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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung
eines periodischen elektrischen Signals mit vorgegebener Phasenverschiebung
gegenüber
einem Referenzzeitpunkt nach den Oberbegriffen von Anspruch 1 bzw.
14 sowie eine darauf basierende Entfernungsmessung.
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Die
Entfernung eines Objekts kann optisch nach dem Prinzip des Laufzeitverfahrens
bestimmt werden. Dazu kann einem Lichtstrahl ein Sendemuster aufgeprägt werden,
das bei Empfang des von dem Objekt reflektierten Lichts mit einem
intern erzeugten Referenzmuster verglichen wird. Daraus lässt sich
der Lichtweg und damit auch der Abstand errechnen. In der Praxis
werden im Wesentlichen zwei Verfahren angewandt. Bei dem einen Verfahren ist
das Sendemuster ein einfacher Lichtpuls, dessen Laufzeit gemessen
wird. Bei dem anderen Verfahren ist das Sendemuster eine Sinusmodulation,
wobei die Phasenlage des Sinus gegenüber einem Referenzsinus modulo
der Periode des Sinus der Laufzeit entspricht.
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Die
Entfernungsmessung kann beispielsweise in der Fahrzeugsicherheit,
der Logistikautomatisierung oder der Sicherheitstechnik benötigt werden. Insbesondere
kann ein Entfernungsmesser, der auf einem reflektierten Lichtstrahl
basiert, auf eine Entfernungsänderung
des Reflektors oder des reflektierenden oder remittierenden Ziels
reagieren.
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Bei
dem hier betrachteten Messverfahren der Lichtlaufzeit gibt es zwei
Signalpfade. Auf dem internen Referenzpfad gibt es keinen Lichtweg,
die Laufzeit hängt
also auch nicht von der Entfernung des Objekts ab. Auf dem externen
Messpfad addiert sich zu einer internen Laufzeitkomponente die distanzabhängige externe
Laufzeitkomponente des Lichtes.
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Um
die Lichtlaufzeit präzise
bestimmen zu können,
müssen
die Phasenlagen von Sendemuster und Referenzmuster sehr genau aufeinander
abgestimmt sein. Die Entfernungsgenauigkeit bzw. die Auflösung hängt also
direkt von einer feinstufigen Einstellung der Verzögerungszeit
des Sendemusters ab.
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Im
Stand der Technik wird als Messkern ein ASIC eingesetzt, der diskrete
Verzögerungsschritte über eine
geregelte Delay Locked Loop (DLL) erzeugt. Das zentrale Element
einer solchen DLL ist eine Kette aus Verzögerungselementen, von denen die
benötigte
Anzahl für
eine vorgegebene Verzögerung
abgegriffen wird. Ein festverdrahteter ASIC ist aber vergleichsweise
teuer, nur zeit- und kostenintensiv zu entwickeln und kann nur unter
erneutem hohem Entwicklungsaufwand verändert werden.
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Aus
der Digitaltechnik ist die direkte digitale Synthese (DDS) bekannt.
Damit lassen sich digitale Signale einer vorgegebenen Frequenz und
Phasenlage erzeugen. Solche digitalen Bausteine sind, wenn sie die
nötige
Präzision
aufweisen sollen, aber vergleichsweise teuer.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einfachen, flexiblen
und kostengünstigen Mitteln
ein Signal mit einstellbarer Verzögerung bei hoher zeitlicher
Präzision
zu erzeugen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
gemäß Anspruch
14 gelöst.
Die Lösung
hat den Vorteil, dass kein eigener teurer Baustein für direkte
digitale Synthese (DDS) benutzt werden muss. Damit kann ein kostengünstiger,
genauer und zuverlässiger
Messkern hergestellt werden.
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Für die Lösung war
also zunächst
die Idee entscheidend, DDS zu verwenden, obwohl sie eigentlich in
die digitale Welt gehört
und die Anforderungen an einen flexiblen, kostengünstigen
Baustein gar nicht erfüllt.
Eine programmierbare Logik, mittels derer die DDS erfindungsgemäß implementiert
ist, bringt aber die erforderliche zeitliche Präzision nicht mit. Geht man
von einer üblichen
Frequenz von 100-400
MHz auf der programmierbaren Logik aus, so entspricht das gerade
einer Zeitauflösung
von 2,5-10ns, die den Anforderungen an die präzise Entfernungsmessung bei
weitem nicht genügt.
Das funktioniert erst mit dem kennzeichnenden Merkmal der Erfindung,
bei der die Präzision
der Phasenlage in der Amplitudeninformation störungsfrei codiert ist.
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Vorteilhafterweise
ist ein dem Filter nachgeschalteter Binarisierer dafür ausgebildet,
das Signal in eine phasengleiche Rechteckschwingung umzuwandeln.
Die Rechteckschwingung enthält
die hauptsächlich
interessante Phase in besonders leicht abzugreifender Form und kann
ihrerseits als Taktgeber mit der gewünschten Phasenlage dienen.
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Bevorzugt
ist ein Sendemustergenerator des Bausteins vorgesehen, der ein zu
der Rechteckschwingung phasengleiches Sendemustersignal erzeugen
kann. Das Sendemustersignal hat die wohldefinierte Phase, kann aber
darüber
hinaus in jeder Periode spezifische Informationen enthalten, die
eine Identifizierung dieser Periode ermöglicht und damit eine Phasenlage
letztlich über
eine Periode hinaus definierbar macht.
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Vorteilhafterweise
ist ein Referenzsignalgenerator des Bausteins vorgesehen, der von
dem Referenzzeitpunkt ausgelöst
ein Referenzsignal erzeugen kann. Das Referenzsignal dient der Bestimmung der
Phasenlage. Noch bevorzugter ist es mit Blick auf das Sendemuster
gewählt,
um die Identifizierung der Periode zu vereinfachen.
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Dabei
ist bevorzugt eine Leerschleife aus dem Baustein geführt, über den
der Referenzzeitpunkt das Referenzsignal auslöst. Dadurch kann die Signallaufzeit
im Referenz- und im Messpfad einander angepasst werden. Vor allem
ergibt sich eine gleiche Temperaturabhängigkeit, da beide Pfade über Aus-
und Eingänge
des Bausteins und über
dieselbe Platine geführt
sind, so dass die Temperaturstabilität des Messergebnisses verbessert
wird.
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Vorteilhafterweise
weist der Signalgenerator einen Multiplexer auf, an dessen Selecteingängen fest
ein auf einem aus der Tabelle ausgelesenen Wert basierendes Bitmuster
anliegt und dessen Dateneingänge
mit je einem um eine Phase verschobenen Takt des Logikbaussteins
verbunden sind, um somit die Abtastrate gegenüber einem Arbeitstakt des Bausteins 1 zu
erhöhen.
Da die ausgelesenen Werte aus der Tabelle fest an den Dateneingängen anstehen,
ist die Signalerzeugung unabhängig
von der Auslesegeschwindigkeit des Speichers, in dem die Tabelle
abgelegt ist.
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Bevorzugt
sind alle oder höhenwertige
Ausgangsbits der Digitale-Synthese-Einrichtung linear codiert. Damit wirken
sich Ausgangsfehler weniger aus als bei der binären Codierung.
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Bevorzugt
sind der Digital-Analog-Wandler, der Filter und der Baustein (bzw.
dessen A/D-Wandler) differentiell, insbesondere zweikanalig und
gegenphasig gekoppelt und ausgeführt.
Das verbessert die Signalqualität
und damit die Zuverlässigkeit,
wobei sich durch die gegenphasige Ausführung ein äußerer Beitrag kompensiert.
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Vorteilhafterweise
sind unbenutzte Anschlüsse
des Bausteins im Betrieb als Ausgang programmiert und mit externem
Potential beschaltet. Noch bevorzugter sind sie als niederohmige
LVCMOS-Ausgänge
programmiert und beschaltet. Dadurch machen sie die Verbindung zur
externen Spannungsversorgung wegen der erhöhten Parallelität niederohmig,
so dass ein störendes
Signalübersprechen
besonders beim Ziehen von Strom aus der externen Stromversorgung
deutlich reduziert sind. Dies reduziert Störterme und ermöglicht eine
hohe Auflösung.
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Bevorzugt
weist der Digital-Analog-Wandler ein Widerstandsnetzwerk auf, das
von den Strömen der
verbundenen Ausgänge
des Bausteins getrieben werden kann. Das ist eine extrem einfache
und kostengünstige
Implementierung eines Digital-Analog-Wandlers,
der die Ausgänge
des programmierbaren Bausteins für
die direkte digitale Synthese vorteilhaft ausnutzt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Vorrichtung in einem optoelektronischen Entfernungsmesser
vorgesehen, wobei der Entfernungsmesser mindestens eine modulierbare
Lichtquelle aufweist, die für
ein Aufprägen
des Sendemustersignals auf das Sendelicht ausgebildet ist, sowie mindestens
eine Empfangseinheit für
reflektiertes Sendelicht, die für
ein Rückumwandeln
des Sendemustersignals aus dem reflektierten Sendelicht ausgebildet
ist, wobei eine Vergleichseinheit für das Erkennen einer gleichen
Phasenlage und/oder des Vorzeichens einer abweichenden Phasenlage
zwischen dem empfangenen Sendemuster signal und dem Referenzsignal
ausgebildet ist. Aus der Änderung
und der Änderungsrichtung
der Phasenlage lässt
sich unmittelbar ablesen, ob und in welcher Richtung sich die Objektentfernung
verändert.
Selbst noch eine geringfügige
Manipulation des reflektierenden Zielobjekts wird sofort erkannt.
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Bevorzugt
ist dabei eine Phasenabgleichseinheit dafür ausgebildet, verschiedene
Tabellenwerte der Tabelle zu durchfahren, um diejenige Phasenverschiebung
zu finden, bei der die Vergleichseinheit die beste Übereinstimmung
der Phasenlage erkennt. Dies kann zur Entfernungsbestimmung – also absolut und
nicht nur einer Veränderung
der Entfernung – oder
zum Einlernen eines durch den Entfernungsmesser zu überwachenden
reflektierenden Zielobjektes dienen.
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Noch
bevorzugter weist die Tabelle einen Speicher auf, in dem eine Information
abgelegt werden kann, bei welchem Tabellenwert die Übereinstimmung
der Phasenlage am besten ist. Damit kann eine Objektentfernung,
gerade eines zu überwachenden
Objektes, gemerkt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auf ähnliche
Weise durch weitere Merkmale ausgestaltet werden und zeigt dabei ähnliche
Vorteile. Derartige weitere Merkmale sind beispielhaft, aber nicht
abschließend,
in den sich anschließenden
Unteransprüchen
beschrieben.
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Die
Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und
Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert.
Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
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1 eine
schematische Übersicht über eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erzeugung eines phasenverschobenen Signals;
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2 eine
schematische Erläuterung
des Ausleseverfahrens bei der digitalen Signalerzeugung;
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3 eine
schematische Darstellung eines vereinfachten Widerstandsnetzwerks,
das als Digital-Analog-Wandler arbeitet;
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4 eine
schematische Darstellung eines optoelektronischen Entfernungsmessers;
und
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5 einen
beispielhaften Referenz- und Sendemustersignalverlauf.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erzeugung eines phasenverschobenen Signals. Auf einem gemeinsamen
programmierbaren Baustein 1, vorzugsweise ein PLD (Programmable
Logic Device) oder ein FPGA (Field Programmable Gate Array), befindet sich
eine Direkte-Digitale-Synthese-Einrichtung (DDS) 2.
Als DDS-Einrichtung 2 ist hier nur derjenige digitale Bestandteil
für die
direkte digitale Synthese bezeichnet, der auf dem Baustein 1 implementiert
ist, d.h. der digitale Werte als Repräsentation des Signals zur Verfügung stellt,
nicht schon das (analoge) Signal selbst.
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Die
DDS-Einrichtung 2 weist einen Speicher 3 auf,
in dem eine Wertetabelle abgelegt ist. Der Speicher 3 ist
vorzugsweise ein nichtflüchtiges PROM.
In jeder Zeile der Wertetabelle des Speichers 3 steht ein
Tabellenwert für
eine Phase des zu erzeugenden Signalmusters, das vorzugsweise eine
Sinusschwingung ist.
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Auf
den Speicher 3 greift ein Signalgenerator 4 der
DDS-Einrichtung 2 zu. Dieser liest den Tabellenwert einer
Zeile der Wertetabelle ein und generiert digitale Spannungswerte
für ein
periodisches Signalmuster mit einer dem Tabellenwert entsprechenden Phasenlage.
Dabei wird die Auswahl der Zeile von einer nicht dargestellten Steuerung
vorgegeben.
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Das
derart erzeugte periodische Signalmuster wird von dem Signalgenerator 4 als
digitale Ausgabewerte für
eine Stufenfunktion an Bitausgänge des
Bausteins 1 gelegt. Die Breite dieser Stufenfunktion entspricht
der Abtastrate, mit welcher der Signalgenerator 4 digitale
Amplitudenwerte ausgeben kann. Diese Abtastrate ist zunächst durch
die Arbeitsfrequenz des Bausteins 1 begrenzt. Liegt diese Arbeitsfrequenz
bei 100 MHz, eine für
PLD/FPGA übliche
Größe, so können also
derart nur 10ns als kleinste Zeiteinheit aufgelöst werden. Im Zusammenhang
mit 2 wird erläutert,
wie eine vierfach schnellere Zeitauflösung erreicht werden kann.
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Es
ist wichtig zu betonen, dass die Phasenunterschiede der durch die
Tabellenwerte repräsentierten
Phasen, die in den Zeilen der Tabelle 3 abgelegt sind,
auch an diese vierfach schnellere Abtastrate nicht gebunden sind.
Der Phasenunterschied zwischen den Zeilen beträgt im Gegenteil nur 100ps;
die erste Zeile ist also nicht phasenverschoben, die zweite um 100ps,
die dritte um 200ps usw. Diese Zahlen sind natürlich nur als Beispiel zu verstehen,
genauso wie die Zuordnung einer Phase zu einer Zeile der Tabelle 3 nicht
in dem angegebenen gleichmäßigen Inkrement
erfolgen muss, sondern anwendungsspezifisch zu wählen ist.
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Wegen
der höheren
Signalgenauigkeit ist jeder Bitausgang differentiell ausgelegt.
Die Bitausgänge
werden über
ein Widerstandsnetzwerk 6 entsprechend ihrer Wertigkeit
gewichtet. Das Widerstandsnetzwerk 6 arbeitet also mit
den Strömen
der Bitausgänge
des Bausteins 1 als Treiber als sehr einfach zu realisierender
und kostengünstiger
Digital-Analog-Wandler 6, welcher die digitalen Werte an
Ausgängen 4c des
Signalgenerators 4 in ein analoges Stufensignal 5 konvertiert.
Die Darstellung des Stufensignals 5 ist nur schematisch
zu verstehen; die eigentliche Zahl der Stufen weicht hiervon ab
und wird durch die Abtast- bzw. Ausgaberate an den Ausgängen 4c vorgegeben.
Der Digital-Analog-Wandler 6 wird im Zusammenhang mit 3 noch
näher erläutert.
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Dieses
analoge Signal 5 wird dann einem unmittelbar nachgeschalteten
Filter 7 zugeführt,
der die Stufen glättet,
also beispielsweise einem entsprechenden Tiefpass. Damit entsteht
ein glattes, analoges, periodisches Signal 8, das die gewünschte Phasenlage
entsprechend dem Tabellenwert der gewählten Zeile in der Tabelle 3 hat.
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Dieses
analog geglättete
Signal 8 wird über einen
Eingang des Bausteins 1 einem A/D-Wandler 9 des
Bausteins 1 zugeführt.
Hier genügt
ein Binarisierer, der ein dem zugeführten Signal phasengleiches Rechtecksignal 10 erzeugt.
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Das
Rechtecksignal 10 mit seiner auf 100ps genauen Phase 11 kann
nunmehr für
nachgelagerte Funktionen verwendet werden, wie nachher noch beschrieben
wird.
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Um
eine Laufzeitmessung vornehmen zu können, weist der Baustein 1 einen
Taktgeber 12 auf, zu dessen Takt 13 von der nicht
dargestellten Steuerung synchron ein Startsignal oder ein Referenzzeitpunkt 14 vorgegeben
wird. Der Referenzzeitpunkt 14 triggert zum einen wie soeben
erläutert
die Erzeugung des phasenverschobenen Rechtecksignals 11 für den Messpfad.
Zugleich wird der Referenzzeitpunkt 14 einem Referenzsignalgenerator 15 in
einem Referenzpfad zugeführt.
Dieser Referenzsignalgenerator 15 ist zweigeteilt dargestellt,
weil je nach Ausführungsform
ihm vor- oder nachgeschaltet eine Leerschleife 16 vorgesehen
ist, die aus dem Baustein 1 heraus- und anschließend ohne
weitere Signalverarbeitung wieder hineingeführt wird. Die Leerschleife 16 dient
dem Fehlerausgleich, d.h. Temperaturabhängigkeiten, die im Messpfad
durch die Aus- und Eingänge
des Bausteins 1 und die internen Laufzeiten entstehen,
werden zumindest zum Teil kompensiert. Damit ist die Temperaturstabilität der Vorrichtung
deutlich verbessert. Außerdem
kann der interne Signalweg in den Pfaden einander angeglichen werden.
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Somit
gibt der Referenzsignalgenerator synchron zum Referenzzeitpunkt
ein Referenzsignal 17 aus. In der 1 ist nicht
dargestellt, ob sich das Referenzsignal 17 durch interne
Laufzeiten gegenüber dem
Takt 13 noch geringfügig
verschiebt, da dies keine Rolle spielt, denn wegen der Kompensation
ist jedenfalls das Rechtecksignal 10 relativ zum Referenzsignal 17 genau
um die gewünschte
Phase 11 verschoben.
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Schließlich sind
in einer bevorzugten Ausführungsform
sämtliche
noch verfügbaren
unbenutzten, also nicht durch einen der beschriebenen Anschlüsse belegten
Anschlüsse
des Bausteins 1 als Ausgang konfiguriert und permanent
mit externem Potential beschaltet, also mit der externen Masse oder
Versorgungsspannung. Sie halten deshalb aktiv ihr Signal und verbinden
somit die interne Spannungsversorgung durch die Vielzahl der parallelen Verbindungen
niederohmig mit der externen Spannungsversorgung. Dadurch vermindert
sich die störende
gegenseitige Beeinflussung von Signalen durch Übersprechen innerhalb der Vorrichtung.
Dieser Vorteil kann natürlich
teilweise auch schon durch Beschaltung und Programmierung nicht
sämtlicher, sondern
nur einiger unbenutzter Anschlüsse
erreicht werden.
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Die
beschriebene Vorrichtung ist demnach in der Lage, ein Referenzsignal
und ein beispielsweise auf 100ps genau phasenverschobenes Rechtecksignal
zu erzeugen, das noch mit einem Mustergenerator 18 zu einem
gewünschten
Sendemuster gefaltet werden kann. Diese feine Zeitauflösung gelingt
mit dem einfachen Baustein 1, obwohl die eigentliche Abtastrate,
mit der Amplitudenwerte an den Ausgängen des Bausteins 1 anliegen,
wesentlich geringer ist.
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2 erläutert die
erfindungsgemäße Signalerzeugung
einer digitalen Repräsentation
der Stufenfunktion 5. Grundsätzlich wäre denkbar, in jeder Zeile
der Tabelle 3 mehrere Amplitudenwerte zu äquidistanten
Stützstellen
einer Einzelperiode des zu erzeugenden Sinussignals abzulegen. Um
die Phase festzulegen, genügen
dafür bereits
drei Amplitudenwerte. Der Speicherzugriff ist aber durch den einfachen Baustein 1 begrenzt,
beispielsweise auf 100 MHz. Die Abtastrate, mit der die Amplitudenwerte
an die Ausgänge
des Bausteins 1 gelegt werden könnten, wäre für die geforderte zeitliche
Präzision
der Phase zu klein.
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In
der DDS-Einrichtung 2 ist daher ein anderes Verfahren implementiert.
in der Tabelle 3 sind keine Amplitudenwerte, sondern in
jeder Zeile ein die Phase repräsentierender
Tabellenwert abgelegt. Dieser Tabellenwert hat die doppelte Anzahl
Bits der geforderten Bitgenauigkeit, also beispielsweise 18 Bit für eine 9-Bit-Genauigkeit.
Um die Erklärung
zu vereinfachen, ist in 2 nur die Verarbeitung bei 1-Bit-Genauigkeit des
Ausgangs illustriert.
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In
dem Signalgenerator 4 der DDS-Einrichtung 2 ist
ein Multiplexer 4a vorgesehen. Auf die Dateneingänge des
Multiplexers 4a wird ein 100 MHz-Takt des Bausteins 1 als
vier Basissignale 4b um jeweils 90° phasenverschoben gelegt. Auf
die beiden Selecteingänge
des Multiplexers 4a wird ständig der 2-bittige Tabellenwert 3b gelegt.
Der Tabellenwert 3a wird also nur einmal ganz zu Beginn aus
dem Speicher 3 gelesen und liegt anschließend ständig an
Select des Multiplexers 4a an. Die Auslesegeschwindigkeit
des Speichers 3 spielt daher keine Rolle.
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Damit
gibt der Multiplexer 4a dasjenige um das entsprechende
Vielfache von 90° verschobene Basissignal 4b aus,
das in den beiden Bits 3b des Tabellenwerts codiert ist,
denn diese beiden Bits 3b können die Phase nur auf 90° genau bestimmen.
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Um
nun eine höhere
Bitgenauigkeit und damit eine feinere Phasenverschiebung zu erzielen,
ist der dargestellte Signalgenerator 4 entsprechend vielfach
ausgeführt,
beispielsweise 9-fach für
eine 9-Bit-Genauigkeit des Ausgangs. Jeweils 2 Bits 3b des
18-bittigen Tabellenwerts werden dann einem eigenen Multiplexer 4a zugeführt, auf
dessen Dateneingängen
die Basissignale 4b liegen. Damit liegen an den neun Ausgängen 4c der
neun Multiplexer 4a die Amplitudenwerte als 9-Bit-Wert
mit einer effektiven Abtastrate von 400 MHz an, obwohl der Speicher 3 einen
derart schnellen Zugriff nicht erlaubt.
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Es
soll noch einmal betont werden, dass diese Erhöhung der Abtastrate um einen
Faktor vier nur ein zusätzlich
implementiertes Verfahren ist, um von dem noch langsameren Speicherzugriff
unabhängig zu
werden. Eine Phasengenauigkeit von 2,5ns, die mit 400 MHz erreichbar
wäre, genügt für die erfindungsgemäß erreichte
Zeitauflösung
längst
noch nicht. Die feine Zeitauflösung
von beispielsweise 100ps wird erst von einer Vorrichtung erreicht,
wie in Zusammenhang mit 1 beschrieben.
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3 erläutert anhand
eines sehr vereinfachten Widerstandsnetzwerks 6, 6a,
wie der Digital-Analog-Wandler 6 implementiert ist, der
die gemäß 2 von
dem Signalgenerator 4 erzeugten digitalen Repräsentationen
der zu erzeugenden Stufenfunktion in das analoge Stufensignal 5 umwandelt und
zur anschließenden
Glättung
dem Filter 7 zuführt.
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Das
Widerstandsnetzwerk 6 besteht aus einer Vielzahl von Widerständen 6a,
deren Aufgabe es ist, die anliegenden Ströme aus den beispielhaft dargestellten
fünf Ausgängen 1a des
Bausteins 1 entsprechend der Bitwertigkeit der Ausgänge 1a zu
gewichten. Die Wahl der notwendigen Widerstandswerte 6a an
sich für
eine vorgegebene Gewichtung ist dem Fachmann geläufig. Die Kopplung von Baustein 1,
Widerstandsnetzwerk 6 und Filter 7 ist differentiell ausgeführt, um
die Signalstabilität
zu erhöhen.
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Damit
nicht ein falsches Durchleiten eines hochwertigen Bits das gesamte
Signal bis zur Unbrauchbarkeit verfälscht, sind nur die niedrigen
Bits binär,
die höherwertigen
dagegen linear codiert:
In der in 3 dargestellten
Vereinfachung wird nur eine 4-Bit-Zahl ausgegeben. Die beiden niederwertigen
Bits 1b sind binär
codiert, die beiden höherwertigen
Bits 1c dagegen sind linear codiert, indem 3 Ausgänge zusammengeschaltet
werden und somit ihr Signal mitteln. Sollte einer der 3 Ausgänge 1c fehlerhaft
sein, so trägt
sein Fehler nur noch zu einem Drittel bei. Erst dieses gemittelte
Signal geht dann in üblicher
Weise ein, im Beispiel der beiden höchstwertigen Bits einer 4-Bit-Zahl
mit einem Faktor von 3/4 (1/2 für
das höchstwertige,
1/4 für
das zweithöchstwertige
Bit). Die beiden niederwertigen Bits 1b tragen in üblicher
Binärcodierung
mit einem Faktor 1/8 bzw. 1/16 bei. Diese Gewichtungen können durch
Wahl der Widerstände 6a eingestellt
werden.
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Somit
werden die Ströme
an den LVDS-Stromausgängen 1a des
Bausteins 1, die bestimmungsgemäß eigentlich einer digitalen
Signalübertragung
dienen, als Treiber des Digital-Analog-Wandlers 6 ausgenutzt.
Die aktiven Bauteile des Digital-Analog-Wandlers sind somit über die Ausgänge des
Bausteins 1, die passiven Bauteile als Widerstandsnetzwerk 6a außerhalb
des Bausteins 1 realisiert.
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4 zeigt
einen sehr vereinfacht dargestellten optoelektronischen Entfernungsmesser 20,
in der die Vorrichtung eingesetzt werden kann. Die Anwendung in
einem Entfernungsmesser 20 ist beispielhaft zu verstehen,
die Erfindung ist darauf nicht beschränkt.
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Der
Entfernungsmesser 20 sendet über eine modulierbare Lichtquelle 21 einen
Lichtstrahl zu einem Reflektor oder einem reflektierenden Zielobjekt 22.
Der dort reflektierte Lichtstrahl kehrt zu einem Empfangselement 23 zurück, das
die Lichtquelle 21 umgibt. Weil sich der Lichtstrahl auf
seinem Weg aufweitet, verdeckt die Lichtquelle 21 nur einen
kleinen und unerheblichen Teil des reflektierten Lichts. Natürlich kann
man alternativ auch andere bekannten Lösungen einsetzen, wie einen
Strahlteiler oder Pupillenteilung.
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Die
Vorrichtung gemäß 1 ist
Teil einer Steuerung 24 für Lichtquelle 21 und
Empfangselement 23. Die Steuerung 24 ist in der
Lage, ein elektrisches Signalmuster der Lichtquelle 21 als
Intensitätsmodulation
aufzuprägen,
und umgekehrt konvertiert das Empfangselement 23 das empfangene
reflektierte Licht zurück
in das elektrische Signalmuster. Schließlich hat die Steuerung 24 noch
eine nicht dargestellte Vergleichseinheit, um zu überprüfen, welches
Vorzeichen die Phasenverschiebung zweier Signale hat, nämlich des
Referenz- und des (wieder empfangenen) Sendesignals, oder ob sie
gerade nicht gegeneinander phasenverschoben sind. Im Folgenden wird
dieser Vergleich auch als Korrelation bezeichnet, obwohl andere
Vergleichsverfahren möglich
sind. Die Steuerung 24 mit ihren weiteren Elementen kann
trotz dieser Darstellung auf dem Baustein 1 untergebracht
sein, sofern dort noch Kapazitäten
vorhanden sind.
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Der
Entfernungsmesser 20 kann nun sehr genau auf den erwarteten
Abstand des Zielobjekts 22 eingelernt werden und erkennt
dann, wenn dieses Zielobjekt 22 bewegt oder ein anderes
spiegelndes Objekt eingeführt
wird. Damit könnte
der Entfernungsmesser 20 auch als Lichtschranke eingesetzt werden.
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In
einem Einlernvorgang wird zunächst
die Entfernung des Zielobjekts 20 gelernt. Die grobe Entfernung
kann durch geschickte, im Stand der Technik grundsätzlich bekannte
Wahl von Sendemuster und Referenzsignal bestimmt werden. Das Prinzip
lässt sich 5 entnehmen.
Dort ist oben ein einfaches Referenzsignal 30 aufgetragen,
unten als gestricheltes Rechteck 31 dargestellt ein empfangenes
Sendemuster in Form eines einfachen Pulses. Die Korrelation würde jetzt
aufdecken, dass sich das empfangene Sendemuster 31 innerhalb
des Bereichs 32 befindet. Genauer kann sie, wie die beiden
Pfeile 31 in der Darstellung andeuten sollen, nicht sein.
Dazu müsste das
empfangene Sendemuster 31'' gerade auf
der Kante 33 liegen.
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Ersetzt
man das einfache Referenzsignal 30 und den Einzelpuls 31 durch
kompliziertere, die über eine
große
Zeitspanne jeweils in jedem Bereich in eindeutiger Weise variieren,
so lässt
sich die Entfernung bis auf einen Bereich analog dem Bereich 32 bestimmen.
Die dafür
erforderliche genaue Ausgestaltung von Referenzsignal 30 und
Sendemuster 31 ist nicht Gegenstand der Erfindung. Die
noch fehlende Entfernungsauflösung
innerhalb eines Bereiches 32, die erfindungsgemäß eingestellt
werden kann, um genau eine Kante 33 zu erreichen, liegt
dann innerhalb der Lichtlaufwege, die durch eine Einzelperiode abgedeckt
sind, also die in der Vorrichtung gemäß 1 einstellbare
Phase.
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Dazu
werden nacheinander bei sonst festen Einstellungen die Zeilen der
Tabelle durchgefahren und damit Sendemuster aller Phasen innerhalb
einer Periode durchprobiert. Liegt der empfangene Sendepuls 31 bei
der richtigen Phase mittig wie bei 31'' dargestellt
auf der Kante 33, so löscht
er sich in der Korrelation durch einen halben positiven und einen
halben negativen Anteil gerade aus. Diese Zeile oder diejenige,
die einer Auslöschung
am nächsten kommt,
wird als Ergebnis des Einlernens gespeichert.
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Im
Betrieb wandert der Lichtpuls 31'' entsprechend
einer Bewegung des Zielobjekts 22 nach rechts oder links.
Das schlägt
sich sofort im Vorzeichen des Vergleichs zwischen Referenzsignal 30 und empfangenem
Sendemuster 31 nieder, das durch die Bewegung nicht mehr
auf der Kante 33 liegt, so dass der Entfernungsmesser 20 erkennt,
in welcher Richtung das Zielobjekt 22 bewegt wurde, und
er entsprechend etwa mit einem Warnsignal reagieren kann.
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Ganz
analog dem Einlernen kann auch eine Entfernungsbestimmung eines
Objekts durchgeführt werden,
welches Licht der Lichtquelle 21 reflektiert. Dazu wird
erneut die grobe Entfernung anhand der Korrelation des geschickt
gewählten
Referenzsignals und des Sendemusters bestimmt. Anschließend wird wiederum
die Phase bester Auslöschung
in der Korrelation gesucht und daraus die Entfernung zurückgerechnet.
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Insgesamt
erreicht die Erfindung somit mit einfachen Mitteln eine sehr genaue
Phase, die für eine
entsprechend genaue Entfernungsmessung verwendet wird. Wenn die
Muster im Referenz- und im Messkanal so angelegt sind, dass über deren
Korrelation eine eindeutige Abstandsinformation ermittelt werden
kann, so ist daraus die grobe Entfernung bereits bekannt und kann
mit Hilfe der Phase auch fein gemessen werden. Der groberen Entfernungsmessung
mittels erst über
einen sehr großen
Bereich periodischer Muster wird die nur innerhalb einer vergleichsweise
kleinen 2π-Periode
eindeutigen Messung durch die Phase als feine Entfernungsmessung überlagert.
Dadurch ergibt sich einerseits eine sehr feine Zeitauflösung bei
andererseits weitem Messbereich. So kann bei der beschriebenen Ausführungsform
die Zeitauflösung
lediglich 100ps über
einen Bereich von mindestens 400ns betragen. Die erste Zahl von
100ps lässt
sich prinzipiell durch Ablegen von mehr Tabellenwerten mit noch
geringerer gegenseitiger Phasenverschiebung weiter verringern. Die
zweite Zahl von 400ns hängt
von der geschickten Wahl der Muster ab, die prinzipiell auch über noch
größere Bereiche
möglich
ist.
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- 1
- Baustein
(PLD/FPGA)
- 1a
- Ausgänge (des
Bausteins)
- 1b
- Bits
0, 1 des Amplitudensignals
- 1c
- Bits
2, 3 des Amplitudensignals
- 2
- Direkte-Digitale-Synthese-Einrichtung
- 3
- Speicher
(Tabelle)
- 3a
- gewählter Tabellenwert
- 3b
- Phaseninformation
(nach Select)
- 4
- Signalgenerator
- 4a
- Multiplexer
- 4b
- 90°-phasenverschobener
Takt
- 4c
- Ausgang
(Multiplexer)
- 5
- digitales
Stufensignal
- 6
- DAC
(Widerstandsnetzwerk)
- 6a
- Widerstände (des
DAC)
- 7
- Filter
- 8
- geglättetes analoges
Signal
- 9
- Komparator
(Binarisierer)
- 10
- phasenverschobenes
Rechtecksignal
- 11
- Phase
(des Rechtecksignals)
- 12
- Taktgeber
- 13
- Takt
- 14
- Referenzzeitpunkt
- 15
- Referenzsignalgenerator
- 16
- Leerschleife
- 17
- Referenzsignal
- 18
- Mustergenerator
- 20
- Entfernungsmesser
- 21
- Lichtquelle
- 22
- Reflektierendes
Zielobjekt
- 23
- Empfangselement
- 24
- Steuerung
- 30
- Referenzsignal
- 31,
31', 31''
- Lichtpuls
(Sendemuster)
- 32
- Bereich
(der groben Entfernungsbestimmung)
- 33
- Kante
(des Referenzmusters)