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Stand der Technik
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Elektromagnetische
Störungen bzw. Interferenzen (EMV) unterliegen strengen
Vorschriften. Hierbei sind EMV-Grenzwerte festgelegt, um die Belastung
auf ein Minimum zu begrenzen und dadurch Schäden für
den Menschen und andere Systeme zu vermeiden. Die Grenzwerte können
sich insbesondere darauf beziehen, welche Intensitäten
pro Frequenzbereich von elektronischen Geräte bzw. Systemen
ausgestrahlt werden dürfen.
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Taktgeber
sind im allgemeinen als integrierte Schaltungen (ICs) ausgebildet
und dienen in elektronischen Systemen zur Ausgabe eines Taktsignals. Sie
sind insbesondere als Oszillatoren oder Frequenzsynthesizer ausgebildet
und geben ein Taktsignal mit einer Nominalfrequenz bzw. Mittenfrequenz aus.
Taktgeber tragen zwar wesentlich zur ordnungsgemäßen
Funktion von meist digitalen Systemen bei, sie sind jedoch gleichzeitig
die EMV-Haupt-Erzeugerquellen in elektronischen Schaltungen.
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Die
Reduzierung bzw. Begrenzung der EMV Abstrahlung ist daher ein wesentliches
Ziel der Entwicklung von digitalen Systemen, die taktsignal- oder Frequenz
erzeugende Komponenten in ihren Systemen einsetzen.
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Zur
Verringerung der EMV-Abstrahlung sind unter anderem Abschirmungen,
Beschichtungen, oder spezielle Filterkomponenten bekannt. Aufgrund der
immer höheren Leistungsdichten, insbesondere auch der höher
werdenden Taktraten sowie der immer strenger werdenden EMV-Vorschriften
geraten derartige Maßnahmen jedoch an ihre Effizienz- und kostenseitigen
Grenzen.
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Zur
Begrenzung der Spitzenemissionen werden daher zunehmend Spread Spectrum
Oszillatoren (SSO) eingesetzt. Diese streuen ihr Taktsignal über
ein wei teres Frequenzspektrum und begrenzen somit die Spitzenemissionen
bezogen auf die einzelnen Frequenzbereiche. Diese Streuung wird
im Allgemeinen durch eine Frequenzmodulation mit einer Modulationsfrequenz
deutlich unterhalb der Taktfrequenz erreicht. Das Modulationssignal
kann z. B. eine Dreiecksform oder auch eine andere zweckmäßige
Form aufweisen. Durch derartige SSO lässt sich z. B. eine
Reduzierung der Spitzenemissionen von bis zu 20 dB erreichen. Ein
Spread Spectrum Oszillator ist beispielsweise aus der deutschen
Offenlegungsschrift
DE
10 2005 013 593 A1 bekannt.
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Der
Frequenzmodulation überlagert ist der bei Oszillatoren übliche
Cycle-to-Cycle-Jitter, der im Allgemeinen sogar deutlich größere
Schwankungen als die Frequenzmodulation hervorruft, sich jedoch bereits über
wenige Taktzyklen herausmittelt.
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Die
Frequenzmodulation wird im Allgemeinen durch eine Zusatzschaltung
erreicht; hierbei kann im Betrieb jedoch nicht direkt erkannt werden, ob
diese Frequenzmodulation ordnungsgemäß ist. Weiterhin
kann in einem elektronischen System nicht ohne weiteres erkannt
werden, ob tatsächlich ein SSO eingebaut wurde oder z.
B. fehlerhafterweise ein Oszillator mit fixer Frequenz. In diesem
Fall kann somit eine deutliche EMV-Belastung der Umwelt auftreten,
ohne dass dies bei dem Gerät bzw. elektronischen Gerät
direkt erkannt werden kann.
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Zwar
sind grundsätzlich Methoden und Systeme bekannt, eine ordnungsgemäße
Frequenzmodulation eines SSO zu überprüfen, z.
B. durch eine FM-Demodulation und anschließende Bewertung des
Modulationssignals oder durch einen Frequency Spectrum Analyzer.
Derartige Maßnahmen sind jedoch aufwendig und erfordern
eine umfangreiche Messtechnik. Sie können auch nicht ohne
weiteres in eine bereits vorhandene Fertigungsprüftechnik
adaptiert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen
Vorrichtung werden die Taktzyklen des Taktgebers, insbesondere eines SSO,
in einem Mess-Zeitraum gezählt. Die Mess-Zeiträume
können insbesondere fest vorgegeben sein, um direkt vergleichbare
Werte zu erreichen; grundsätzlich können sie jedoch
auch während der Messung angepasst werden; so kann z. B.
der Mess-Zeitraum in Abhängigkeit der ermittelten Modulationsfrequenz
nachfolgend angepasst werden. Die in mehreren Mess-Zeiträumen
ermittelten Zählwerte bzw. Zykluszählwerte werden
nachfolgend verglichen; sie können insbesondere miteinander
verglichen werden. Die zu überprüfende Frequenzmodulation
sollte somit zu einer Änderung der Zykluszählwerte
in aufeinander folgenden Mess-Zeiträumen führen.
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Der
Erfindung legt hierbei der Gedanke zu Grunde, dass die Modulationsfrequenz
eines frequenzmodulierten Taktgebers, insbesondere eines SSO, wesentlich
kleiner ist als die Mittenfrequenz des Taktgebers. Erfindungsgemäß werden
somit einzelne Taktzyklen bzw. Taktschwingungen innerhalb eines
Mess-Zeitraums durch einen Zähler, nämlich den
Zykluszähler, gezählt, der insbesondere digital ist
und Zykluszählwerte ermittelt. Aufgrund der Frequenzmodulation
sollte die in festen Messzeiträumen auftretende Anzahl
von Taktzyklen variieren; bei Fehlen eine Frequenzmodulation sollten
sich somit feste oder gering schwankende Werte ergeben.
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Die
Mess-Zeiträume werden vorteilhafterweise durch ein Messsignal
mit entsprechender Mess-Frequenz festgelegt. Die Mess-Frequenz sollte zur
Erfüllung des Abtast-Theorems vorzugsweise mindestens doppelt
so hoch sein wie die Modulationsfrequenz. Sie kann vorteilhafterweise
zwei bis sieben Mal so groß sein wie die Modulationsfrequenz.
Falls die Mess-Frequenz zu groß gewählt wird,
wird die quantitative Ermittlung der Modulationsfrequenz und somit
des Spreads bzw. der Streuung wiederum erschwert.
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Der
Zykluszähler kann insbesondere direkt durch das Messsignal
zurückgesetzt wird. Somit ist ein einfacher messtechnischer
Aufbau mit einer direkten Ermittlung der unterschiedlichen Zykluszählwerte
bzw. Zykluszählerstände möglich, die
nachfolgend über mehrere Messzyklen bzw. Mess-Zeiträume
hinweg ausgelesen werden, um möglichst den minimalen und
maximalen Zykluszählwert zu erreichen. Hierzu können
Zwischenspeicher bzw. Zwischen-Puffer eingesetzt werden, die jeweils
mit dem höchsten bzw. geringsten ermittelten Zykluszählwert überschrieben
werden. Somit können die ermittelten Minimal- und Maximalwerte,
z. B. auch durch doubble buffering mittels zusätzlicher
Ergebnis-Puffer, nachfolgend ausgewertet werden.
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Die
Ermittlung bzw. Bewertung kann dann nach einem Bewertungszeitraum
erfolgen, der mehrere, z. B. 240 oder 256 Mess-Zeiträume
enthält, so dass durch die hinreichende Anzahl die Minimal-
und Maximalwerte getroffen worden sein sollten.
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Hieraus
kann die Streuung bzw. Spread quantitativ ermittelt werden. Weiterhin
kann auch die Nominalfrequenz, d. h. im allgemeinen die Mittenfrequenz,
ermittelt werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausbildungen ergeben sich z. B. durch Einsatz eines
Mess-Anzahl-Zählers zur Zählung der Anzahl der
Mess-Zeiträume bzw. Zählerperioden und ggf. eines Überwachungszählers bzw.
Watchdog-Zähler. Das Ergebnis kann z. B. binär oder
als PWM-Signal ausgegeben und direkt in einem System verwendet werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung können auf unterschiedliche Weise implementiert
werden. Hierbei kann insbesondere eine Implementierung in einer programmierbaren
Logikeinrichtung, z. B. einem FPGA oder ASIC erfolgen. Bei einer
derartigen Implementierung in einem IC ist ein relativ geringer
Hardware-Aufwand bzw. eine geringe Chipfläche erforderlich,
die z. B. im Wesentlichen durch den Zykluszähler, die Zwischenspeicher,
ggf. Eingangs- und Ausgangs-Flip-Flops, eine Logikschaltung und
ggf. eine Taktaufbereitung für das aufzunehmende, zu untersuchende
Taktgebersignal ausgebildet sein kann. Gegebenenfalls kann weiterhin
auch ein interner Oszillator bzw. Taktgeber zur Erzeugung der Mess-Frequenz
vorgesehen sein, z. B. auch ein bereits vorhandenes internes Taktsignal,
wobei hier durch z. B. eine interne Schalteinrichtung eine Umschaltung
zwischen diesem internen Taktgeber und einem externen Messsignal
ermöglicht werden kann. Weiterhin kann die erfindungsgemäße
Vorrichtung auch bereits mit dem Taktgeber bzw. SSO zusammen integriert werden.
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Weitere
Ausbildungen sind als eigenständiges Prüfmittel,
bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung und ggf.
weitere Bauelemente auf einem Schaltungsträger montiert
sind, sowie z. B. auch als peripheres Modul in einem Mikrocontroller.
Die Ausgabe des Messergebnisses ist abhängig von der Implementierungsform
bzw. der Produktausprägung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Modulationsprofil eines Spread Spectrum Oszillators als Frequenz
in Abhängigkeit der Zeit;
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2 zeigt
EMV-Frequenzspektren eines Oszillators mit und ohne Frequenzmodulation;
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3 zeigt
ein Blockschaltbild einer FPGA-Implementierung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
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3a zeigt
ein Blockschaltbild einer weiteren FPGA-Implementierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 zeigt
ein Blockschaltbild einer Prüfanordnung, in der die erfindungsgemäße
Vorrichtung als eigenständiges Prüfmittel eingesetzt
ist;
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5 zeigt
eine Integration des Verfahrens in einem elektronischen System zur
Aktivierung/Auswertung lediglich in der Fertigung;
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6 zeigt
eine Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einer Vorrichtung auf einem Schaltungsträger bei Aktivierung/Auswertung
der Messung online in Betrieb;
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7 zeigt
die Vorrichtung als eigenständiges Bauelement;
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8 zeigt
die erfindungsgemäße Vorrichtung bei Integration
mit einem SSO;
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9 zeigt
die Integration mit einem Mikrokontroller;
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10 zeigt
für ein Implementierungsbeispiel die Frequenzmodulation
und Details des Messsignals;
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11 der
ermittelten Zählerdifferenzen in Abhängigkeit
des Mess-Modulations-Frequenzverhältnisses bei Oszillatoren
mit unterschiedlichem Spread.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Ein
erfindungsgemäßer frequenzmodulierter Taktgeber
ist in den gezeigten Ausführungsformen vorzugsweise als
SSO, Spread Spektrum Oszillator, realisiert. 1 zeigt
das Modulationsprofil eines SSO als Funktion der Frequenz f in Abhängigkeit
der Zeit t. Die Mittenfrequenz f_mid ist hierbei fest; um die elektromagnetische
Abstrahlung über einen größeren Frequenzbereich
zu verteilen, ist gemäß 1 ein Modulationsprofil
aufgelegt, wonach f zwischen einem unteren Wert f_min und einem
oberen Wert f_max periodisch moduliert wird, z. B. gemäß der
gezeigten Dreieckslinie, d. h. mit linearem Abfall- und Anstieg
der Frequenz f zwischen f_min und f_max. Grundsätzlich
sind auch andere Modulationen möglich.
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2 zeigt
ein EMV-Frequenzspektrum, d. h. die elektromagnetische Abstrahlung
als Intensität I in Abhängigkeit der Frequenz
f, im Bereich der neunten Oberwelle von Taktoszillatoren, wobei
die Kurve k1 einen Oszillator mit nicht modulierter Frequenz f und
die Kurve k2 einen Spread Spektrum Oszillator 1 zeigt.
Es ergibt sich eine mit Δe eingezeichnete Reduzierung der
Spitzenemission des Spread Spectrum Oszillators 1 gegenüber
dem nicht modulierten Oszillator. Außerhalb des Spreads
fällt hierbei die in Dezibel (dB) angegebene Intensität
I langsam ab.
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3 zeigt
die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem
FPGA (Field Programmable Gate Array) 2, in entsprechend
stark vereinfachter Darstellung. Von einem externen SSO 1 wird
ein zu untersuchendes Taktsignal mit einer Signalfrequenz f_sso – im
folgenden wird auch das Taktsignal direkt als f_sso bezeichnet – aufgenommen;
die Signalfrequenz f_sso ist z. B. durch Überlagerung einer
Mittenfrequenz f_mid = 33,33 MHz und einer Modulationsfrequenz f_mod
= 10 kHz gebildet und weist z. B. einen Spread von +/–2%
auf. Die Gesamtanordnung 10 aus 3 wird somit
durch das FPGA 2 und den SSO 1 gebildet. Das zu
untersuchende Taktsignal wird zu einer Taktaufbereitungseinrichtung 3 in
dem FPGA 2 gegeben, die ein entsprechend aufbereitetes Taktsignal
mit der gleichen Frequenz f_sso ausgibt, das zum einen in den Takt-Eingang 4a eines Flip-Flops 4 und
zum anderen in den Takteingang 5a eines (digitalen) Zykluszählers 5 eingegeben
wird.
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Ein
Messsignal m mit der Mess-Frequenz f_m wird in den Eingang 4b des
Flip-Flops 4 eingegeben und vom Flip-Flop 4 wiederum
als zweites Messsignal mit gleicher Mess-Frequenz f_m ausgeben; das
Flip-Flop 4 dient somit lediglich zur Stabilisierung und
ist funktionell nicht weiter relevant. Das Messsignal m wird in
den Rücksetz-Eingang (Reset-Eingang) 5b des Zykluszählers 5 eingegeben
und setzt diesen somit jeweils zurück.
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Somit
wird die zu untersuchende SSO-Frequenz f_sso – bei dieser
Ausführungsform nach entsprechender Aufbereitung in der
Taktaufbereitungseinrichtung 3 – in dem Zykluszähler 5 über
einen festen Mess-Zeitraum T_m aufgezählt, der durch das hier
extern eingegebene Messsignal m mit der Mess-Frequenz f_m bestimmt wird,
das den Zykluszähler 5 jeweils zurücksetzt.
Die Mess-Frequenz f_m von z. B. 50 kHz ist hierbei höher,
als die Modulationsfrequenz f_mod von 10 kHz, so dass während
einer Modulation mehrere Messzyklen bzw. Zykluszählwerte
des Zykluszählers 5 ausgelesen werden. Die Zykluszählwerte
sind hierbei die Endzählwerte, bevor der Zykluszähler 5 zurückgesetzt
wird. Falls tatsächlich eine Modulation vorliegt, d. h.
f_mod ≠ 0 ist, liefert der Zykluszähler 5 unterschiedliche
Zykluszählwerte als Signal z aus, je nachdem, an welcher Stelle
der Oszillator-Modulationskurve in der Zeit-Domaine gesehen, die
Zählperiode liegt. Falls keine Modulation vorliegt, sollten
diese Werte in den verschiedenen Auslesezyklen bzw. Reset-Zyklen
jeweils gleich sein.
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Der
Zykluszähler 5 gibt seine Zählerstände jedes
Mess-Zeitraums T_m als Signal z (Zykluszählwert z) an einen
oberen Zwischenspeicher 6 und einen unteren Zwischenspeicher 7.
Der obere Zwischenspeicher 6 enthält einen Maximal-Zwischen-Puffer 6a zur
Speicherung eines Maximalwertes sowie einen nachgeordneten Ergebnis-Puffer 6b; entsprechend
enthält der untere Zwischenspeicher 7 einen Minimal-Zwischen-Puffer 7a zur
Speicherung eines Minimalwertes und einen Ergebnis-Puffer 7b. Der
Maximal-Zwischen-Puffer 6a ist mit dem Wert 0x0000, der
Minimal-Zwischen-Puffer 7a mit dem Wert 0xFFFF vorinitialisiert.
In jedem Mess-Zeitraum T_m werden diese Zwischen-Puffer 6a, 7a mit
dem neuen Zykluszählwert z überschrieben, sofern
dieser kleiner ist als der augenblickliche Wert im Minimal-Zwischen-Puffer 7a oder
größer ist als der augenblickliche Wert im Maximal-Zwischen-Puffer 6a. Die
Zwischen-Puffer 6a, 7a werden ebenfalls durch die
Taktfrequenz f_sso getaktet.
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Nach
Ablauf einer zweckmäßigen Anzahl, z. B. 256, von
Zählperioden werden die Werte der Zwischen-Puffer 6a, 7a jeweils
in dem nachfolgenden Ergebnis-Puffer 6b, 7b gesichert,
was als solches als doubble buffering bekannt ist. Hierdurch wird
sichergestellt, dass sich die Zwischen-Puffer 6a, 7a von Zählperiode
zu Zählperiode verändern können, die Ergebnis-Puffer 6b, 7b aber
erst aktualisiert werden, nachdem sich die Zwischen-Puffer 6a, 7a stabilisiert oder
eingeschwungen bzw. ihre minimalen bzw. maximalen Zählerstände
erreicht haben. Bei der Ausgabe des Ergebnisses werden nur die Ergebnis-Puffer 6b, 7b berücksichtigt,
so dass sich eine stabile Anzeige ergibt. Es wird somit ein Bewertungszeitraum
aus hinreichend vielen Mess-Zeiträumen gebildet.
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Eine
Auswerteeinrichtung 8 ist als Logik-Einheit ausgebildet;
sie greift auf die Ergebnis-Puffer 6b, 7b zurück
und gibt ein Ergebnis in einen Ausgangs-Speicher, z. B. einem Ausgangs-Flip-Flop 9, das
nachfolgend das Ausgangssignal S2 als Status-Ausgangssignal ausgibt.
Auch das Ausgangs-Flip-Flop 9 und die Auswerteeinrichtung 8 werden
durch die Taktfrequenz f_sso getaktet.
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Weiterhin
kann gemäß 3a ein
Mess-Anzahl-Zähler 13 vorgesehen sein, der die
Anzahl der Mess-Zeiträume T_m, d. h. der Zählerperioden), zählt
und somit zur Festlegung des Bewertungszeitraums dient. Nach einer
zweckmäßigen Anzahl an Messzeiträumen
T_m, z. B. 256, haben sich die Zwischen-Puffer 6, 7 stabilisiert
bzw. eingeschwungen und korrelieren mit der minimalen bzw. maximalen Frequenz
des SSO 1, so dass die Differenz der gepufferten Min- und
Max-Werte Zmin und Zmax des Zykluszählers 5 mit
dem Spread des SSO 1 korrelieren.
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Weiterhin
korreliert bei einem SSO 1 mit mittiger Modulation, d.
h. Center Spread Modulation, der Mittelwert [(Zmin + Zmax)/2] mit
der Mittenfrequenz f_min, die somit die Nominalfrequenz darstellt.
Bei einer Downspread-Modulation entspricht Zmin der Nominalfrequenz,
bei einer Upspread-Modulation entspricht der Maximalwert Zmax der
Nominalfrequenz. Der Mess-Anzahl-Zähler 13 dient
dafür, die ersten z. B. 16 Zykluszählwerte zu
ignorieren, um Einschwingvorgänge des Messsignals m zu
vermeiden. Weiterhin dient der Mess-Anzahl-Zähler 13 dafür,
die Zeit/Messproben festzulegen, innerhalb derer sich die Zwischen-Puffer 6a, 7a auf
Ihre Max-/Min-Werte Zmin, Zmax stabilisieren.
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Weiterhin
ist vorteilhafterweise ein Watchdog-Zähler (Überwachungszähler) 11 vorgesehen, der
ebenfalls die Anzahl der SSO-Taktzyklen zählt und mit der
Signal-Flanke des Messsignals m wieder zurückgesetzt wird.
Der Watchdog-Zähler 11 zählt, im Falle
eines fehlenden Messsignals m, im Gegensatz zu dem Zykluszähler 5 lediglich
bis zu seinem Höchstwert und bleibt dann bei seinem max.
Zählerwert stehen. So kann leicht festgestellt werden,
ob ein erwartungsgemäßes Messsignal vorhanden
ist. Gleichfalls kann der Wert dieses Watchdog-Zählers 11 bzgl.
eines gültigen Wertebreiches überprüft
werden. Hierbei wird vorzugsweise eine zweckmäßige Hysterese
angewandt, die eine Toleranz des Messsignal m berücksichtigt.
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Alternativ
zu den oben genannten Zahlenwerten kann z. B. auch eine Mittenfrequenz
f_mid = 55 MHz mit +/–2% Spread, eine Mess-Frequenz von fm
= 100 kHz und eine Modulationsfrequenz f_mod von z. B. 20 kHz vorgesehen
sein, wodurch Zählerstände von etwa 500 erreicht
werden.
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4 zeigt
eine Prüfanordnung 12, in der ein eigenständiges
Prüfmittel 14 ausgebildet ist, mit dem eine elektronische
Vorrichtung 16, die einen hier angedeuteten SSO 17 aufweist,
von extern untersucht werden kann. Die elektronische Vorrichtung 16 kann z.
B. als Schaltung mit einem Schaltungsträger 20,
z. B. einer PCB bzw. Leiterplatte, dem SSO 17 und entsprechenden
weiteren Bauelementen ausgebildet sein. Es werden – in
an sich bekannter Weise – über Kontaktiermittel 18, 19,
z. B. Nadeladapter 18, 19, Kontaktierungen ausgebildet
zum Abgriff der Signale aus der Vorrichtung 16 und die
Signale somit von dem Prüfmittel 14 ausgelesen.
Das selbständige Prüfmittel 17 weist
z. B. einen Leistungsanschluss 14a, einen Eingang 14b für
ein externes Messsignal m2, einen Masseanschluss 14c und
einen Datenausgang 14d zur nachfolgenden Auswertung über
eine Standardprüftechnik 22, z. B. eine weitere
Recheneinheit 22, auf. Das Prüfmittel 14 weist
hierbei ein FPGA 24 oder auch eine andere programmierbare Schalteinrichtung,
z. B. ein ASIC 24, sowie weiterhin einen internen Taktgeber 25,
insbesondere Oszillator 25, zur Ausgabe eines internen
Messsignals m1 auf, wobei das FPGA 24 wahlweise über
ein externes Umschaltsignal (Steuersignal) S4, das eine Schalteinrichtung 54 umschaltet,
zwischen diesem internen Messsignal m1 und dem externen Messsignal
m2 umgeschaltet werden kann. Als interner Taktgeber 25 kann
z. B. eine bereits im System vorhanden zweiter Taktquelle mit fixer
Frequenz dienen, z. B. von einem zweiten Oszillator, gegebenenfalls
mit Frequenzteilung mit einer PLL, die z. B. in dem FPGA 24 bereits vorhanden
ist.
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Somit
kann mit dem selbständigen Prüfmittel 14,
das z. B. als Prüfgerät mit Gehäuse ausgebildet sein
kann, die elektronische Vorrichtung 16 z. B. bei der Endprüfung
bzw. Abnahme in der Fertigung, untersucht werden. Als Ausgangssignal
S2 kann aus dem Ausgang 14d z. B. ein Oszillator-Status-Ausgangssignal
oder auch ein PWM-kodiertes Spread-Signal ausgegeben werden.
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Das
Umschalten zwischen dem externen Messsignal m2 und dem internen
Messsignal m1 kann hier bei der zusätzlichen Überprüfung
des internen Messsignals m1 dienen, oder auch der wahlweisen Verwendung,
wenn kein externes Messsignal m2 zur Verfügung steht.
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5 zeigt
die Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einer elektronischen Vorrichtung 26, die einen Schaltungsträger 27,
z. B. ein PCB bzw. eine Leiterplatte und auf dem Schaltungsträger 27 montiert
einen Mikrocontroller 28, einen Oszillator 30 mit
einem festen Takt zur Ausgabe eines internen Messsignals m1, ein
FPGA 32 oder anderes entsprechendes Bauelement und den
SSO 34 aufweist, wobei die Bauelemente 28, 30, 32, 34 entsprechend
als integrierte Schaltungen ausgebildet sind. Das FPGA 32 kann
hierbei entsprechend dem FPGA 10 von 3 aufgebaut
sein. Auf dem Schaltungsträger 27 sind weiterhin
Kontaktflächen 36, 37, 38 zum
Abgriff durch ein externes Prüfgerät 40 vorgesehen,
an das eine Auswerteeinrichtung 42 für eine Standardprüftechnik
angeschlossen ist. Die Kontaktfläche 37 dient der
Zuführung des Messsignals m von der Prüfeinrichtung 40 und
die Kontaktfläche 38 zur Eingabe eines Initialisierungssignals
in von der Prüfeinrichtung 40 zur Initialisierung
der Messung. An der Kontaktfläche 36 kann z. B.
das Ausgangssignal des FPGA 32 als Status-Output, z. B.
als Binär-Signal oder PWM-Signal, ausgeben werden.
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6 zeigt
eine elektronische Vorrichtung 44, die sich von der Vorrichtung 26 aus 5 bei
ansonsten gleicher oder entsprechender Funktionalität darin
unterscheidet, dass das Prüfgerät bzw. die Prüfeinrichtung 40 und
die Auswerteeinrichtung 42 aus 5 bereits
im FPGA 132 mit integriert sind, so dass die Aktivierung
und Auswertung der Messung direkt online beim Nutzer, d. h. später
im Feld für eine jederzeitige Funktionsüberprüfung,
durchgeführt werden kann. Hierbei kann in 6 ein
Ausgangssignal S6 von dem Mikrocontroller 28 nach außen
ausgegeben werden, z. B. über einen Daten-Bus 29;
bei Anwendung in einem Fahrzeug z. B. den fahrzeuginterne CAN-Bus 29.
Das FPGA 132 gibt somit das Ausgangssignal S2, z. B. als
Oszillator-Statussignal an den Mikrocontroller 28, der
das entsprechende Ausgangssignal S6 nach außen gibt. Weiterhin
kann das FPGA 132 einen binären Status-Ausgang 31 aufweisen,
um direkt eine extern anzuschließende Anzeigeeinrichtung,
insbesondere eine Signal-Lampe 46, zur direkten Anzeige
einer Funktionsüberprüfung ansteuern, z. B. mit
Lampenansteuerung bei ordnungsgemäßem Zustand.
Somit kann durch die Signal-Lampe 46 eine direkte Anzeige
der Funktionsfähigkeit und/oder durch das Ausgangssignal
S6 auch eine Fehlermeldung über ein bereits vorhandenes User-Interface
erfolgen.
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In 5 und 6 kann
das Messsignal m nicht nur als Reset-Signal für das FPGA 32 bzw. 132, sondern
wie gezeigt auch als Taktsignal für den Mikrocontroller 28 und
ggf. weitere Bauelemente genutzt werden.
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7 zeigt
eine Realisierung in einer erfindungsgemäßen Test-
und Auswerteschaltung 52, die auf einem Halbleiter-Bauelement
integriert ist. Weiterhin kann ein interner Oszillator 53 integriert
sein, wobei eine Schalteinrichtung 54 zwischen einem von dem
Oszillator 53 ausgegebenen internen Messsignal m1 und einem
ggf. anzulegenden externen Messsignal m2 umschaltet. Das zu prüfende
SSO-Signal mit der Frequenz f_sso wird in einen Eingang 50a eingegeben,
das externe Messsignal in einen Eingang 50b; weiterhin
kann das Umschaltsignal S4 zum Umschalten zwischen dem internen
Messsignal m1 und dem externen Messsignal m2 über einen
Eingang 50c eingegeben werden; weiterhin sind ein Eingang 50d für
die Spannungsversorgung, ein Masseanschluss 50e und ein
Ausgangsanschluss 50f zur Ausgabe eines Oszillator-Status-Ausgangssignals S2
vorgesehen. Die Funktionalität der integrierten Schaltung 50 entspricht
somit im Wesentlichen derjenigen des eigenständigen Prüfmittels 14 aus 4.
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8 zeigt
die erfindungsgemäße Test- und Auswerteschaltung 52 zusammen
mit dem SSO 1 in einem Halbleiter-Bauelement 60 integriert,
d. h. als gemeinsame integrierte Schaltung 60. Somit ist
gegenüber 7 in der integrierten Schaltung
ergänzend der SSO 1 vorgesehen. Hierbei kann z.
B. lediglich das vom Oszillator 53 erzeugte interne Messsignal
m1 verwendet werden. Die integrierte Schaltung 60 weist
somit einen Eingangsanschluss 60d zur Spannungsversorgung
(Power), einen Enable-Eingang 60a, einen Taktausgang 60b,
einen Masseanschluss 60c sowie einen Oszillator-Status-Ausgang 60e zur
Ausgabe des Status-Ausgangsignals S2 auf. Somit wird die Erfindung
hier als Zusatzmodul in einem Oszillator-IC 60 ausgebildet.
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9 zeigt
eine weitere Ausführungsform, bei der die erfindungsgemäße
Vorrichtung als peripheres Modul in einem Mikrocontroller 90 integriert ist.
Hierbei sind an den internen Daten-Bus 91 des Controllers 90 zunächst
einige übliche Einrichtungen angeschlossen, insbesondere
ein EEPROM 92, ein Timer/Counter bzw. Zähler 93,
eine ALU (arithmetic logic unit) 94, ein SRAM 95,
ein Programmzähler 96, ein Flash-Programmspeicher 97,
ein Befehlsregister (Instruction Register) 98, ein Befehlsdecoder 99 zur Ausgabe
von Steuersignalen S10, eine Eingabe-Ausgabeeinrichtung (IO) 100,
eine Interrupt-Einheit 101, einen Analog-Komparator 102,
ein Steuerregister 103, ein Statusregister 104 sowie
ein universelles serielles Interface 105, ein general purpose
register 111 sowie ggf. weitere übliche Einrichtungen eines
Mikrocontrollers. Erfindungsgemäß ist hierbei ergänzend
ein SSO-Überprüfungsmodul 110 vorgesehen,
das funktionell im Wesentlichen dem IC 50 aus 7 entspricht;
wahlweise kann hier der interne Oszillator 53 vorgesehen
sein, oder auch ein anderes im Mikrocontroller vorhandenes Taktsignal
aufgenommen werden. Das zu untersuchende SSO-Taktsignal kann zum
einen über einen internen SSO des Mikrocontroller 90 oder
von einem externen SSO über einen Takteingangsanschluss 120 eingegeben werden.
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10 zeigt
hierbei eine Implementierung zur Überwachung des Messsignals
m mit einem ”Watchdog”-ähnlichen Zähler,
der die Anzahl der SSO-Zyklen zyklisch von A oder C an zählt
und bei seinem maximalen Zählerwert stoppt, falls er bei
A oder C nicht gleich wieder zurückgesetzt wird. Der Zeitraum
von A bis C bildet somit den Messzeitraum T_m.
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Die
Zählerbreite in [bit] kann zum Beispiel ausgelegt werden
als log{[spread·(f_m – f_mod)
+ 2·f_mid·f_R]/[2·(f_m)2]}/log(2)
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Zum
Zeitpunkt A oder C wird der Watchdog-Zähler zyklisch zurückgesetzt.
Falls Messsignal m fehlt, läuft der Watchdog-Zähler über.
Dies wird erkannt und als Fehler weiterverarbeitet und im Ergebnis
oder der Ergebnisausgabe berücksichtigt. Zum Zeitpunkt
A oder C wird der Watchdog-Zählerstand bzgl. eines Gültigkeitsbereiches
inklusive Hysterese geprüft.
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11 zeigt
in einem Diagramm die Zählerdifferenz Diff als Funktion
des Frequenzverhältnisses R, das sich als Verhältnis
der Mess-Frequenz f_m zu der Modulationsfrequenz f_mod ergibt, für
drei Oszillatoren mit unterschiedlichem Spread, nämlich
gemäß Kurve d1 mit 2% Spread, d2 mit 1% Spread
und d3 = 0,5% Spread. Die Kurven flachen somit für größere
Werte von R ab, so dass ein kleiner Wert von R, am besten zwischen
2 und 7, gewählt werden sollte. Vorzugsweise ist die Mess-Frequenz
f_m eine nicht-ganzzahlig Vielfache von f-mod, um hierdurch zu errei chen,
dass die Mess-Zeiträume T_m jeweils unterschiedliche Bereiche
der Modulationszeiträume erfassen, d. h. die Anfangs- und
Endzeitpunkte der Mess-Zeiträume T_m nicht immer in den
gleichen Phasenwerte der Modulationszeiträume liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005013593
A1 [0005]