DE102007020823A1

DE102007020823A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen von mit Amplitudenumtastung codierten Signalen

Info

Publication number: DE102007020823A1
Application number: DE102007020823A
Authority: DE
Inventors: Sven Matthias Scheibe
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2007-05-02
Filing date: 2007-05-02
Publication date: 2008-11-06
Also published as: CN101682294A; EP2151045A1; US20100134199A1; WO2008135402A1; US8963635B2; JP2010534419A; CN101682294B

Abstract

s Amplitudenumtastung, umfasst einen Klasse-E-Verstärker mit einem Schalttransistor, an dessen Gate eine Spannung mit einer Ansteuerfrequenz zum Ansteuern des Klasse-E-Verstärkers anliegt, wobei zum Erzielen einer Amplitudenumtastung beim Ausgangssignal des Klasse-E-Verstärkers eine Schaltung zur Umschaltung der Ansteuerfrequenz der am Gate des Schalttransistors anliegenden Spannung (FT) oder der Resonanzfrequenz (FR) des Klasse-E-Verstärkers zwischen einem ersten Wert und einem zweiten Wert vorgesehen ist, um einen Abweichungsgrad zwischen der Ansteuerfrequenz und der Resonanzfrequenz zwischen einem ersten Wert und einem zweiten Wert umzuschalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von mit Amplitudenumtastung codierten Signalen sowie eine Vorrichtung zum induktiven Übertragen von mit Amplitudenumtastung codierten Signalen unter Verwendung der obigen Vorrichtung.
Vorrichtungen zur Amplitudenumtastung nach dem Stand der Technik umfassen einen Klassen-E-Verstärker mit einem Schalttransistor, dessen Gate bei einer Ansteuerfrequenz angesteuert wird, und mindestens einen variablen Widerstand, der in Abhängigkeit eines simulierenden Eingangssignals geschaltet wird und die Amplitudenmodulation des Ausgangssignals des Klasse-E-Verstärkers bewirkt.
Eine entsprechende Vorrichtung ist beispielsweise in der europäischen Offenlegungsschrift EP 1480156A2 offenbart, wobei hier eine mit der Betriebsfrequenz zugeführte Spannung über eine sogenannte Tri-State-Schaltung an das Gate des Schalttransistors geführt wird. Die Tri-State-Schaltung ist ein Netzwerk variabler Widerstände, welches in Abhängigkeit des Eingangssignals Spannungen U1-U4 aufaddiert und dem Gate des Schalttransistors zuführt. Entsprechend der variablen Gatespannung des Schalttransistors weist das Ausgangssignal des Klasse-E-Verstärkers eine unterschiedlich große Amplitude auf. Damit ist die beschriebene Vorrichtung für Codierung mittels Amplitudentastung geeignet, wobei die Tri-State-Schaltung und ihre Ansteuerung einen gewissen Aufwand bedeutet, den es zu vermeiden gilt.
Die Anmelderin stellt Messgeräte unter der Marke Memosens her, bei denen ein Sensormodul mit einem Elektronikmodul versehen ist, welches fest mit dem Sensormodul verbunden und in einem Steckkopfgehäuse angeordnet ist. Das Steckkopfgehäuse bildet die Sekundärseite einer induktiv koppelnden Steckverbinderkupplung zur Übertragung von Daten und Energie. Das primärseitige Element der Steckverbinderkopplung, welches über ein Kabel über einen Messumformer angeschlossen ist, enthält eine gattungsgemäße Vorrichtung, wobei die Amplitudenumtastung über den mindestens einen variablen Widerstand erfolgt, welche als eine in Reihe geschaltete schaltbare Last im Klasse-E-Verstärker realisiert ist.
Wenngleich die beschriebene Vorgehensweise grundsätzlich funktioniert und sich im Messbetrieb bewährt hat, sind doch die folgenden Verbesserungsmöglichkeiten zu benennen:
Erstens ist zur Modulation ein Laststrom erforderlich, welcher mit Wirkverlusten einhergeht.
Zweitens ist der Modulationsgrad begrenzt durch den Lastwiderstand.
Drittens können bei dieser Beschaltung durch parasitäre Kapazitäten überschwingende Flanken erzeugt werden.
Viertens sind zusätzliche Bauelemente für diese Modulation erforderlich, nämlich ein Schalttransistor, eine Diode und drei Widerstände.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Modulation durch Amplitudenumtastung bereit zu stellen, welche die Nachteile des Stands der Technik überwindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1 und das Verfahren gemäß des unabhängigen Anspruchs 8.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Klasse-E-Verstärker mit einem Schalttransistor, an dessen Gate eine Spannung mit einer Ansteuerfrequenz zum Ansteuern des Klasse-E-Verstärkers anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzielen einer Amplitudenumtastung beim Ausgangssignal des Klasse-E-Verstärkers eine Schaltung zur Umschaltung der Ansteuerfrequenz der am Gate des Schalttransistors anliegenden Spannung (FT) oder der Resonanzfrequenz (FR) des Klasse-E-Verstärkers zwischen einem ersten Wert und einem zweiten Wert um einen Abweichungsgrad zwischen der Ansteuerfrequenz und der Resonanzfrequenz zwischen einem ersten Wert und einem zweiten Wert umzuschalten. Der Abweichungsgrad ist definiert als (FT – FR)/FR.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Abweichungsgraden durch Umschalten zwischen zwei Ansteuerfrequenzen des Klasse-E-Verstärkers, wobei die Umschaltung im Takt der Datenkommunikation erfolgt.
Es ist derzeit bevorzugt, dass beide Ansteuerfrequenzen oberhalb oder beide Ansteuerfrequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz des Klasse-E-Verstärkers liegen. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil damit verhindert wird, dass bei Schwankungen der Resonanzfrequenz sich das Amplitudenverhältnis der Ausgangsspannungen bei der ersten Ansteuerfrequenz und der zweiten Ansteuerfrequenz umkehren könnte.
In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird das Gate des Schalttransistors mit einer festen Ansteuerfrequenz angesteuert, wobei zur Umschaltung des Abweichungsgrades die Resonanzfrequenz des Klasse-E-Verstärkers durch Zuschalten oder Abschalten eines Frequenz beeinflussenden Bauelements verändert wird. Das Frequenz beeinflussende Bauelement kann beispielsweise eine Kapazität oder eine Induktivität sein, die insbesondere mittels eines Schalttransistors geschaltet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Codieren eines Signals durch Amplitudenumtastung umfasst die folgenden Schritte:
Ansteuern des Gates eines Schalttransistors eines Klasse-E-Verstärkers mit mindestens einer Ansteuerfrequenz FT, wobei der Klasse-E-Verstärker mindestens eine Resonanzfrequenz FR aufweist;
und Umschalten im Takt einer Datenkommunikation zwischen einem ersten Abweichungsgrad und einem zweiten Abweichungsgrad zwischen der Ansteuerfrequenz FT und der Resonanzfrequenz FR, wobei
das Umschalten des Abweichungsgrades durch Umschalten zwischen zwei unterschiedlichen Ansteuerfrequenzen und/oder durch Umschalten zwischen zwei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen des Klasse-E-Verstärkers erfolgen kann.
Schließlich umfasst die Erfindung ein primärseitiges Steckverbinderelement einer Steckverbinderkupplung mit dem primärseitigen Steckverbinderelement und einem sekundärseitigen Steckverbinderelement, wobei das primärseitige Steckverbinderelement einen induktiven Übertrager zum Übertragen von Daten und Energie zum sekundärseitigen Steckverbinderelement umfasst, und die Energieübertragung mittels eines AC-Signales erfolgt, welches zur Datenübertragung mit Amplitudenumtastung codiert wird, wobei zur Amplitudenumtastung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen von mit Amplitudenumtastung codierten Signalen vorgesehen ist.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels verdeutlicht.
Es zeigt:
1: Ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Modulationsvorrichtung;
2: Ein Diagramm des Frequenzgangs des Klasse-E-Verstärkers einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Darstellung der Amplitudenmodulation durch Variation der Ansteuerfrequenz FT;
3: Ein Diagramm von Frequenzgängen des Klasse-E-Verstärkers eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Darstellung der Amplitudenumtastung durch Umschalten der Resonanzfrequenz FR;
4a: Eine Oszilloskopaufnahme zur Amplitudenumtastung nach dem Stand der Technik durch Zuschalten einer Last im Klasse-E-Verstärker; und
4b: Eine Oszilloskopaufnahme zur erfindungsgemäßen Amplitudenumtastung durch Umschalten der Ansteuerfrequenz des Klasse-E-Verstärkers.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung umfasst einen Klasse-E-Verstärker, der über einen Schalttransistor X1 angesteuert wird, wobei der Schalttransistor X1 insbesondere ein Feldeffekttransistor ist. Der Source-Anschluss S des Feldeffekttransistors X1 liegt an Masse und ist über eine Kapazität C1 mit dem Drain-Anschluss D verbunden, wobei an den Drain-Anschluss D über eine Spule L2 die Versorgungsspannung V1 angeschlossen ist. Der Klasse-E-Verstärker umfasst weiterhin eine Spule L1, die über eine Kapazität C2 an den Drain-Anschluss D des Feldeffekttransistors X1 angeschlossen ist, wobei die andere Spule L1 auf Masse liegt. Die Spule L1 dient zugleich als Sendeantenne zum Auskoppeln des mit Amplitudenumtastung modulierten Signals.
Zum Betreiben des Klasse-E-Verstärkers wird der Gate-Anschluss G des Feldeffekttransistors X1 mit einer Ansteuerfrequenz FT angesteuert. Zur Realisierung der Amplitudenumtastung wird im Takt der Datenübertragung eine Frequenzumtastung zwischen FT = F0 und FT = F1 vorgenommen. Wie in 2 dargestellt, bewirkt dies eine Amplitudenumtastung Delta U der ausgekoppelten Reduktionsspannung UA. Die Ansteuerfrequenz kann beispielsweise die folgenden Werte annehmen: F0 = 250 KHz, F1 = 285 KHz. Sowohl F0 also auch F1 liegen oberhalb der Resonanzfrequenz FR des Klasse-E-Verstärkers. Der Abweichungsgrad bei FT = F0 ergibt sich (F0 – FR)/ FR und ist ausreichend kleiner als der Abweichungsgrad bei FT = F1 wobei der Abweichungsgrad dort (F1 – FR)/FR beträgt.
3 zeigt das Prinzip der Amplitudenumtastung durch Umschalten des Abweichungsgrades über Veränderung der Resonanzfrequenz des Klasse-E-Verstärkers. Hierzu kann die Kapazität C2 umschaltbar gestaltet sein, beispielsweise mit zwei parallel geschalteten Teilkapazitäten, wobei eine der Teilkapazitäten mit einem Schalttransistor zu oder abgeschaltet werden kann. Dies führt zu einer umschaltbaren Resonanzfrequenz des Klasse-E-Verstärkers zwischen FR0 und FR1 und damit einhergehend bei unveränderter Ansteuerungsfrequenz FT zu einem umschaltbaren Abweichungsgrad zwischen (FT – FR0)/FR0 und (FT – FR1)/FR1.
Der Vorteil der Amplitudenumtastung gemäß der vorliegenden Erfindung ist gegenüber dem Stand der Technik abschließend noch einmal anhand von Messdaten in 4a und 4b dargestellt.
4a zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung UA eines Klasse-E-Verstärkers für eine Amplitudenumtastung nach dem Stand der Technik, wobei hier eine Last im Klasse-E-Verstärker zu oder abschaltbar ist. Es wird nur ein Modulationsgrad von etwa 10% erreicht, und das Signal weist vermutlich aufgrund parasitärer Kapazitäten überschwingende Flanken auf.
4b zeigt schließlich das Ausgangssignal einer erfindungsgemäßen Amplitudenumtastung durch Frequenzumtastung der Ansteuerfrequenz des Klasse-E-Verstärkers, wobei ein Modulationsgrad von etwa 23% erreicht wird.
Abschließend seien zusammenfassend wesentliche Vorteile der vorliegenden Erfindung genannt. Es ist kein Laststrom bzw. kein Lastwiderstand erforderlich, der Modulationsgrad ist abhängig von den Ansteuerfrequenzen bzw. dem Abweichungsgrad und ist insoweit optimal wählbar, die Datencodierung ist mittels Software schneller zu verändern, und die Flanken der durch Amplitudenumtastung erzielten Ausgangssignale sind steil und ohne Überschwinger. Weiterhin können die Toleranzen der Bauteile des Klasse-E-Verstärkers und deren Temperaturdrift durch Anpassung der Frequenz ausgeglichen werden. Im Ergebnis ermöglicht dies eine Verringerung des Bauteileaufwandes, speziell für jene Bauteile, die zur Modulation verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1480156 A2 [0003]

Claims

Vorrichtung zum Codieren eines Signals mittels Amplitudenumtastung, umfassend: einen Klasse-E-Verstärker mit einem Schalttransistor, an dessen Gate eine Spannung mit einer Ansteuerfrequenz zum Ansteuern des Klasse-E-Verstärkers anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzielen einer Amplitudenumtastung beim Ausgangssignal des Klasse-E-Verstärkers eine Schaltung zur Umschaltung der Ansteuerfrequenz der am Gate des Schalttransistors anliegenden Spannung (FT) oder der Resonanzfrequenz (FR) des Klasse-E-Verstärkers zwischen einem ersten Wert und einem zweiten Wert vorgesehen ist, um einen Abweichungsgrad zwischen der Ansteuerfrequenz und der Resonanzfrequenz zwischen einem ersten Wert und einem zweiten Wert umzuschalten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Umschalten zwischen dem ersten Abweichungsgrad und dem zweiten Abweichungsgrad das Umschalten zwischen einer Ansteuerfrequenz und einer zweiten Ansteuerfrequenz des Klasse-E-Verstärkers umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Umschalten im Takt der Datenkommunikation erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei beide Ansteuerfrequenzen oberhalb oder beide Ansteuerfrequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz des Klasse-E-Verstärkers liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gate des Schalttransistors mit einer festen Ansteuerfrequenz angesteuert wird, und zum Umschalten des Abweichungsgrades die Resonanzfrequenz des Klasse-E-Verstärkers durch Zuschalten oder Abschalten eines Frequenz beeinflussenden Bauelements verändert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Frequenz beeinflussende Bauelement einen Kondensator umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Frequenz beeinflussende Bauelement eine Spule umfasst.
Verfahren zum Codieren eines Signals durch Amplitudenumtastung umfassend die folgenden Schritte: Ansteuern des Gates eines Schalttransistors eines Klasse-E-Verstärkers mit mindestens einer Ansteuerfrequenz FT, wobei der Klasse-E-Verstärker mindestens eine Resonanzfrequenz FR aufweist; und Umschalten im Takt einer Datenkommunikation zwischen einem ersten Abweichungsgrad und einem zweiten Abweichungsgrad zwischen der Ansteuerfrequenz FT und der Resonanzfrequenz FR, wobei
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Umschalten des Abweichungsgrades durch Umschalten zwischen zwei unterschiedlichen Ansteuerfrequenzen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Umschalten des Abweichungsgrades durch Umschalten zwischen zwei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen des Klasse-E-Verstärkers erfolgt.
Primärseitiges Steckverbinderelement einer Steckverbinderkupplung, welche das primärseitige Steckverbinderelement und ein sekundärseitiges Steckverbinderelement umfasst, wobei das primärseitige Steckverbinderelement einen induktiven Übertrager zum Übertragen von Daten und Energie zum sekundärseitigen Steckverbinderelement aufweist, und die Energieübertragung mittels eines AC-Signales erfolgt, welches zur Datenübertragung mit Amplitudenumtastung codiert wird, wobei zur Amplitudenumtastung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen von mit Amplitudenumtastung codierten Signalen vorgesehen ist, und die Ansteuerfrequenz des Klasse-E-Verstärkers die Frequenz des AC-Signals ist.