglied 4 zugeführt, wo
sie additiv überlagert
werden. Die Überlagerung
beider Signale im Überlagerungsglied 4 ergibt
den am Addiererausgang 16 anliegenden, in der resultierenden
Kurve 17 aufgetragenen, näherungsweise linearen Spannungsverlauf.
Selbstverständlich
ist der in 3 gezeigte lineare Verlauf der
Spannung lediglich exemplarisch und vereinfacht dargestellt; es
sind nahezu beliebige Spannungsverläufe mit der in der vorliegenden
Anmeldung beschriebenen Vorrichtung realisierbar.
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In
anderen Worten zusammenfassend stellt sich aus dem Stand der Technik
das Problem, dass das Ausgangssignal als Stufensignal mit einer
bestimmten Höhe
der Diskretisierungsstufen vorliegt, wobei die Höhe durch das Verhältnis von
Taktzeit zu Zykluszeit gegeben ist. Durch die Erfindung wird ein Ausgangssignal
bereitgestellt, durch das die Diskretisierungsstufen verfeinert
werden, ohne dass die Zykluszeit ver längert wird, was zu einer Verschlechterung
des Ansprechverhaltens führen
würde.
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- 1,
2
- PWM-Eingangskanäle
- 3
- Bauteil
zur Gewichtung von Signalen
- 4
- Überlagerungsglied
- 5
- Tiefpassfilter
- 10,
11
- Testpunkte
- 12,
13
- Eingangskurven
- 14,
15
- Addierereingänge
- 16
- Addiererausgang
- 17
- Resultierende
Kurve