DE102007016642A1

DE102007016642A1 - Phasenregelkreis und Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen Systems

Info

Publication number: DE102007016642A1
Application number: DE102007016642A
Authority: DE
Inventors: Mark Niederberger; Urs Denier
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams AG
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2027-04-06
Also published as: US7795780B2; US20080266004A1; DE102007016642B4

Abstract

Ein Phasenregelkreis zum Ansteuern eines elektromechanischen Bauteils umfasst einen digital gesteuerten Oszillator (10), einen Phasenkomparator (20) und ein digitales Schleifenfilter (30). Der digital gesteuerte Oszillator (10) weist einen Ausgang (11) auf, an dem ein Oszillatorsignal (SOSC) abgreifbar ist und der mit einem ersten Anschluss (51) des elektromechanischen Bauteils (50) koppelbar ist. Der Phasenkomparator (20) umfasst einen ersten Eingang (21), der mit dem Ausgang (11) des digital gesteuerten Oszillators (10) gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang (22), der zur Zuführung eines Stromsignals (S3) mit dem ersten Anschluss (51) oder einem zweiten Anschluss (52) des elektromechanischen Bauteils (50) koppelbar ist. Das digitale Schleifenfilter (30) ist zwischen den Phasenkomparator (20) und den digital gesteuerten Oszillator (10) geschaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Phasenregelkreis zum Ansteuern eines elektromechanischen Bauteils, ein elektromechanisches System und ein Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen Systems.
Das elektromechanische System weist ein elektromechanisches Bauteil auf, das beispielsweise ein piezoelektrisches Bauelement umfassen kann. Solche Systeme werden beispielsweise zum Erzeugen kleiner Verschiebungen eingesetzt. Dabei wird normalerweise eine Piezokeramik eingesetzt, die eine gewünschte Verschiebung nach einem Beaufschlagen mit einer Spannung bewirkt.
Dokument US 6,331,748 B1 beschreibt eine Ansteuerschaltung eines piezokeramischen Übertragers, englisch piezo-ceramic transformer, um eine Lampe zu betreiben.
In dem Dokument US 6,639,367 B2 ist ein Ansteuerschaltkreis für einen Piezoübertrager mit einem spannungsgesteuerten Oszillator zur Versorgung ebenfalls einer Lampe gezeigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Phasenregelkreis, ein elektromechanisches System und ein Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen Systems bereitzustellen, die einen verbesserten Betrieb bei einer Resonanzfrequenz ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der Patentansprüche 1 und 7 sowie dem Verfahren gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß umfasst ein Phasenregelkreis zum Ansteuern eines elektromechanischen Bauteils einen digital gesteuerten Oszillator, einen Phasenkomparator und ein digitales Schleifenfilter. Der digital gesteuerte Oszillator weist einen Ausgang auf. Der Phasenkomparator umfasst einen ersten und einen zweiten Eingang. Der erste Eingang des Phasenkomparators ist mit dem Ausgang des digital gesteuerten Oszillators verbunden. Das digitale Schleifenfilter ist an einem Eingang mit einem Ausgang des Phasenkomparators und an einem Ausgang mit einem Eingang des digital gesteuerten Oszillators gekoppelt. An den Ausgang des digital gesteuerten Oszillators ist ein erster Anschluss des elektromechanischen Bauteils ankoppelbar. Der zweite Eingang des Phasenkomparators ist mit dem ersten Anschluss oder mit einem zweiten Anschluss des elektromechanischen Bauteils koppelbar.
Der digital gesteuerte Oszillator stellt ein Oszillatorsignal am Ausgang des digital gesteuerten Oszillators bereit. Das Oszillatorsignal oder ein davon abgeleitetes Signal wird dem ersten Anschluss des elektromechanischen Bauteils zugeführt. Das Oszillatorsignal wird ebenso dem ersten Eingang des Phasenkomparators zugeleitet. Dem zweiten Eingang des Phasenkomparators wird ein Stromsignal zugeführt.
Mit Vorteil stellt im Resonanzfall der Phasendetektor ein Phasensignal mit einem Wert bereit, der nach Filterung durch das digitale Schleifenfilter den digital gesteuerten Oszillator derart ansteuert, dass die Frequenz des Oszillatorsignals beibehalten wird. Mit Vorteil stellt im Nichtresonanzfall hingegen der Phasendetektor das Phasensignal mit einem davon abweichenden Wert bereit, der nach Filterung durch das Schleifenfilter den digital gesteuerten Oszillator derart ansteuert, dass sich die Frequenz des Oszillatorsignals einer Resonanzfrequenz nähert.
Die elektrischen Eigenschaften eines elektromechanischen Bauteils können temperaturabhängig sein. Mit Vorteil führt der Phasenregelkreis die Frequenz des Oszillatorsignals nach, so dass die Resonanzfrequenz auch bei einer Temperaturänderung erreicht wird.
Bevorzugt hängt das Stromsignal von einem Wert des durch das elektromechanische Bauteil fließenden Stroms ab.
In einer Weiterbildung umfasst der Phasenregelkreis einen Komparator, der dem zweiten Eingang des Phasenkomparators vorgeschaltet ist. Der Komparator kann in einer Ausführungsform den zweiten Anschluss des elektromechanischen Bauteils mit dem zweiten Eingang des Phasenkomparators koppeln. Alternativ kann eine Kopplung des ersten Anschlusses des elektromechanischen Bauteils mit dem zweiten Eingang des Phasenkomparators den Komparator umfassen.
In einer Ausführungsform dient der Komparator dazu, ein am ersten beziehungsweise zweiten Anschluss des elektromechanischen Bauteils abgreifbares Signal oder ein davon abgeleitetes Signal in das digitale Stromsignal umzuwandeln. In einer Ausführungsform ist das Oszillatorsignal als digitales Signal ausgebildet. Mit Vorteil können somit dem Phasendetektor sowohl an seinem ersten wie an seinem zweiten Eingang jeweils ein Digitalsignal zugeleitet werden. In einer Ausführungsform vergleicht der Komparator das am ersten beziehungsweise zweiten Anschluss des elektromechanischen Bauteils abgreifbare Signal oder das davon abgeleitete Signal mit einem Komparatorschwellwert. Der Komparatorschwellwert kann bevorzugt 0 Volt betragen.
In einer Ausführungsform ist der Phasenkomparator ausgelegt dazu, eine Phasendifferenz zwischen einem ersten Signal, das am ersten Eingang des Phasenkomparators anliegt, und dem Stromsignal, welches dem zweiten Eingang des Phasenkomparators zugeleitet wird, zu ermitteln und in Abhängigkeit der Phasendifferenz ein digitales Phasensignal am Ausgang des Phasenkomparators abzugeben. Bevorzugt entspricht somit das erste Signal dem Oszillatorsignal und somit einer Spannung, die dem elektromechanischen Bauteil zugeleitet wird, und das Stromsignal einem Strom, der durch das elektromechanische Bauteil fließt. Das erste Signal, das Oszillatorsignal, das Stromsignal und das Phasensignal sind bevorzugt digitale Signale. Sie sind bevorzugt als wertdiskrete und zeitkontinuierliche Signale ausgebildet.
In einer Ausführungsform weist der Phasenregelkreis ein erstes Register auf, in dem ein Programmierwert für die Frequenz des Oszillatorsignals gespeichert ist. Das erste Register kann mit einem weiteren Eingang des digital gesteuerten Oszillators gekoppelt sein. In einer Ausführungsform wird zu Beginn einer Betriebsphase des Phasenregelkreises das erste Register ausgelesen und der digital gesteuerte Oszillator derart eingestellt, dass das Oszillatorsignal eine Frequenz entsprechend dem Programmierwert aufweist. Mit Vorteil ist mittels des ersten Registers vorgebbar, von welcher Startfrequenz aus der Phasenregelkreis auf eine Resonanzfrequenz einschwingen soll. Da ein elektromechanisches System mit einem elektromechanischen Bauelement mehrere Resonanzfrequenzen aufweisen kann, kann mittels des vorgegebenen Programmierwertes, der in dem ersten Register gespeichert ist, die für den Betrieb vorgesehene Resonanz eingestellt werden.
In einer Weiterbildung weist der Phasenregelkreis ein zweites Register auf, in dem während einer Betriebsphase ein Wert der Frequenz des Oszillatorsignals abspeicherbar ist. Das zweite Register kann mit einem zusätzlichen Eingang des digital gesteuerten Oszillators gekoppelt sein. In einer Ausführungsform wird der Wert der Frequenz desjenigen Oszillatorsignals im zweiten Register gespeichert, das kurz vor dem Ende einer Betriebsphase am Ausgang des Oszillatorsignals anliegt. In einer Ausführungsform wird zu Beginn einer folgenden Betriebsphase der Wert des zweiten Registers ausgelesen und vom digital gesteuerten Oszillator das Oszillatorsignal mit einer Frequenz bereitgestellt, die dem im zweiten Register gespeicherten Wert, welcher somit als weiterer Programmierwert eingesetzt wird, entspricht. In den darauf folgenden Zeitpunkten der Betriebsphase wird die Frequenz des Oszillators in Abhängigkeit des Phasensignals bereitgestellt. Mit Vorteil schwingt in der zweiten Betriebsphase der Phasenregelkreis sehr schnell auf eine Resonanzfrequenz ein, da als Startwert für die Frequenz des Oszillatorsignals die Resonanzfrequenz verwendet wird, welche zu Ende der ersten Betriebsphase abgespeichert wurde.
In einer Ausführungsform umfasst der Phasenregelkreis eine Steuervorrichtung, die mit dem digital gesteuerten Oszillator und dem Phasendetektor verbunden ist. Die Steuervorrichtung ist dazu ausgelegt, während einer Messphase unterschiedliche Frequenzwerte des Oszillatorsignals vorzugeben. In einer zeitlichen Abfolge weist das Oszillatorsignal somit jeweils einen anderen Frequenzwert auf. Die Steuervorrichtung ist dazu ausgelegt, das Phasensignal abzugreifen und eine charakteristische Frequenz mittels einer Auswertung des Phasensignals zu bestimmen. Eine derartige charakteristische Frequenz kann eine Resonanzfrequenz sein. In einer Ausführungsform ermittelt die Steuervorrichtung mehrere charakteristische Frequenzen, die mehreren Resonanzfrequenzen entsprechen. In einer Weiterbildung stellt die Steuervorrichtung ein Signal ausgangsseitig bereit, das die Anzahl der ermittelten charakteristischen Frequenzen und somit die Anzahl der nachweisbaren Resonanzfrequenzen repräsentiert.
Erfindungsgemäß umfasst ein elektromechanisches System den Phasenregelkreis und eine Anordnung, welche das elektromechanische Bauteil umfasst. Die Anordnung weist eine frequenzabhängige Impedanz auf. Die frequenzabhängige Impedanz umfasst mindestens eine Resonanzfrequenz.
Das elektromechanische Bauteil kann ein Filter umfassen. Bevorzugt umfasst das elektromechanische Bauteil einen Aktuator. In einer Ausführungsform kann der Aktuator als das frequenzbestimmende Bauelement vorgesehen sein, welches die Frequenz des Oszillatorsignals vorgibt.
Der Aktuator kann als ein piezoelektrisches Bauelement realisiert sein. Der Aktuator kann als Piezokeramik realisiert sein.
Bevorzugt ist der Aktuator als Schwingquarz realisiert. Ein Schwingquarz kann eine Serienresonanz aufweisen, bei der die Impedanz des Schwingquarzes einen niedrigen Wert annimmt und der Imaginärteil der Impedanz des Schwingquarzes näherungsweise 0 ist. Ebenso kann der Schwingquarz eine Parallelreso nanz aufweisen, bei der die Impedanz des Schwingquarzes einen hohen Wert annimmt. Die Resonanzfrequenzen von Schwingquarzen können beispielsweise Werte zwischen 1 MHz und 200 MHz umfassen. In einer Ausführungsform kann der Schwingquarz als das frequenzbestimmende Bauelement eingesetzt sein.
In einer Weiterbildung umfasst das elektromechanische System ein induktives Bauelement, das den ersten Anschluss des Aktuators mit dem Ausgang des digital gesteuerten Oszillators koppelt. Mit Vorteil kann mittels des induktiven Bauelements eine Resonanzfrequenz einer Serienschaltung, umfassend das induktive Bauelement und das elektromechanische Bauteil, eingestellt werden. Mit Vorteil kann eine Resonanzfrequenz eingestellt werden, die deutlich niedriger als eine Resonanzfrequenz des Aktuators sein kann. Die Verschiebung der Resonanzfrequenz kann einige kHz betragen. Eine mittels des induktiven Bauelementes einstellbare Resonanzfrequenz kann beispielsweise einen Wert aus einem Bereich, der Frequenzen zwischen 100 kHz und 250 kHz umfasst, aufweisen. Mit Vorteil kann somit der Aktuator außerhalb seiner Resonanzfrequenz betrieben werden. Mit Vorteil wird mittels des induktiven Bauelementes eine zusätzliche Resonanzfrequenz generiert, die aus dem induktiven Bauelement und einer Parallelkapazität des Aktuators resultiert. Eine Amplitude einer Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss des Aktuators kann aufgrund der Serienresonanz mit dem induktiven Bauelement hoch sein. Mit Vorteil ist die Amplitude der Spannung zwischen den beiden Anschlüssen des Aktuators unabhängig davon, ob beispielsweise der Aktuator eine zusätzliche Dämpfung erfährt. Die Frequenz des Oszillatorsignals wird somit von dem induktiven Bauelement und dem elektromechanische Bauteil vorgegeben.
In einer Weiterbildung ist der Aktuator über ein resistives Bauelement mit einem Bezugspotentialanschluss verbunden. Ein Schaltungsknoten zwischen dem Aktuator und dem resistiven Bauelement kann über den Komparator mit dem zweiten Eingang des Phasendetektors gekoppelt sein.
Das induktive Bauelement kann als Spule realisiert sein. Das resistive Bauelement kann als Widerstand ausgebildet sein.
Im Falle einer Serienresonanz des induktiven Bauelements und des Aktuators weist die Impedanz des Serienschwingkreises, umfassend das induktive Bauelement und das elektromechanische Bauteil, einen Imaginärteil von näherungsweise 0 auf. Der Realteil der Impedanz kann ohmsche Verluste repräsentieren, die durch einen Widerstand der Spule bestimmt sein können. In diesem Fall weisen das erste Signal und das Stromsignal, welche an dem ersten und dem zweiten Eingang des Phasendetektors anliegen, keine Phasendifferenz auf. Daher stellt der Phasendetektor ein Phasensignal mit dem Wert 0 bereit. Der digital gesteuerte Oszillator behält die Frequenz seines Oszillatorsignals bei. Ist die Frequenz des Oszillatorsignals größer oder kleiner als die Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises, so sind das erste Signal und das Stromsignal nicht in Phase. In diesem Fall stellt der Phasendetektor das Phasensignal mit einem Wert bereit, der den digital gesteuerten Oszillator derart ansteuert, dass sich die Frequenz des Oszillatorsignals der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises annähert.
In einer Ausführungsform ist der Phasenregelkreis, umfassend den digital gesteuerten Oszillator, den Phasenvergleicher und das digitale Schleifenfilter auf einem Halbleiterkörper ausgebildet. In einer alternativen Ausführungsform umfasst der Halbleiterkörper zusätzlich auch den Komparator. In einer Weiterbildung weist der Halbleiterkörper zusätzlich auch das erste und das zweite Register sowie die Steuervorrichtung auf. Der Phasenregelkreis kann in einer Bipolar-Integrationstechnik realisiert sein. Bevorzugt kann er mittels einer Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Integrationstechnik, abgekürzt CMOS-Integrationstechnik, hergestellt sein.
Im Unterschied zu einem Phasenregelkreis, der für die Mobilfunkkommunikation eingesetzt wird und Frequenzen zwischen mehreren hundert Megahertz und mehreren Gigahertz bereitstellt, kann ein erfindungsgemäßer Phasenregelkreis anders ausgelegt sein und Frequenzen im Bereich von 100 kHz und einigen 100 kHz bereitstellen.
Erfindungsgemäß sieht ein Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen Systems, das einen Phasenregelkreis und eine Anordnung, welche schwingungsfähig ist, umfasst, folgende Schritte vor: Ein digital gesteuerter Oszillator wird mit einem Programmierwert eingestellt. Der Phasenregelkreis umfasst den digital gesteuerten Oszillator. Der digital gesteuerte Oszillator gibt ein Oszillatorsignal ab. Die Anordnung, welche schwingungsfähig ist, wird mittels des Oszillatorsignals angeregt. Ein Phasenvergleich des Oszillatorssignals mit einem Stromsignal, das von einem durch die Anordnung fließenden Strom abhängig ist, wird durchgeführt. Das Oszillatorssignal wird in Abhängigkeit des Phasenvergleichs nachgeführt.
Mit Vorteil wird somit eine Frequenz des Oszillatorsignals auf eine Resonanzfrequenz der schwingungsfähigen Anordnung eingestellt.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Schaltungsteile oder Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird der Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
1A und 1B zeigen beispielhafte Ausführungsformen eines elektromechanischen Systems nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
2A bis 2C zeigen weitere beispielhafte Ausführungsformen eines elektromechanischen Bauteils,
3 zeigt eine beispielhafte Folge von Betriebs- und Messphasen,
4A und 4B zeigen ein beispielhaftes Impedanzspektrum eines elektromechanischen Bauteils und
5A und 5B zeigen weitere beispielhafte Ausführungsformen eines elektromechanischen Systems nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
1A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines elektromechanischen Systems nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Das elektromechanische System umfasst einen Phasenregelkreis 1 und eine Anordnung 40, welche ein elektromechanisches Bauteil 50 aufweist. Der Phasenregelkreis 1 weist einen digital gesteuerten Oszillator 10, einen Phasenkomparator 20 und ein digitales Schleifenfilter 30 auf. Der digital gesteuerte Os zillator 10 umfasst einen Ausgang 11 und einen Eingang 12. Der Phasendetektor 20 weist einen ersten Eingang 21, einen zweiten Eingang 22 und einen Ausgang 23 auf. Der erste Eingang 21 des Phasendetektors 20 ist direkt an den Ausgang 11 des digital gesteuerten Oszillators 10 angeschlossen. Der Ausgang 23 des Phasendetektors 20 ist mit einem Eingang des digitalen Schleifenfilters 30 verbunden. Ein Ausgang des digitalen Schleifenfilters 30 ist mit dem Eingang 12 des digital gesteuerten Oszillators 10 gekoppelt. Die Kopplung erfolgt durch n parallele Leitungen. Der Phasenregelkreis 1 umfasst ferner einen Komparator 24, der dem zweiten Eingang 22 des Phasendetektors 20 vorgeschaltet ist.
Die Anordnung 40 umfasst das elektromechanische Bauteil 50, ein induktives Bauelement 58 und ein resistives Bauelement 59. Das induktive Bauelement 58 und elektromechanische Bauteil 50 sind in Serie zueinander geschaltet. Ein erster Anschluss 51 des elektromechanischen Bauteils 50 ist über das induktive Bauelement 58 mit einem ersten Anschluss 41 der Anordnung 40 verbunden. Der erste Anschluss 41 der Anordnung 40 ist mit dem Ausgang 11 des digital gesteuerten Oszillators 10 verbunden. Ein zweiter Anschluss 52 des elektromechanischen Bauteils 50 ist über das resistive Bauelement 59 mit einem Bezugspotentialanschluss 8 gekoppelt. Ein Schaltungsknoten 60 ist zwischen dem zweiten Anschluss 52 des elektromechanischen Bauteils 50 und dem resistiven Bauelement 59 angeordnet und mit einem zweiten Anschluss 42 der Anordnung 40 verbunden. Der zweite Anschluss 42 der Anordnung 40 ist über den Komparator 24 mit dem zweiten Eingang 22 des Phasendetektors 20 gekoppelt. Somit ist der erste Anschluss 51 des elektromechanischen Bauteils 50 mit dem Ausgang 11 des digital gesteuerten Oszillators 10 und der zweite Anschluss 52 des elektromechanischen Bauteils 50 mit dem zweiten Eingang 22 des Phasen detektors 20 gekoppelt. Das elektromechanische Bauteil 50 weist ein piezoelektrisches Bauelement 55 auf. Das piezoelektrische Bauelement 55 ist als Schwingquarz ausgebildet.
Der digital gesteuerte Oszillator 10 stellt am Ausgang 11 des digital gesteuerten Oszillators 10 ein Oszillatorsignal SOSC mit einer Frequenz fOSC bereit. Das Oszillatorsignal SOSC wird dem ersten Eingang 21 des Phasendetektors 20 zugeleitet und bildet somit das erste Signal S2. Das Oszillatorsignal SOSC wird ebenfalls der Anordnung 40 zugeleitet und erzeugt dort an einer Serienschaltung, umfassend das induktive Bauelement 58, das elektromechanische Bauteil 50 und das resistive Bauelement 59, einen Spannungsabfall zwischen dem Schaltungsknoten 60 und dem Bezugspotentialanschluss 8. Ein am Schaltungsknoten 60 und damit am zweiten Anschluss 52 des elektromechanischen Bauteils 50 abgreifbares Rückkopplungssignal S4 wird über den zweiten Anschluss 42 der Anordnung 40 und über den Komparator 24 als ein Stromsignal 53 dem zweiten Eingang 22 des Phasendetektors 20 zugeführt. Das resistive Bauelement 59 ist zur phasenrichtigen Strommessung des durch das elektromechanische Bauteil 50 fließenden Stromes vorgesehen. Der Phasendetektor 20 stellt am Ausgang 23 des Phasendetektors 20 ein Phasensignal S1 bereit, das dem Schleifenfilter 30 zugeleitet wird. Das digitale Schleifenfilter 30 filtert das Phasensignal S1 und stellt ein gefiltertes Signal S5 dem digital gesteuerten Oszillator 10 am Eingang 12 des digital gesteuerten Oszillators 10 zur Verfügung. In Abhängigkeit des gefilterten Signals S5 und damit des Phasensignals S1 stellt der digital gesteuerte Oszillator 10 das Oszillatorsignal SOSC mit der Frequenz fOSC bereit.
Mit Vorteil wird mittels der Anordnung 40 und dem Phasenregelkreis 1 ein Oszillatorsignal SOSC mit einer Frequenz fOSC bereitgestellt, welche einer Resonanzfrequenz der Anordnung 40 entspricht. Mit Vorteil wird mittels der Induktivität 58 eine Spannung U am elektromechanischen Bauteil 50 erzielt, die einen mehrfachen Spannungswert verglichen mit einem Spannungswert des Oszillatorsignals SOSC aufweist.
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist anstelle des resistiven Bauelementes 59 ein Strommesselement oder eine Strommessschaltung zur phasenrichtigen Strommessung des durch das elektromechanische Bauteil 50 fließenden Stromes vorgesehen.
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist das induktive Bauelement 58 weggelassen und durch eine leitende Verbindung ersetzt.
1B zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines elektromechanischen Systems nach dem vorgeschlagenen Prinzip, die eine Weiterbildung der in 1A gezeigten Ausführungsform ist. Der Phasenregelkreis 1 umfasst gemäß 1B zusätzlich ein erstes Register 31, das mit einem weiteren Eingang 13 des digital gesteuerten Oszillators 10 verbunden ist. Ferner umfasst der Phasenregelkreis 1 ein zweites Register 32, das an einem zusätzlichen Eingang 14 des digital gesteuerten Oszillators 10 angeschlossen ist. Der Phasenregelkreis 1 weist darüber hinaus eine Steuervorrichtung 33 auf, die eingangsseitig mit dem Ausgang 23 des Phasendetektors 20 und ausgangsseitig mit einem weiteren zusätzlichen Eingang 15 des digital gesteuerten Oszillators 10 verbunden ist.
Zu Beginn einer ersten Betriebsphase wird ein Programmierwert, welcher eine Frequenz repräsentiert, aus dem ersten Register 31 ausgelesen und dem digital gesteuerten Oszillator 10 zugeführt. Der digital gesteuerte Oszillator 10 startet somit mit einem Oszillatorsignal SOSC, dessen Frequenz fOSC dem Wert des ersten Registers 31 entspricht. Während der ersten Betriebsphase stellt sich entsprechend der Anordnung 40 und der Wirkungsweise des Phasenregelkreises 1 ein Oszillatorsignal SOSC mit einer Frequenz fOSC ein, welche einer Resonanzfrequenz fRES der Anordnung 40 entspricht.
Während der ersten Betriebsphase wird der Wert der Frequenz fOSC in das zweite Register 32 als weiterer Programmierwert gespeichert. Nach dem Ende der ersten Betriebsphase wird der Phasenregelkreis 1 ausgeschaltet. In der Ausschaltphase gibt somit der digital gesteuerte Oszillator 10 kein Oszillatorsignal SOSC ab. Zu Beginn der zweiten Betriebsphase wird der im zweiten Register 32 gespeicherte Wert ausgelesen und dem digital gesteuerten Oszillator 10 zugeleitet, so dass zu Beginn der zweiten Betriebsphase der digital gesteuerte Oszillator 10 mit einem Oszillatorsignal SOSC startet, das als Frequenz fOSC den Wert des zweiten Registers 32 aufweist. Auch in der zweiten Betriebsphase wird ein neuer Frequenzwert fOSC des Oszillators SOSC ermittelt und im zweiten Register 32 abgespeichert. Weitere derartige Betriebsphasen und Ausschaltphasen folgen abwechselnd.
In einer Messphase stellt die Steuervorrichtung 33 den Phasenregelkreis 1 derart ein, dass der digital gesteuerte Oszillator 10 ein Oszillatorsignal SOSC mit verschiedenen Frequenzen fOSC bereitstellt. Das Oszillatorsignal SOSC durchläuft die verschiedenen Frequenzen zeitlich hintereinander in einstellbaren Zeitabschnitten. Das Oszillatorsignal SOSC weist in einem ersten Zeitabschnitt einen ersten Frequenzwert f1 auf. Es folgt mindestens ein zweiter Zeitabschnitt. In dem zweiten Zeitabschnitt weist das Oszillatorsignal einen zwei ten Frequenzwert f2 auf. Mit dem Oszillatorsignal SOSC wird die Anordnung 40 beaufschlagt und somit das erste Signal S2 und das Stromsignal S3 ermittelt. Der Phasenvergleicher 20 stellt das Phasensignal S1 zu Ende des ersten Zeitabschnittes mit einem ersten Wert und zu Ende des zweiten Zeitabschnittes mit einem zweiten Wert bereit. Der erste Wert und der zweite Wert des Phasensignals S1 werden der Steuervorrichtung 33 zugeleitet. Die Steuervorrichtung 33 stellt in Abhängigkeit von dem ersten und dem zweiten Wert des Phasensignals S1 sowie dem ersten und dem zweiten Frequenzwert f1, f2 einen Wert einer charakteristischen Frequenz fC ausgangsseitig bereit. Somit kann beispielsweise ermittelt werden, ob bei dem ersten Frequenzwert f1 oder bei dem zweiten Frequenzwert f2 die Phasendifferenz kleiner ist und damit der Imaginärteil der Impedanz der Serienschaltung, umfassend das induktive Bauelement 58 und das elektromechanische Bauteil 50, kleiner ist.
Mit Vorteil startet der digital gesteuerte Oszillator 10 mit einer Frequenz fOSC, die mittels eines Programmierwertes vorgebbar ist. Somit stellt sich der digital gesteuerte Oszillator 10 sehr schnell auf die Resonanzfrequenz fRES ein. Weist die Anordnung 40 mehrere Resonanzfrequenzen auf, so kann mit Vorteil mittels des Programmierwertes, der im ersten Register 31 gespeichert ist, die Resonanzfrequenz eingestellt werden, die für den Betrieb des elektromechanischen Systems vorgesehen ist. Somit kann vermieden werden, dass das elektromechanische System bei einer nicht gewünschten Resonanzfrequenz betrieben wird.
Mit Vorteil wird während einer Betriebsphase mittels des Phasenregelkreises 1 ein Wert der Resonanzfrequenz fRES ermittelt und im zweiten Register 32 abgespeichert. Eine zweite Betriebsphase startet somit von dem Ausgangswert der Reso nanzfrequenz fRES, der in der ersten Betriebsphase ermittelt wurde. Damit kann das Einstellen des Phasenregelkreises 1 beziehungsweise des digital gesteuerten Oszillators 10 in sehr kurzer Zeit durchgeführt werden. Das elektromechanische Bauteil 50 wird dabei mit einer definierten Frequenz und mit einer definierten Spannung betrieben.
In einer Ausführungsform wird von der Steuervorrichtung 33 eine erste Anzahl von Frequenzwerten bereitgestellt, so dass das Oszillatorsignal SOSC verschiedene Stützstellen in einem weiten Frequenzbereich zwischen einem unteren Frequenzwert fU und einem oberen Frequenzwert fO durchfährt. Der Frequenzbereich kann beispielsweise Frequenzwerte von 100 kHz bis 200 kHz umfassen. Die Steuervorrichtung kann ermitteln, wie viele charakteristischen Frequenzen fC, das heißt wie viele Resonanzfrequenzen fRES, innerhalb des Frequenzbereiches detektiert werden. Die Steuervorrichtung 33 kann aus der Anzahl der ermittelten Resonanzfrequenzen fRES bestimmen, ob mechanische. Arbeit von dem elektromechanischen Bauteil 50 verrichtet wird oder nicht. Wird mechanische Arbeit verrichtet, so wird das elektromechanische Bauteil 50 derart gedämpft, dass die Anzahl der von der Steuervorrichtung 33 ermittelbaren Resonanzfrequenzen fRES kleiner ist als die Anzahl der ermittelbaren Resonanzfrequenzen fRES im Fall ohne mechanische Arbeit. Die Steuervorrichtung vergleicht dazu die Anzahl der ermittelten Resonanzfrequenzen fRES mit einem Vorgabewert. Somit kann das elektromechanische System ermitteln, ob eine zusätzliche Dämpfung des elektromechanischen Bauteils 50 vorhanden ist oder nicht, und ein Signal SI bereitstellen, das diese Information repräsentiert.
2A zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines elektromechanischen Bauteils 50, welches ein Filter 54 umfasst.
2B zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines elektromechanischen Bauteils 50, welches einen Aktuator 53 umfasst, der als piezoelektrisches Bauelement 55 und zwar als eine Piezokeramik 57 ausgebildet ist. Die Piezokeramik 57 weist mehrere gestapelte Piezoschichten 61, 62 auf.
2C zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines elektromechanischen Bauteils 50, welches einen Aktuator 53 umfasst, der als piezoelektrisches Bauelement 55 und zwar als ein Schwingquarz 56 ausgebildet ist. Der Schwingquarz 56 umfasst zwei Elektroden 63, 64, die auf den beiden Hauptflächen einer Quarzscheibe 65 angeordnet sind.
Eine Auslenkung der Piezokeramik 57 und des Schwingquarzes 56 ist von einer angelegten Spannung U abhängig.
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform umfasst das elektromechanische Bauteil 50 eine erste und eine zweite Spule sowie einen mechanischen Schwinger. Die beiden Spulen sind mit dem mechanischen Schwinger verbunden. Durch eine Kraft eines Magnetfeldes der ersten Spule wird der mechanische Schwinger ausgelenkt. Durch die Auslenkung wird in der zweiten Spule eine Spannung induziert, die dem zweiten Eingang 22 des Phasenkomparators 20 zugeleitet wird. Das elektromechanische Bauteil 50 weist mindestens eine Resonanzfrequenzen fRES auf, die auf diese Art und Weise detektiert werden kann.
3 zeigt eine Ausführungsform eines Betriebs des elektromechanischen Systems mit einer beispielhaften Folge von Betriebs- und Messphasen. In 3 ist dargestellt, in welchen Zeiträumen sich der Phasenregelkreis 1 in einem aktiven Betriebszustand befindet und somit der digital gesteuerte Oszillator 10 das Oszillatorsignal SOSC bereitstellt. Im Zeitraum zwischen einem ersten Zeitpunkt t0 und einem zweiten Zeitpunkt t1 ist der digital gesteuerte Oszillator 10 ausgeschaltet. Im Zeitraum zwischen dem zweiten Zeitpunkt t1 und einem dritten Zeitpunkt t2 befindet sich der Phasenregelkreis 1 in einer ersten Betriebsphase. In den Zeiträumen zwischen dem dritten Zeitpunkt t2 und einem vierten Zeitpunkt t3 sowie zwischen einem fünften Zeitpunkt t4 und einem sechsten Zeitpunkt t5 als auch zwischen einem siebten Zeitpunkt t6 und einem achten Zeitpunkt t7 ist der Phasenregelkreis 1 in einem inaktiven Betriebszustand. Der Zeitraum eines inaktiven Betriebszustandes kann beispielsweise 10 bis 100 s betragen. In dem Zeitraum zwischen dem vierten Zeitpunkt t3 und dem fünften Zeitpunkt t4 befindet sich der Phasenregelkreis 1 und damit der digital gesteuerte Oszillator 10 in einem zweiten Betriebszustand und in dem Zeitraum zwischen dem sechsten Zeitpunkt t5 und dem siebten Zeitpunkt t6 in einem weiteren aktiven Betriebszustand. Der Zeitraum eines aktiven Betriebszustandes kann beispielsweise 10 bis 20 ms betragen. In dem Zeitraum zwischen dem achten Zeitpunkt t7 und einem neunten Zeitpunkt t8 befindet sich das elektromechanische System in einer Messphase.
4A und 4B zeigen ein beispielhaftes Impedanzspektrum eines elektromechanischen Bauteils 50, welches einen Aktuator 53 umfasst und als ein piezoelektrisches Bauelement 55, etwa ein Schwingquarz 56, ausgebildet ist. Das elektromechanische Bauteil 50 ist, wie in den 1A und 1B gezeigt, be schaltet. Somit weist die schwingungsfähige Anordnung 40 das elektromechanische Bauteil 50 sowie das induktive Bauelement 58 und das resistive Bauelement 59 auf. In 4A ist der Realteil und in 4B der Imaginärteil der komplexen Impedanz Z über der Frequenz fOSC aufgetragen.
In 4A ist der Realteil der Impedanz Z1 ohne zusätzliche Dämpfung und der Realteil der Impedanz Z2 mit zusätzlicher Dämpfung aufgetragen. Beide Kurven zeigen drei Maxima. Dabei weisen die Maxima des Realteils der Impedanz Z2 mit zusätzlicher Dämpfung in zwei Fällen einen niedrigeren Wert als der Realteil der Impedanz Z1 ohne zusätzliche Dämpfung auf. Darüber hinaus ist in zwei Fällen das Maximum des Realteils der Impedanz Z2 mit zusätzlicher Dämpfung zu niedrigeren Frequenzwerten verschoben im Vergleich mit dem Realteil der Impedanz Z1 ohne zusätzliche Dämpfung.
In 4B sind der Imaginärteil der Impedanz Z1 ohne zusätzliche Dämpfung und der Imaginärteil der Impedanz Z2 mit zusätzlicher Dämpfung gezeigt. Der Imaginärteil der Impedanz Z1 ohne zusätzliche Dämpfung weist sieben Frequenzen auf, bei denen der Imaginärteil 0 ist und somit die Anordnung 40 ausschließlich einen Realteil der Impedanz Z1 zeigt. In diesem Fall tritt keine Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen S2, S3, die dem Phasendetektor 20 zugeleitet werden, auf. Der Imaginärteil der Impedanz Z2 mit zusätzlicher Dämpfung weist ebenfalls sieben Frequenzen auf, bei denen der Imaginärteil den Wert 0 annimmt und somit die beiden Signale S2, S3, die dem Phasendetektor 20 zugeleitet werden, keinen Phasenunterschied zeigen. In vier von sieben Fällen sind die Frequenzwerte, bei denen der Imaginärteil der Impedanz Z2 mit zusätzlicher Dämpfung den Wert 0 aufweist, zu niedrigeren Frequenz werten verschoben im Vergleich zu der Impedanz Z1 ohne zusätzliche Dämpfung.
Mit Vorteil kann mittels des Programmierwertes, welcher im ersten Register 31 des elektromechanischen Systems gespeichert ist, ein Startwert für die Frequenz fOSC eingestellt werden und somit vorab bestimmt werden, bei welchem der sieben Nulldurchgänge des Imaginärteils der Impedanz Z1 beziehungsweise Z2 das elektromechanische System schwingt. Der in den 4A und 4B gezeigte Frequenzbereich kann sich beispielsweise von einer unteren Frequenz fU, welche 100 kHz beträgt, bis zu einer oberen Frequenz fO, welche 200 KHz beträgt, erstrecken.
Bei alternativen Ausführungsformen der Anordnung 40 treten nur ein oder zwei Maxima auf. Bei anderen Ausführungsformen des elektromechanischen Systems treten mehr als drei Maxima auf.
5A zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines elektromechanischen Systems nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Der Phasenregelkreis 1 ist entsprechend dem Phasenregelkreis gemäß 1A ausgebildet. Die Anordnung 40 umfasst das induktive Bauelement 58 und das elektromechanische Bauelement 50, die in Serie zueinander geschaltet sind. Die Serienschaltung ist zwischen den ersten Anschluss 41 der Anordnung 40 und den Bezugspotentialanschluss 8 geschaltet. Zwischen den digital gesteuerten Oszillator 10 und die Anordnung 40 ist ein Treiber 70 geschaltet. Der Treiber 70 verbindet den Ausgang 11 des Oszillators 10 mit dem ersten Anschluss 41 der Anordnung 40. Der Treiber 70 ist als Inverter realisiert und umfasst einen ersten und einen zweiten Treibertransistor 71, 72, die in Serie zueinander zwischen einen Versorgungsspannungsanschluss 9 und den Bezugspotentialanschluss 8 geschaltet sind. Die beiden Treibertransistoren 70, 71 sind als Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistoren, abgekürzt MOSFETs, realisiert. Die Steueranschlüsse der beiden Treibertransistoren 71, 72 sind an den Ausgang 11 des Oszillators 10 angeschlossen. Ein erster Abgriff 77 zwischen den beiden Treibertransistoren 71, 72 ist an den ersten Anschluss 41 der Anordnung 40 angeschlossen. Der Treiber 70 umfasst eine Strommess- und Komparatorschaltung 73, die den ersten Anschluss 41 der Anordnung 40 mit dem zweiten Eingang 22 des Phasenkomparators 20 koppelt. Die Strommess- und Komparatorschaltung 73 umfasst den Komparator 24, der dem Ausgang der Strommess- und Komparatorschaltung 73 vorgeschaltet ist.
Die Strommess- und Komparatorschaltung 73 stellt das Stromsignal S3 als Digitalsignal bereit, welches dem zweiten Eingang 22 des Phasenkomparators 20 zugeleitet wird. Das Stromsignal S3 wird in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall am ersten Treibertransistor 71 und/oder einem Spannungsabfall am zweiten Treibertransistor 72 gebildet. Der Spannungsabfall hängt von dem Einschaltwiderstand des jeweiligen Treibertransistors und dem Strom durch die Anordnung 40 ab.
Mit Vorteil dient der Treiber 70 als Ausgangsstufe des Oszillators 10 und entkoppelt somit den Oszillator 10 von dem elektromechanischen Bauteil 50. Das resistive Bauelement 59 ist vorteilhafterweise weggelassen und durch eine leitende Verbindung ersetzt, so dass ohmsche Verluste gegenüber der in 1 gezeigten Ausführungsform reduziert sind. Der durch das elektromechanische Bauteil 50 fließende Strom wird mit Vorteil mittels der Strommess- und Komparatorschaltung 73 gemessen.
In einer alternativen Ausführungsform ist der Phasenregelkreis 1 wie in 1B gezeigt realisiert.
Alternativ können die beiden Treibertransistoren 71, 72 als Bipolar-Transistoren oder als Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, englisch junction field-effect transistors, ausgebildet sein.
5B zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines elektromechanischen Systems nach dem vorgeschlagenen Prinzip, welche eine Weiterbildung der in 5A gezeigten Ausführungsform ist. Die Anordnung 40 umfasst das induktive Bauelement 58 und das elektromechanische Bauelement 50, die in Serie zueinander geschaltet sind. Die Serienschaltung ist zwischen den ersten und den zweiten Anschluss 41, 42 der Anordnung 40 geschaltet. Zwischen den digital gesteuerten Oszillator 10 und die Anordnung 40 ist der Treiber 70' geschaltet. Der Treiber 70' verbindet den Ausgang 11 des Oszillators 10 mit dem ersten und dem zweiten Anschluss 41, 42 der Anordnung 40. Der Treiber 70' umfasst den Inverter, welcher den ersten und den zweiten Treibertransistor 71, 72 aufweist. Darüber hinaus umfasst der Treiber 70' einen weiteren Inverter, welcher einen dritten und einen vierten Treibertransistor 74, 75 aufweist, die in Serie zueinander zwischen den Versorgungsspannungsanschluss 9 und den Bezugspotentialanschluss 8 geschaltet sind. Die Steueranschlüsse der vier Treibertransistoren 71, 72, 74, 75 sind über eine Schaltersteuerung 76 mit dem Ausgang 11 des Oszillators 10 gekoppelt. Der erste Abgriff 77 zwischen dem ersten und dem zweiten Treibertransistor 71, 72 ist an den ersten Anschluss 41 der Anordnung 40 angeschlossen. Weiter ist ein zweiter Abgriff 78 zwischen dem dritten und dem vierten Treibertransistor 74, 75 an den zwei ten Anschluss 42 der Anordnung 40 angeschlossen. Die Strommess- und Komparatorschaltung 73' des Treibers 70' ist eingangsseitig über nicht eingezeichnete Verbindungsleitungen mit dem ersten und dem zweiten Anschluss 41, 42 der Anordnung 40 und ausgangsseitig mit dem zweiten Eingang 22 des Phasenkomparators 20 verbunden. Die Strommess- und Komparatorschaltung 73' umfasst den Komparator 24, der dem Ausgang der Strommess- und Komparatorschaltung 73' vorgeschaltet ist.
Die Strommess- und Komparatorschaltung 73' stellt das digitale Stromsignal S3 bereit, welches dem zweiten Eingang 22 des Phasenkomparators 20 zugeleitet wird. Das Stromsignal S3 wird in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall am ersten Treibertransistor 71 und/oder einem Spannungsabfall am zweiten Treibertransistor 72 gebildet. Ferner wird das Stromsignal S3 in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall am dritten Treibertransistor 74 und/oder einem Spannungsabfall am vierten Treibertransistor 75 gebildet. Da die aktiven Treibertransistoren sich periodisch abwechseln, wird auch die Strommessung entsprechend umgeschaltet.
Mit Vorteil stellt der Treiber 70' eine H-Brücke zum Betrieb der Anordnung 40 bereit. Der durch das elektromechanische Bauteil 50 fließende Strom wird mit Vorteil mittels der Strommess- und Komparatorschaltung 73' im Treiber 70' gemessen.
In einer alternativen Ausführungsform ist der Phasenregelkreis 1 wie in 1B gezeigt realisiert.

1: Phasenregelkreis
8: Bezugspotentialanschluss
9: Versorgungsspannungsanschluss
10: digital gesteuerter Oszillator
11: Ausgang
12: Eingang
13: weiterer Eingang
14: zusätzlicher Eingang
15: weiterer zusätzlicher Eingang
20: Phasenkomparator
21: erster Eingang
22: zweiter Eingang
23: Ausgang
24: Komparator
30: digitales Schleifenfilter
31: erstes Register
32: zweites Register
33: Steuervorrichtung
40: Anordnung
41: erster Anschluss
42: zweiter Anschluss
50: elektromechanisches Bauteil
51: erster Anschluss
52: zweiter Anschluss
53: Aktuator
54: Filter
55: piezoelektrisches Bauelement
56: Schwingquarz
57: Piezokeramik
58: induktives Bauelement
59: resistives Bauelement
60: Schaltungsknoten
61, 62: Piezoschichten
63, 64: Elektrode
65: Quarzscheibe
70, 70': Treiber
71: erster Treibertransistor
72: zweiter Treibertransistor
73, 73': Strommess- und Komparatorschaltung
74: dritter Treibertransistor
75: vierter Treibertransistor
76: Schaltersteuerung
77: erster Abgriff
78: zweiter Abgriff
f1: erster Frequenzwert
f2: zweiter Frequenzwert
fC: charakteristische Frequenz
fO: oberer Frequenzwert
fOSC: Frequenz
fRES: Resonanzfrequenz
fU: unterer Frequenzwert
S1: Phasensignal
S2: erstes Signal
S3: Stromsignal
S4: Rückkopplungssignal
S5: gefiltertes Signal
SI: Signal
SOSC: Oszillatorsignal
t0: erster Zeitpunkt
t1: zweiter Zeitpunkt
t2: dritter Zeitpunkt
t3: vierter Zeitpunkt
t4: fünfter Zeitpunkt
t5: sechster Zeitpunkt
t6: siebter Zeitpunkt
t7: achter Zeitpunkt
t8: neunter Zeitpunkt
U: Spannung
Z, Z1, Z2: Impedanz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6331748 B1 [0003]
- US 6639367 B2 [0004]

Claims

Phasenregelkreis zum Ansteuern eines elektromechanischen Bauteils, umfassend – einen digital gesteuerten Oszillator (10) mit einem Ausgang (11), an dem ein Oszillatorsignal (SOSC) abgreifbar ist und der mit einem ersten Anschluss (51) des elektromechanischen Bauteils (50) koppelbar ist, – einen Phasenkomparator (20) mit – einem ersten Eingang (21), der mit dem Ausgang (11) des digital gesteuerten Oszillators (10) gekoppelt ist, und – einem zweiten Eingang (22), der mit dem ersten Anschluss (51) oder einem zweiten Anschluss (52) des elektromechanischen Bauteils (50) zur Zuführung eines Stromsignals (S3) koppelbar ist, und – ein digitales Schleifenfilter (30), das zwischen den Phasenkomparator (20) und den digital gesteuerten Oszillator (10) geschaltet ist.
Phasenregelkreis nach Anspruch 1, umfassend einen Komparator (24), der zwischen den ersten beziehungsweise den zweiten Anschluss (51, 52) des elektromechanischen Bauteils (50) und den zweiten Eingang (22) des Phasenkomparators (20) geschaltet ist.
Phasenregelkreis nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Phasenkomparator (20) ausgelegt ist, an einem Ausgang (23) ein digitales Phasensignal (S1) bereitzustellen, das von einer Phasendifferenz zwischen einem ersten Signal (S2) an dem ersten Eingang (21) des Phasenkomparators (20) und dem Stromsignal (S3) an dem zweiten Eingang (22) des Phasenkomparators (20) abhängt.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend ein erstes Register (31), das mit dem digital gesteuerten Oszillator (10) gekoppelt und zum Bereitstellen eines Programmierwertes für die Frequenz (fOSC) des Oszillatorsignals (SOSC) ausgelegt ist.
Phasenregelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend ein zweites Register (32), das mit dem digital gesteuerten Oszillator (10) gekoppelt und zum Abspeichern eines Wertes der Frequenz (fOSC) des Oszillatorsignals (SOSC) während einer Betriebsphase ausgelegt ist.
Phasenregelkreis nach Anspruch 3, umfassend eine Steuervorrichtung (33), die mit dem digital gesteuerten Oszillator (10) und dem Phasendetektor (20) gekoppelt und die ausgelegt ist, während einer Messphase unterschiedliche Programmierwerte für die Frequenz (fOSC) des Oszillatorsignals (SOSC) bereitzustellen sowie eine charakteristische Frequenz (fC) in Abhängigkeit des digitalen Phasensignals (S1) zu ermitteln.
Elektromechanisches System, umfassend einen Phasenregelkreis (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und eine Anordnung (40), welche das elektromechanische Bauteil (50) umfasst und welche eine frequenzabhängige Impedanz mit mindestens einer Resonanzfrequenz (fRES) aufweist.
Elektromechanisches System nach Anspruch 7, wobei das elektromechanische Bauteil (50) einen Aktuator (53) umfasst.
Elektromechanisches System nach Anspruch 8, wobei der Aktuator (53) als ein piezoelektrisches Bauelement (55) ausgebildet ist.
Elektromechanisches System nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Aktuator (53) als Schwingquarz (56) oder als Piezokeramik (57) ausgebildet ist.
Elektromechanisches System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Aktuator (53) über ein induktives Bauelement (58) mit dem Ausgang (11) des digital gesteuerten Oszillators (10) gekoppelt ist.
Elektromechanisches System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Aktuator (53) über ein resistives Bauelement (59) mit einem Bezugspotentialanschluss (8) gekoppelt ist und ein Schaltungsknoten (60) zwischen dem resistiven Bauelement (59) und dem Aktuator (53) mit einem zweiten Eingang (22) des Phasenkomparators (20) gekoppelt ist.
Verfahren zum Betrieb eines elektromechanischen Systems, umfassend einen Phasenregelkreis (1) und eine schwingungsfähige Anordnung (40), aufweisend, – Programmieren eines digital gesteuerten Oszillators (10) des Phasenregelkreises (1) mit einem Programmierwert, – Bereitstellen eines Oszillatorsignals (SOSC) durch den digital gesteuerten Oszillator (10), – Anregen der schwingungsfähigen Anordnung (40) mit dem Oszillatorsignal (SOSC), – Durchführen eines Phasenvergleichs des Oszillatorssignals (SOSC) mit einem Stromsignal (S3), das von einem durch die schwingungsfähige Anordnung (40) fließenden Strom abhängig ist, und – Nachführen des Oszillatorssignals (SOSC) in Abhängigkeit des Phasenvergleichs.
Verfahren nach Anspruch 13, zum Einstellen des elektromechanischen Systems in eine Messphase, umfassend: – Programmieren des digital gesteuerten Oszillators (10) auf einen ersten Frequenzwert (f1) und Abgeben eines ersten Oszillatorsignals (SOSC), – Durchführen eines ersten Phasenvergleichs des ersten Oszillatorssignals (SOSC) und des abgreifbaren Stromsignals (S3) und Bereitstellen eines ersten Phasenvergleichswertes in Abhängigkeit des ersten Phasenvergleichs, – Programmieren des digital gesteuerten Oszillators (10) auf mindestens einen zweiten Frequenzwert (f2) und Abgeben eines zweiten Oszillatorsignals (SOSC), – Durchführen mindestens eines zweiten Phasenvergleichs und Bereitstellen mindestens eines zweiten Phasenvergleichswertes in Abhängigkeit des mindestens einen zweiten Phasenvergleichs, – Bereitstellen einer charakteristischen Frequenz (fC) der Anordnung (40) in Abhängigkeit des ersten und des mindestens einen zweiten Frequenzwertes sowie des ersten und des mindestens einen zweiten Phasenvergleichswertes.