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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Linearisierung der Kennlinie von Stellgliedern, insbesondere von Hochfrequenz-Stellgliedern.
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Hochfrequenzstellglieder weisen üblicherweise insbesondere bei hohen Frequenzen ein nichtlineares Verhältnis des Steuersignals zur erzielten Dämpfung/Verstärkung auf. Herkömmlich sind zur Linearisierung von Hochfrequenz-Stellgliedern eine aufwendige Messung des Hochfrequenz-Ausgangssignals und ein Vergleich mit dem Hochfrequenz-Eingangssignal notwendig. Da Stellglieder einer Temperaturdrift und anderen zeitabhängigen Effekten unterliegen, führt eine einmalige Tabellierung nicht zu optimalen Ergebnissen. Die ständige Vorhaltung der notwendigen Komponenten zur Messung und zum Vergleich der Hochfrequenzsignale ist dagegen sehr aufwendig und aus Miniaturisierungsgründen oftmals nicht möglich.
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Die Europäische Patentschrift
EP 0 248 425 B1 zeigt eine Senderanordnung, welche zur Linearisierung der Ausgangskennlinie einer Verstärkerendstufe ein nachgeschaltetes Stellglied einsetzt. Durch Vergleich einer Hüllkurve des Signals vor der Endstufe und nach der Endstufe wird ein Steuersignal für das steuerbare Dämpfungsglied abgeleitet. Mittels dieses Steuersignals wird das steuerbare Dämpfungsglied derart eingestellt, dass Verzerrungen der Endstufe und des Steuergliedes ausgeglichen werden. Die Bestimmung der Hüllkurven verursacht hier einen großen Aufwand.
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Die Druckschrift
US 2007/0072569 A1 zeigt ein einstellbares Stellglied. Eine Abschwächung durch das Stellglied wird dabei durch eine Regelschleife mit dem Ausgangssignal als Regelgröße geregelt.
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Die Druckschrift
EP 1 990 913 A2 zeigt einen Empfänger-Schaltkreis und einen Verstärker-Schaltkreis. Ausgehend von dem Ausgangssignal des Verstärker-Schaltkreises wird über eine Steuereinrichtung die Verstärkung bzw. Abschwächung eines Stellglieds eingestellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche eine Linearisierung von Stellgliedern mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit erzielen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Verfahren durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 und für die Vorrichtung durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung beinhaltet zumindest ein Stellglied, welches über zumindest einen Signal-Eingang und einen Signal-Ausgang verfügt. Die Schaltungsanordnung weist weiterhin eine Gleichspannungs-Beaufschlagungs-Einrichtung und eine Gleichspannungs-Extraktions-Einrichtung auf. Das Stellglied weist weiterhin einen Steuer-Eingang auf. Ein am Steuer-Eingang angelegtes Steuer-Signal stellt die Verstärkung und/oder Dämpfung eines am Signal-Eingang angelegten Nutz-Signals am Signal-Ausgang ein. Die Gleichspannungs-Beaufschlagungs-Einrichtung ist mit dem zumindest einen Stellglied verbunden. Das Stellglied ist mit der Gleichspannungs-Extraktions-Einrichtung verbunden. Die Gleichspannungs-Beaufschlagungs-Einrichtung überlagert dem Nutz-Signal vor Erreichen des Signal-Eingangs ein Gleichspannungs-Eingangs-Signal. Die Gleichspannungs-Extraktions-Einrichtung extrahiert ein Gleichspannungssignal als Gleichspannungs-Ausgangs-Signal aus dem Nutz-Signal. Ein Regler nutzt das extrahierte Gleichspannungs-Ausgangs-Signal zur Bestimmung der Dämpfung und/oder Verstärkung des Stellglieds. Das Verhältnis des extrahierten Gleichspannungs-Ausgangs-Signals zu dem Gleichspannungs-Eingangs-Signal ist weitgehend proportional zu der Dämpfung oder Verstärkung des Stellglieds. So ist eine einfache Bestimmung der gegenwärtigen Einstellung des Stellgliedes möglich.
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Die Schaltungsanordnung enthält bevorzugt zumindest zwei in Serie geschaltete Stellglieder. Die Gleichspannungs-Beaufschlagungs-Einrichtung überlagert bevorzugt dem Nutz-Signal vor Erreichen des ersten Signal-Eingangs das Gleichspannungs-Eingangs-Signal. Die Gleichspannungs-Extraktions-Einrichtung extrahiert bevorzugt das Gleichspannungs-Eingangs-Signal nach Verlassen des Signal-Ausgangs des letzten in Serie geschalteten Stellglieds als Gleichspannungs-Ausgangs-Signal aus dem Nutz-Signal. So kann eine größere Dämpfung bzw. Verstärkung als mit nur einem Stellglied erreicht werden ohne den Aufwand der Linearisierung weiter zu erhöhen.
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Vorteilhafterweise ist das Stellglied ein Dämpfungsglied oder ein Verstärker. So kann das eingespeiste Signal mit beliebigen Faktoren multipliziert werden.
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Ein temperaturabhängiger Widerstand stellt vorteilhafterweise das Stellglied ein. So kann durch den Einsatz passiver Komponenten der Aufwand weiter reduziert werden. Zusätzlich sind so die Störungen durch Transistorrauschen ausgeschlossen.
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Das Stellglied beinhaltet bevorzugt zumindest einen Wechselschalter. Der Wechselschalter schaltet bevorzugt zwischen zumindest zwei verschiedenen Dämpfungsfaktoren oder Verstärkungsfaktoren. Ein Regler regelt bevorzugt die zumindest zwei Dämpfungsfaktoren oder Verstärkungsfaktoren mittels des extrahierten Gleichspannungs-Ausgangs-Signals. So kann zwischen zwei fest vorgegebenen Werten geschaltet werden. Diese beiden Werte werden durch die Linearisierung der Stellglieder genau gehalten.
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Das Stellglied ist bevorzugt ein Hochfrequenz-Stellglied. So können auch die Nichtlinearitäten der schwierig zu linearisierenden Hochfrequenz-Stellglieder kompensiert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient der Linearisierung von Stellgliedern. Ein Stellglied verfügt über zumindest einen Signal-Eingang und einen Signal-Ausgang. Das Stellglied verfügt über einen Steuer-Eingang. Ein am Steuer-Eingang angelegtes Steuer-Signal stellt die Verstärkung und/oder Dämpfung eines am Signal-Eingang angelegten Nutz-Signals am Signal-Ausgang ein. Dem Nutz-Signal wird vor Erreichen des Signal-Eingangs ein Gleichspannungs-Eingangs-Signal überlagert. Ein Gleichspannungssignal wird nach Verlassen des Signal-Ausgangs als Gleichspannungs-Ausgangs-Signal aus dem Nutz-Signal extrahiert. Das extrahierte Gleichspannungs-Ausgangs-Signal wird zur Bestimmung der Dämpfung oder Verstärkung des Stellglieds genutzt. Das Verhältnis des extrahierten Gleichspannungs-Ausgangs-Signals zu dem Gleichspannungs-Eingangs-Signal ist dabei weitgehend proportional zu der Dämpfung oder Verstärkung des Stellglieds.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, beispielhaft beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein erstes beispielhaftes Stellglied;
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2 ein zweites beispielhaftes Stellglied;
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3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
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4 ein erstes beispielhaftes Signal;
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5 ein zweites beispielhaftes Signal;
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6 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung;
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7 ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung;
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8 eine beispielhafte Schaltungsanordnung und
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9 ein viertes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung.
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Zunächst wird anhand der 1–2 der Aufbau und die Funktionsweise von beispielhaften Stellgliedern erläutert. Mittels 3 wird der Aufbau und die Funktionsweise einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gezeigt. Anhand der 4–5 wird der Einfluss einer Linearisierung auf beispielhafte Signale gezeigt. Anhand der 6–9 wird der Aufbau und die Funktionsweise weiterer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gezeigt. Identische Elemente wurden in ähnlichen Abbildungen zum Teil nicht wiederholt dargestellt und beschrieben.
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1 zeigt ein erstes beispielhaftes Stellglied 150. Das Stellglied 150 verfügt über einen Signal-Eingang 10, einen Signal-Ausgang 11 und zwei Steuer-Eingänge 12, 19. Die beiden Transistoren 13, 14 bilden einen Längspfad. Der Transistor 15 bildet einen Querpfad. Über die Widerstände 16, 17, 18 werden die Transistoren 13, 14, 15 angesteuert. Durch das Verhältnis der Ansteuerung des Querpfades und des Längspfades mittels der Steuer-Eingänge 12, 19 wird die Dämpfung bzw. Verstärkung des Stellgliedes eingestellt. Eine Reduktion auf einen Steuer-Eingang ist durch Verbindung der beiden Steuer-Eingänge mit einer Ansteuerungs-Einrichtung möglich. Es handelt sich um ein Stellglied in T-Konfiguration.
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In 2 wird ein zweites beispielhaftes Stellglied 151 dargestellt. Es entspricht in seiner Funktion weitgehend dem in 1 dargestellten Stellglied. Das Stellglied 151 verfügt über einen Signal-Eingang 10, einen Signal-Ausgang 11 und zwei Steuer-Eingänge 12, 19. Die beiden Transistoren 20, 22 bilden einen Querpfad. Der Transistor 21 bildet einen Längspfad. Über die Widerstände 23, 24, 25 werden die Transistoren 20, 21, 22 angesteuert. Durch das Verhältnis der Ansteuerung des Querpfades und des Längspfades mittels der Steuer-Eingänge 12, 19 wird die Dämpfung bzw. Verstärkung des Stellgliedes eingestellt. Es handelt sich um ein Stellglied in π-Korifiguration.
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Beide dargestellten Stellglieder weisen eine Übertragungskennlinie auf. D. h. einem Ansteuer-Signal an den Steuer-Eingängen bzw. dem Steuer-Eingang entspricht eine Dämpfung bzw. Verstärkung des Eingangs-Signals. Diese Übertragungskennlinie ist nicht linear.
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3 zeigt eine erste erfindungsgemäße Schaltungsanordnung. Diese Schaltungsanordnung dient der Linearisierung der Übertragungskennlinie eines Stellglieds 34. Über einen Signal-Eingang 180 wird ein Eingangs-Signal zugeführt. Über einen Signal-Ausgang 181 wird das gedämpfte bzw. verstärkte Ausgangs-Signal ausgegeben. Mittels des Steuer-Eingangs 182 wird eine Dämpfung bzw. Verstärkung vorgegeben. Der Signal-Eingang 180 ist mit einer Gleichspannungs-Beaufschlagungs-Einrichtung 30 verbunden. Die Gleichspannungs-Beaufschlagungs-Einrichtung 30 ist über einen Widerstand 36 mit einem Gleichspannungs-Einspeise-Anschluss 35 verbunden. Die Gleichspannungs-Beaufschlagungs-Einrichtung 30 ist weiterhin mit dem Signal-Eingang 10 des Stellglieds 34 verbunden. Der Signal-Ausgang 11 des Stellglieds 34 ist weiterhin mit einer Gleichspannungs-Extraktions-Einrichtung 31 verbunden, welche mit dem Signal-Ausgang 181 verbunden ist. Weiterhin ist die Gleichspannungs-Extraktions-Einrichtung 31 über einen Widerstand 37 mit einem Masseanschluss und mit einem Regler 32 verbunden. Der Regler 32 ist weiterhin mit dem Steuer-Eingang 182 verbunden. Darüber hinaus ist der Regler mit einer Ansteuerung 33 verbunden, welche mit dem Steuer-Eingang 12 des Stellglieds 34 verbunden ist.
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Bevor das Eingangs-Signal in das Stellglied 34 eingespeist wird, wird ihm von der Gleichspannungs-Beaufschlagungs-Einrichtung 30 ein über den Gleichspannungs-Einspeise-Anschluss 35 eingespeistes Gleichspannungs-Signal beaufschlagt. Das Gleichspannungs-Signal wird von dem Stellglied 34 wie das Nutz-Signal gedämpft bzw. verstärkt. Da das Stellglied 34 eine weitgehend frequenzunabhängige Kennlinie aufweist, ist die Verstärkung bzw. Dämpfung des Gleichspannungs-Signals ähnlich der des hochfrequenten Nutz-Signals. Das Gleichspannungs-Signal wird von der Gleichspannungs-Extraktions-Einrichtung 31 nach dem passieren des Stellglieds 34 extrahiert und nach Masse abgeführt.
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Der Regler 32 wird mit dem extrahierten Gleichspannungs-Signal beaufschlagt. Da das Gleichspannungs-Signal wie auch das Nutz-Signal durch das Stellglied 34 gedämpft bzw. verstärkt wurde, dient es dem Regler 32 als Ist-Signal. Weiterhin wird der Regler 32 über den Steuer-Eingang 182 mit einen Steuer-Signal beaufschlagt. Das Steuer-Signal dient dem Regler 32 als Soll-Signal. Der Regler 32 gibt eine Stellgröße an die Ansteuerung 33 weiter. Diese erzeugt hieraus die Ansteuer-Signale, welche an den Steuer-Eingang 12 des Stellglieds 34 geleitet werden und die Dämpfung bzw. Verstärkung einstellen.
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In 4 wird ein erstes beispielhaftes Signal 170 dargestellt. Dieses Signal 170 ist das Ausgangs-Signal eines Stellglieds bei einem Eingangs-Signal hoher Frequenz und einer Ansteuerung mit einem Dreieck-Signal. Deutlich sichtbar ist die Verzerrung des Signals 160 nach dem Passieren des Stellglieds.
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5 zeigt ein zweites beispielhaftes Signal 171. Es handelt sich ebenfalls um das Ausgangssignal eines Stellglieds bei Beaufschlagung mit identischen Signalen. Hier wurde das Stellglied jedoch in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eingesetzt und damit eine Linearisierung erzielt. Deutlich sichtbar ist die wesentlich geringere Verzerrung des Signals 161 gegenüber dem Signal 170 aus 4.
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In 6 wird eine zweite erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dargestellt. Hier ist ein alternatives Stellglied 46 eingesetzt. Es setzt als aktives Element einen temperaturabhängigen Widerstand 42 ein. Dieser ist in einer π-Konfiguration mit zwei weiteren Widerständen 43, 44 eingesetzt. Der temperaturabhängige Widerstand 42 wird mittels eines Heizwiderstands 41 beheizt. Dadurch werden sein Widerstand und damit die Dämpfung des Stellglieds 46 verändert. Der Heizwiderstand wird von einem Verstärker 40 angesteuert, welcher als Regler eingesetzt ist. Er erhält seine Eingangssignale wie bereits anhand 3 gezeigt über den Steuer-Eingang 182 und die Gleichspannungs-Extraktions-Einrichtung 31.
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7 zeigt eine dritte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung. Zur Erzielung einer größeren Dämpfung bzw. Verstärkung als mit einem einzelnen Stellglied möglich ist, können Stellglieder 50, 51, 52 in Serie geschaltet werden. Hier ist jedoch keine eigene Linearisierung für jedes einzelne Stellglied 50, 51, 52 notwendig. Es wird stattdessen eine gemeinsame Linearisierung für sämtliche Stellglieder 50, 51, 52 eingesetzt. Die Gleichspannungs-Beaufschlagungs-Einrichtung 30 ist mit dem ersten Stellglied 50 verbunden. Der Signal-Eingang des zweiten Stellglieds 51 ist mit dem Signal-Ausgang des ersten Stellglieds 50 verbunden. Der Signal-Eingang des dritten Stellglieds 52 ist mit dem Signal-Ausgang des zweiten Stellglieds 51 verbunden. Der Signal-Ausgang des dritten Stellglieds 52 ist mit der Gleichspannungs-Extraktions-Einrichtung 31 verbunden. Die Ansteuerung 33 ist hier mit den Steuer-Eingängen sämtlicher Stellglieder 50, 51, 52 verbunden. Die übrige Schaltungsanordnung entspricht der in 3 gezeigten Schaltungsanordnung.
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In 8 wird eine beispielhafte Schaltungsanordnung 160 dargestellt. Die Schaltungsanordnung 160 verfügt über einen ersten Anschluss 62, welcher hier einen Signal-Eingang bildet und zwei weitere Anschlüsse 60, 61 welche hier Signal-Ausgänge bilden. Die Schaltungsanordnung 160 wird von vier Transistoren 65, 66, 67 und 68 und vier Widerständen 69, 70, 71 und 72 gebildet. Weiterhin verfügt die Schaltungsanordnung 160 über zwei Steuer-Eingänge 63, 64. Ein Nutz-Signal wird dem Anschluss 62 beaufschlagt. Steuer-Signale werden den Steuer-Eingängen 63, 64 beaufschlagt. Die Steuer-Signale steuern die Dämpfung bzw. Verstärkung der beiden Anschlüsse 60, 61. Durch die gegenläufige Verschaltung ergibt sich ein Wechselschalter-Verhalten. D. h. in dem Maße wie die Dämpfung bzw. Verstärkung an dem einen Anschluss abnimmt, nimmt die Dämpfung bzw. Verstärkung an dem andern Anschluss zu. Die Schaltungsanordnung 160 bildet somit einen Wechselschalter 160. Die Signalflussrichtung kann in dem dargestellten Wechselschalter 160 auch umgekehrt werden. D. h. eine Einspeisung eines Eingangs-Signals in die Anschlüsse 60, 61, welche ursprünglich Signal-Ausgänge bilden und eine Entnahme eines Ausgangs-Signals durch den Anschluss 62, welcher ursprünglich einen Signal-Eingang bildet, sind möglich.
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9 zeigt eine vierte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 161. Zwei Wechselschalter 110, 111 sind mit zwei Dämpfungsgliedern 106, 107 zu einem Stellglied 152 verbunden. Die Wechselschalter 110, 111 entsprechen dem Wechselschalter 160 aus 8. Die Signalflussrichtung des ersten Wechselschalters 110 entspricht der in 8 dargestellten Richtung. Die Signalflussrichtung des zweiten Wechselschalters 111 entspricht der umgekehrten Richtung. D. h. das Signal wird dem zweiten Wechselschalter 111 durch die Anschlüsse 602, 61 2 aus 8 zugeführt und verlässt den Wechselschalter 111 durch den Anschluss 62 2 aus 8. Die Anschlüsse 60 1, 61 1 , 60 2 und 61 2 der zwei Wechselschalter 110 und 111, sind jeweils mit den Dämpfungsgliedern 106, 107 konstanter Dämpfung verbunden. Dabei ist der erste Anschluss 60 1 des ersten Wechselschalters 110 und der zweite Anschluss 61 2 des zweiten Wechselschalters 111 jeweils mit den beiden Anschlüssen des Dämpfungsglieds 106 verbunden. Der zweite Anschluss 61 1 des ersten Wechselschalters 110 und der erste Anschluss 60 2 des zweiten Wechselschalters 111 sind jeweils mit den beiden Anschlüssen des Dämpfungsglieds 107 verbunden.
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Der Anschluss 62 1 des ersten Wechselschalters 110 ist dabei mit einer Gleichspannungs-Beaufschlagungs-Einrichtung 86 verbunden. Diese ist mit einem Signal-Eingang 80 und über einen Widerstand 88 mit einem Gleichspannungs-Einspeise-Anschluss 82 verbunden. Der Anschluss 62 2 des zweiten Wechselschalters 111 ist dabei mit einer Gleichspannungs-Extraktions-Einrichtung 87 verbunden. Diese ist mit einem Signal-Ausgang 81 und über einen Widerstand 89 mit einem Masse-Anschluss und mit einem Regler 109 verbunden. Der Regler 109 ist weiterhin mit dem Steuer-Eingang 85 verbunden. Darüber hinaus ist der Regler 109 mit einer Ansteuerung 108 verbunden, welche mit den beiden Wechselschaltern 110, 111 verbunden ist.
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Dem Signal-Eingang 80 wird ein Eingangs-Signal aufgeprägt. Diesem Eingangs-Signal wird von der Gleichspannungs-Beaufschlagungs-Einrichtung 86 ein Gleichspannungs-Signal beaufschlagt. Mittels des Anschlusses 62 1 des ersten Wechselschalters 110 gelangt das Signal in den ersten Wechselschalter. In Abhängigkeit der Ansteuerung der Steuer-Eingänge des Wechselschalters 110 durch die Ansteuerung 108 werden Signalanteile über die Anschlüsse 60 1 und 61 1 in die beiden Dämpfungsglieder 106 und 107 geleitet. Das Signal wird dort gedämpft und über die Anschlüsse 60 2 und 61 2 an den zweiten Wechselschalter 110 geleitet. In Abhängigkeit der Ansteuerung der Steuer-Eingänge des Wechselschalters 111 durch die Ansteuerung 108 werden Signalanteile zusammengeführt und gemeinsam über den Anschluss 62 2 des zweiten Wechselschalters 111 an die Gleichspannungs-Extraktions-Einrichtung 87 geleitet. Diese extrahiert das Gleichspannungs-Signal und gibt das Ausgangs-Signal an den Signal-Ausgang 81 weiter. Das Gleichspannungs-Signal wird als Regelgröße an den Regler 109 weitergeleitet. Als weitere Eingangsgröße wird der Regler mit einer die gewollte Dämpfung einstellenden Stellgröße am Anschluss 85 beaufschlagt. Der Regler 109 erzeugt ein Stellsignal und gibt dieses an die Ansteuerung 108 weiter, welche daraus die Steuer-Signale bestimmt, welche die Wechselschalter 110, 111 steuern.
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So wird eine Stabilisierung der Dämpfung durch eine Linearisierung erzielt. Die resultierende Dämpfung liegt hier bei einem einstellbaren Wert zwischen den beiden durch die Dämpfungsglieder 106, 107 vorgegebenen Werten. Durch Ersatz der Dämpfungsglieder 106, 107 durch verstärkende Bauelemente kann auch eine Verstärkung erzielt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Wie bereits erwähnt, können unterschiedliche Stellglieder eingesetzt werden. Auch eine Serienschaltung von Stellgliedern mit anderen zu linearisierenden Schaltelementen ist denkbar. Alle vorstehend beschriebenen Merkmale oder in den Figuren gezeigten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig vorteilhaft miteinander kombinierbar.
