DE102011003738B4

DE102011003738B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung von Signalflankenjitter in einem Ausgangssignal eines numerisch kontrollierten Oszillators

Info

Publication number: DE102011003738B4
Application number: DE102011003738.1A
Authority: DE
Inventors: Alexander Buhmann; Marian Keck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-02-08
Filing date: 2011-02-08
Publication date: 2018-12-27
Anticipated expiration: 2031-02-09
Also published as: FR2971380A1; US20120200326A1; FR2971380B1; DE102011003738A1; US8775491B2; CN102638260A; CN102638260B

Abstract

Verfahren zur Verringerung von Signalflankenjitter in einem Ausgangssignal eines numerisch kontrollierten Oszillators, mit folgenden Schritten:
Bereitstellen (110) eines ersten Akkumulatorausgangssignals durch einen ersten Akkumulator (208), der ausgebildet ist, um ein Eingangssignal zu verarbeiten, wobei der erste Akkumulator bei einem Überlauf einen Übertrag weiterverwendet und Bereitstellen eines zweiten Akkumulatorausgangssignals durch einen zweiten Akkumulator (210), der ausgebildet ist, um das Eingangssignal zu verarbeiten, wobei der zweite Akkumulator bei einem Überlauf einen Übertrag verwirft;
Ausgeben (120) des zweiten Akkumulatorausgangssignals an einem Ausgang (204) des numerisch kontrollierten Oszillators (200); und
Synchronisieren des zweiten Akkumulators unter Verwendung des ersten Akkumulatorausgangssignals.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, sowie ein Computerprogrammprodukt zur Verringerung von Signalflankenjitter in einem Ausgangssignal eines numerisch kontrollierten Oszillators gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Oszillatoren finden in vielen Gebieten der Signalverarbeitung Verwendung. Durch die Verbreitung binärer, digitaler Informationen ist die Verwendung nummerisch kontrollierter Oszillatoren fortgeschritten. Da binäre Signale keine Zwischenzustände zwischen den zwei Signalzuständen enthalten, ist eine wirklichkeitsgetreue Wiedergabe analoger Signale nur über eine geeignet hohe Abtastrate zu erreichen. Die Abtastrate wird über eine Resonanzfrequenz eines anregbaren, schwingfähigen Systems, wie einem mikromechanischen Oszillator oder einem Ringoszillator, gesteuert. Dazu ist es meist notwendig die Resonanzfrequenz auf eine niedrigere Frequenz zu senken.
Bei der Reduzierung der Eingangsfrequenz auf die gewünschte Ausgangsfrequenz können unerwünschte Nebeneffekte zu Störungen des Signals führen. Ist das Verhältnis von Eingangsfrequenz zu Ausgangsfrequenz nicht ganzzahlig, so kann die Ausgabe der Ausgangsfrequenz mit einer Flankenfluktuation erfolgen. Das führt dann zu Phasenrauschen, dem sogenannten Jitter.
Insbesondere Phase Locked Loops (auch als PLLs bezeichnet) finden breiten Einsatz in der Nachrichten-, Regel- und Messtechnik. Typische Anwendungsbeispiele sind die De-/Modulation von Signalen, die Taktrückgewinnung oder das automatische Nachführen der PLL-Ausgangsfrequenz synchron zu einem unter Umständen verrauschten Eingangssignal variabler Frequenz. Letzteres wird auch im Bereich der Sensorik eingesetzt, z.B. bei mikromechanischen Oszillatoren oder Drehratensensoren. Der Verarbeitungstakt der Auswerteelektronik wird über eine PLL von der Grundschwingung des mikromechanischen Oszillators oder Drehratensensors abgeleitet. Dadurch lassen sich Filter und Regelkreise effizient auslegen. In integrierten Schaltungen erlauben rein digitale PLLs besonders flächeneffiziente Realisierungen. Der Phasendetektor, Schleifenfilter und numerisch gesteuerte Oszillator (NCO) sind aus digitalen Logikblöcken aufgebaut. Den Grundtakt f_osc des NCOs erzeugt beispielsweise ein Quarzoszillator oder ein auf der Schaltung integrierter Ringoszillator.
Als numerisch kontrollierter Oszillator (NCO) kann ein oder mehrere Akkumulator(en) eingesetzt werden, welche(r) ein (beispielsweise vom Phasenfehler abhängiges) Zählerinkrement aufsummiert. Wird ein vorgegebener Schwellwert überschritten, läuft das Zählwerk über und beginnt die Summation von vorn. Ein Zählerdurchlauf stellt eine Taktperiode am Ausgang des NCOs dar. Da der Schwellwert in der Regel kein ganzzahliges Vielfaches des Zählerinkrements darstellt, entsteht beim Überlauf ein Rest, welcher in den nächsten Durchlauf bei einem Akkumulator mit einer Weiterverwendung des Übertrags mit übernommen beziehungsweise mitberücksichtigt wird. Der Ausgangstakt der PLL (im Folgenden Systemtakt genannt) ist damit nur im Mittel an das Eingangssignal gekoppelt. Die einzelnen Taktperioden können in ihrer Länge um 1/f_osc variieren, was als Phasenjitter bezeichnet wird.
Die US 2008/0069284 A1 beschreibt ein Verfahren zum Glätten eines Ausgangssignals eines numerisch kontrollierten Oszillators. Dabei wird ein Phasenfehler des Ausgangssignals ermittelt und in einem ansteuerbaren Verzögerungsmodul reduziert, um ein geglättetes Ausgangssignal zu erhalten.
Aus der US 5,673,212 A ist bereits ein Verfahren für einen numerisch kontrollierten Oszillator bekannt, der zwei Akkumulatorstufen aufweist, um mit möglichst niedrigem Energieverbrauch verschiedene Frequenzbereiche abdecken zu können.
Aus der US 5,371,765 A ist eine PLL-Schaltung mit zwei Akkumulatoren bekannt, bei dem die Ausgangssignale der beiden Akkumulatoren von einem Phase zu Amplitudekonverter verarbeitet werden.
Aus der US 2002/0075077 A1 ist ein numerisch kontrollierter Oszillator bekannt, bei der ein erster Akkumulator vorgesehen ist, um eine erste Bit-Gruppe eines Datenwortes (most significant bits) zu erfassen und ein zweiter Akkumulator, um eine zweite Gruppe desselben Datenwortes (least significant bits) zu erfassen. Die Ansteuerung der beiden Akkumulatoren erfolgt mit unterschiedlichen Frequenzen, nämlich einer Clock-Frequenz und der mit 1/n multiplizierten Clock-Frequenz.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Verringerung von Signalflankenjitter in einem Ausgangssignal eines numerisch kontrollierten Oszillators, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Bereitstellen eines ersten Akkumulatorausgangssignals durch einen ersten Akkumulator, der ausgebildet ist, um ein Eingangssignal zu verarbeiten, wobei der erste Akkumulator bei einem Überlauf einen Übertrag weiterverwendet und Bereitstellen eines zweiten Akkumulatorausgangssignals durch einen zweiten Akkumulator, der ausgebildet ist, um das Eingangssignal zu verarbeiten, wobei der zweite Akkumulator bei einem Überlauf einen Übertrag verwirft;
Ausgeben des zweiten Akkumulatorausgangssignals an einem Ausgang des numerisch kontrollierten Oszillators; und
Synchronisieren des zweiten Akkumulators unter Verwendung des ersten Akkumulatorausgangssignals..

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Regelung einer Phasenregelschleife, wobei das Verfahren die Schritte des vorstehend beschriebenen Verfahrens und einen Schritt des Koppelns des am Ausgang des numerisch kontrollierten Oszillators ausgegebenen Signals mit dem Eingangssignal aufweist.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Vernngerung von Signalflankenjitter in einem Ausgangssignal eines numerisch kontrollierten Oszillators, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:

einem ersten Akkumulator, der ausgebildet ist, um bei einem Überlauf einen Übertrag weiterzuverwenden, und wobei der erste Akkumulator ausgebildet ist,
um an einem Ausgang ein erstes Akkumulatorausgangssignal unter Verwendung eines Eingangssignals bereitzustellen;
einem zweiten Akkumulator, der ausgebildet ist, um bei einem Überlauf keinen Übertrag weiterzuverwenden und wobei der zweite Akkumulator ausgebildet ist, um unter Verwendung des Eingangssignals an einem Ausgang ein zweites Akkumulatorausgangssignal bereitzustellen; und
einer Einrichtung zum Synchronisieren des zweiten Akkumulators mit dem ersten Akkumulator.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Phasenregelschleife mit folgenden Merkmalen:

einer Einrichtung zum Phasenvergleich eines Eingangssignals mit einem Rückkoppelsignal;
einer Einrichtung zum Filtern eines verglichenen Eingangssignals;
einem numerisch kontrollierten Oszillator mit einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung; und
einer Einrichtung zum Rückkoppeln des Ausgangssignals der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zu der Einrichtung zum Phasenvergleich.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner einen Drehratensensor, der ausgebildet ist, um eine Drehrate unter Verwendung einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung zu ermitteln.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- oder Taktsignale ausgibt. Die Vorrichtung kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Gegenüber dem oben erläuterten Stand der Technik ist es aus dem Stand der Technik nicht bekannt, ein Synchronisieren eines zweiten Akkumulators, der ausgebildet ist, um ein Eingangssignal zu verarbeiten, wobei der zweite Akkumulator bei einem Überlauf einen Übertrag verwirft, unter Verwendung eines ersten Akkumulatorausgangssignals vorzunehmen, wobei der erste Akkumulator bei einem Überlauf einen Übertrag weiterverwendet.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Steuergerät ausgeführt wird.
Ein numerisch kontrollierter Oszillator kann ein Signalgenerator sein, der ansprechend auf einen Osszillatortakt, beispielsweise von einem elektromechanischen Mikroschwinger, wie einem Quarzoszillator, ein Eingangssignal in einem Akkumulator aufsummiert oder integriert. Das Eingangssignal kann durch seinen Wert direkten Einfluss auf eine Impulswiederholrate eines Ausgangssignals des numerisch kontrollierten Oszillators nehmen. Da der Akkumulator den repräsentierten Wert des Eingangssignals ansprechend auf einen Impuls des Oszillatortakts zu einem bereits im Akkumulator hinterlegten Wert hinzufügt, wächst mit jedem Takt der Wert im Akkumulator. In dem Takt, in dem der Wert einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, entsteht ein Überlauf des Akkumulators und der Wert im Akkumulator wird auf einen vorherbestimmten Ausgangswert zurückgesetzt. Der Ausgangswert kann null sein. Bei Eintreten des Überlaufs ist der Wert im Akkumulator im Allgemeinen größer als der Schwellenwert. Der Betrag des Überschreitens über den vorgegebenen Schwellenwert wird als Übertrag bezeichnet und kann bei einem Akkumulator mit Weiterverarbeitung des Übertrags für den nächsten Oszillatortakt zu dem Ausgangswert des betreffenden Akkumulators hinzugefügt werden.
Bei einem Akkumulator ohne Weiterverarbeitung des Übertrags wird der Übertrag im Allgemeinen verworfen, das heißt ein solcher Akkumulator startet immer beim Ausgangswert von null. Die Intervalle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Überschreitungen des Schwellenwerts, den Überläufen, repräsentieren einen Ausgangstakt eines solchen Akkumulatorausgangssignals. Ein Akkumulator mit Übertrag kann die Information in dem Eingangssignal vollständig wiedergeben, wobei kein Anteil des Eingangssignals verloren geht. Dadurch weist der Akkumulator mit Weiterverwendung oder Weiterverarbeitung des Übertrags eine Variation in den Längen der (Takt-) Intervalle auf. Dieser Effekt kann als Phasenjitter charakterisiert werden. Dafür kann das Ausgangssignal einem Informationsgehalt des Eingangssignals, über mehrere Intervalle hinweg gemittelt, ohne Fehler entsprechen. Ein Akkumulator ohne Weiterverarbeitung des Übertrags kann die Information in dem Eingangssignal nur unvollständig wiedergeben. Durch das Verwerfen des Übertrags kann ein Teil des Eingangssignals verloren gehen. Da die Addition im Akkumulator immer mit dem Anfangswert beginnt, sind die resultierenden Intervalle zwischen den Überläufen gleich, solange das Eingangssignal einen konstanten Wert repräsentiert. Durch den Wegfall eines Teils der Information im Eingangssignal kann das Akkumulatorausgangssignal um den verworfenen Übertrag vorrauseilen. Dabei kann der vorgegebene Toleranzbereich dem Abstand zweier Signalflanken des Oszillatortakts entsprechen. Wenn das Eingangssignal eine Frequenz mit einem ganzzahligen Vielfachen des Oszillatortakts repräsentiert, entsteht kein Übertrag und die Ausgangssignale eines Akkumulators mit Weiterverwendung eines Übertrags und eines Akkumulators ohne Weiterverwendung eines Übertrags sind identisch. Durch eine Koppelung des Signals des zweiten Akkumulators an das Signal des ersten Akkumulators kann der zweite Akkumulator die Information im Eingangssignal ebenfalls vollständig wiedergeben, oder es kann zumindest eine Korrektur der Phasenlage des zweiten Akkumulatorausgangssignals erfolgen. Phasenlage und Frequenz der beiden Signale sind während des Synchronisierens gleich.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Verwendung einer Einrichtung zur Synchronisation des ersten Akkumulators mit dem zweiten Akkumulators ein Phasenjitter effektiv verhindert werden kann. Dabei kann ausgenutzt werden, dass der Phasenjitter zu bestimmten Zeitpunkten sehr gering gehalten werden kann und dennoch das Ausgangssignal des numerisch kontrollierten Oszillators in einem bestimmten Verhältnis zu einem Eingangssignal dieses numerischen Oszillators steht.
Ein wesentlicher Vorteil des hier vorgesellten Ansatzes ist die deutliche Reduktion des durch den Phasenjitter hervorgerufenen Rauschens. Dadurch kann beispielsweise ein Sensorregelkreis basierend auf einer rein digitalen PLL realisiert werden. Dies vereinfacht den Schaltungsentwurf dahingehend, dass er rein digital, also ohne analoge Filter oder analog angesteuerte Oszillatoren ausgelegt werden kann, erhöht die Flexibilität, da z.B. nachträgliche Änderungen an den Filter-/Reglerparametem einfacher möglich sind und resultiert in einem geringeren Flächenbedarf integrierter Schaltungen. Zusätzlich weisen digitale Schaltkreise bessere Flächenskalierungseffekte in neuen Prozesstechnologien auf.
Wenn in vorherbestimmten Takten in einem Ausgangssignals eines nummerisch kontrollierten Oszillators ein Ausbleiben von Signalflankenjitter eine größere Relevanz aufweiset, als in anderen Takten des Ausgangssignals, kann durch Umschalten des Ausgangs des numerisch kontrollierten Oszillators auf das Akkumulatorausgangssignal des Akkumulators ohne Weiterverarbeitung des Übertrags während dieser vorherbestimmten Takte ein gleichmäßiger Abstand zwischen den Impulsen des Signals am Ausgang des numerisch kontrollierten Oszillators erreicht werden. Im Mittel kann dadurch der Phasenjitter des Ausgangssignals verringert werden.
Eine Phasenregelschleife kann durch Veränderung des Eingangssignals eines numerisch kontrollierten Oszillators das Ausgangssignal des NCO an eine Frequenz und Phase eines Eingangssignals der Phasenregelschleife anpassen. Eine Regelung kann durch eine Rückführung des Ausgangssignals der NCO über einen optionalen Frequenzteiler zu dem Eingangssignal der Phasenregelschleife erfolgen. Dazu kann ein Phasenvergleich der beiden Signale das Eingangssignal des NCO ergeben. Ebenfalls optional kann eine Filterung des Eingangssignals erfolgen.
Bei einem Drehratensensor kann es sich um eine Einrichtung zur Ermittlung einer Drehrate dieser Einrichtung und/oder eines damit fest verbundenen Teils handeln. Die Drehrate gibt Auskunft über eine Geschwindigkeit einer Drehung des Teils. Die Drehrate kann durch Ermittlung von Kreiselkräften an einem drehbaren Element des Sensors bestimmt werden. Dazu können den Kreiselkräften gleich große Gegenkräfte entgegen wirken. Ein Signal des Drehratensensors kann ein Maß für die Gegenkräfte repräsentieren, die zur Kompensation der Kreiselkräfte erforderlich sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Schritt des Synchronisierens ansprechend auf ein vorbestimmbares Taktschema zyklisch erfolgen. Ein vorbestimmbares Taktschema kann eine festgelegte Anzahl von Änderungen im Signalpegel sein. Dadurch kann eine Koppelung des zweiten Akkumulatorausgangssignals im Mittel an das erste Akkumulatorausgangssignal erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin einen Schritt des Umschaltens des Ausgangs des numerisch kontrollierten Oszillators, um am Ausgang des numerisch kontrollierten Oszillators das erste Akkumulatorausgangssignal auszugeben.. Dadurch kann in Takten mit einem besonders hohen Informationsgehalt eine verlustlose Übertragung des Ausgangssignals des ersten Akkumulators gewährleistet werden.
Ferner kann auch der Schritt des Umschaltens ansprechend auf ein vorbestimmbares Zeitschema zyklisch erfolgen. Dadurch kann das Ausgangssignal des numerisch kontrollierten Oszillators vor dem Umschalten die Information im Eingangssignal im Mittel vollständig wiedergeben, und nach dem Umschalten keinen oder nur einen sehr geringen Phasenjitter oder Signalflankenjitter aufweisen. Wenn eine Vermeidung von Phasenjitter nicht mehr notwendig ist, kann der Ausgang des numerisch kontrollierten Oszillators erneut zurück auf das erste Akkumulatorausgangssignal geschaltet werden.
Ferner kann auch im Schritt des Synchronisierens eine Synchronisation zwischen erstem und zweitem Akkumulatorausgangssignal erfolgen, wenn das erste Akkumulatorausgangssignal eine vorbestimmbare Anzahl von Takten durchlaufen hat, wobei das zweite Akkumulatorausgangssignal nach einer Bereitstellung der vorbestimmbaren Anzahl von Takten bis zur Synchronisation eine Haltephase ohne Bereitstellung von Takten durchläuft. Dadurch stimmt die Anzahl an Takten beider Ausgangssignale überein. Ebenso stimmt eine Durchlaufzeit beider Ausgangssignale für einen Durchlauf der vorbestimmten Anzahl von Takten überein, wobei das zweite Akkumulatorausgangssignal am Ende eines Taktschemas eine Pause aufweist.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann im Schritt des Synchronisierens eine Synchronisation zwischen erstem und zweitem Akkumulatorausgangssignal erfolgen, wenn der Ausgang des numerisch kontrollierten Oszillators mit dem Ausgang des ersten Akkumulators verbunden ist. Dadurch kann das Ausgangssignal des numerisch kontrollierten Oszillators unterbrechungsfrei bereitgestellt werden. Während des Synchronisierens weist das Ausgangssignal Jitter auf, wogegen in Zeiträumen, in denen auf den zweiten Akkumulator umgeschaltet ist, das Signal keinen Jitter aufweist und dem Akkumulatorausgangssignal des ersten Akkumulators vorauseilt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin einen Schritt des Rückschaltens des Ausgangs des numerisch kontrollierten Oszillators, um am Ausgang des numerisch kontrollierten Oszillators das zweite Akkumulatorausgangssignal auszugeben, wobei der Schritt des Rückschaltens ansprechend auf ein vorbestimmbares Zeitschema zyklisch erfolgt. Dadurch kann nach einem Umschalten des Ausgangs auf das erste Signal erneut auf das zweite Signal gewechselt werden und in besonders jitterempfindlichen Takten eines Schemas ein jitterfreies Signal ausgegeben werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Synchronisierens eine Synchronisation zwischen ersten und zweiten Akkumulatorausgangssignal unterbrochen werden, wenn der Ausgang des numerisch kontrollierten Oszillators mit dem Ausgang des zweiten Akkumulators verbunden ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine zumindest kurze Phase mit sehr geringem Phasenjitter vorliegt, die beispielsweise für eine Rückregelung der Phasenschleife oder einer Vorrichtung, die das Ausgangsignal des numerisch kontrollierten Oszillators verwendet, präzise möglich ist. Hierdurch kann eine rein digitale Schaltung PLL-Schaltung verwendet werden, was die Herstellungskosten für eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens deutlich senkt.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren;
2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Blockschaltbild einer Phasenregelschleife mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein Schaubild von Signalverläufen des ersten und zweiten Akkumulatorausgangssignals gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ein Schaubild von Signalverläufen des ersten und zweiten Akkumulatorausgangssignals gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
6 ein Schaubild mit einer anderen Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 5.

Gleiche oder ähnliche Elemente können in den Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein, wobei auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können. Weiterhin ist die Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung eventuell unter Verwendung von unterschiedlichen Maßen und Dimensionen erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Maße und Dimensionen eingeschränkt zu verstehen ist. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal/Schritt und einem zweiten Merkmal/Schritt, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal / den ersten Schritt als auch das zweite Merkmal /den zweiten Schritt und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal /Schritt oder nur das zweite Merkmal /Schritt aufweist.
Im Vergleich zu analogen spannungs- oder stromgesteuerten Oszillatoren (VCO, CCO) weist der NCO je nach Überabtastung einen mehr oder weniger großen Phasenjitter auf. Beim Übergang in zeitkontinuierliche Systeme wie einem Sensorelement wirkt sich die mit dem Phasenjitter einher gehende variable Taktperiode unter Umständen negativ auf das Rauschen aus. Einen konkreten Anwendungsfall stellen elektromechanische Delta-Sigma-Wandler zur Lagerückregelung eines Drehratensensors dar. Bei den vorzugsweise eingesetzten zeitdiskreten switched-capacitor Frontend-Schaltungen sind die Messphase und die Rückregelphase zeitlich in einem Taktschema getrennt, um z.B. Störeinflüsse durch elektrisches Übersprechen zu minimieren. Für ein geringes Rauschen und den stabilen Betrieb des Delta-Sigma-Wandlers ist es vorteilhaft, wenn insbesondere während der Rückregelphase kein Phasenjitter auftritt. Um dies zu erreichen, wird nachfolgend ein Ansatz vorgeschlagen, der das Phasenrauschen möglichst minimieren soll.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verringerung von Signalflanken-Jitter in einem Ausgangssignal eines numerisch kontrollierten Oszillators. Das Verfahren weist einen ersten Schritt des Bereitstellens 110 auf, in dem ein erstes Ausgangssignal eines ersten Akkumulators bereitgestellt wird. Der erste Akkumulator verarbeitet ein Eingangssignal und einen Oszillatortakt. Das Eingangssignal wird im Takt des Oszillatortakts aufsummiert. Der erste Akkumulator arbeitet mit Übertrag, was bedeutet, dass wenn die Summe einen festgelegten Wert überschreitet, die Summe zurückgesetzt wird, und ein Rest, der über den festgelegten Wert hinausgeht, bildet den ersten Summanden der neuen Summe. Mit dem Zurücksetzen wird ein Impuls beziehungsweise ein Signalflankenwechsel am Ausgang des Akkumulators bereitgestellt. Im Schritt 110 wird ebenso ein zweites Ausgangssignal eines zweiten Akkumulators bereitgestellt. Der zweite Akkumulator verarbeitet dasselbe Eingangssignal wie der erste Akkumulator und denselben Oszillatortakt. Der zweite Akkumulator arbeitet ohne Übertrag, was bedeutet, dass wenn die Summe den festgelegten Wert überschreitet, auch hier die Summe zurückgesetzt wird, aber der Rest, der über den festgelegten Wert hinausreicht verworfen wird. Durch das „Abschneiden“ und Verwerfen des Rests wird der Impuls am Ausgang des zweiten Akkumulators in, den Rest repräsentierenden, kürzeren Abständen, als beim ersten Akkumulator bereitgestellt. In einem Schritt 120 des Ausgebens wird das Akkumulatorausgangssignal an einem Ausgang des numerisch kontrollierten Oszillators ausgegeben. In einem Schritt 130 des Umschaltens wird der Ausgang des numerisch kontrollierten Oszillators vom Ausgangssignal des ersten Akkumulators auf das Ausgangssignal des zweiten Akkumulators umgeschaltet, um am Ausgang des numerisch kontrollierten Oszillators das zweite Akkumulatorausgangssignal auszugeben.
Gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz wird der NCO-Jitter prinzipiell zugelassen, da er meistens nicht stört. Die daraus resultierende Konsequenz ist, dass möglichst kein Jitter während der Feedback-Phase des Drehratensensors auftreten sollte. Für die jeweiligen Takte der Feedback-Phase wird vom, auf das Sensorelement bezogene frequenzsynchrone Signal zu einem durch den ASIC-Oszillator definierten Takt gewechselt. In erster Näherung stimmt der Takt mit der Antriebsfrequenz überein, jedoch nicht genau, dafür weißt er keinen Jitter, bedingt durch den NCO-Akkumulator, auf. Dieser Takt läuft stets etwas schneller, um mit einem anschließend etwas längeren Takt, das Frequenz-Missmatch wieder aufzuholen und beide Takte zu synchronisieren.
Dadurch werden die bei NCOs inhärenten Phasen bzw. der Taktperiodenjitter für bestimmte Takte, etwa während der Rückregelphase, im Taktschema eliminiert. Dennoch wird sichergestellt, dass die mittlere Taktperiode variabel an die Sensorfrequenz gekoppelt ist. Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist eine Ausführungsvariante eines NCOs, welcher wie im herkömmlichen Sinne einen Takt als Vielfaches der Sensorschwingfrequenz erzeugt, allerdings während bestimmter Takte das Auftreten variabler Taktperioden ausschließt. Dann würde sich der NCO (fast) wie ein VCO verhalten.
Prinzipiell könnte dem Phasenjitter auch durch eine erhöhte Überabtastung (das heißt einem Verhältnis Quarz-/Ringoszillatortakt zu Systemtakt) entgegengewirkt werden. Die wesentlichen Einschränkungen bei einer derartigen Vorgehensweise sind allerdings Prozessgrenzen und der erhöhte Stromverbrauch durch den schneller laufenden NCO. Die hier vorgeschlagene NCO Variante kommt mit einer geringen Überabtastung aus. Sie ist abhängig von der Anzahl der Takte mit fester Taktperiode im Taktschema.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Verringerung von Signalflanken-Jitter in einem Ausgangssignal eines numerisch kontrollierten Oszillators NCO, gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein numerisch kontrollierter Oszillator 200 weist einen Eingang 202, sowie einen Ausgang 204 auf. Am Eingang 202 ist der numerisch kontrollierte Oszillator 200 dazu ausgebildet, ein Eingangssignal zu empfangen. Am Ausgang 204 ist der numerisch kontrollierte Oszillator 200 dazu ausgebildet, ein Ausgangssignal oder einen Systemtakt bereitzustellen. Desweiteren weist der numerisch kontrollierte Oszillator 200 einen Eingang für einen Oszillatortakt 206 auf. Innerhalb des Oszillators 200 befinden sich zwei Akkumulatoren 208 und 210. Beide Akkumulatoren 208 und 210 weisen jeweils einen Eingang auf, der mit dem Eingang 202 verbunden ist. Ebenso weisen beide Akkumulatoren 208 und 210 einen Ausgang auf, wobei je einer der Ausgänge mit dem Ausgang 204 verbunden werden kann. Um jeweils nur einen der Ausgänge der Akkumulatoren 208 und 210 mit dem Ausgang 204 zu verbinden, weist der Oszillator 200 eine Einrichtung 212 zum Umschalten auf. Die Einrichtung 212 zum Umschalten betätigt einen Wechselschalter, welcher jeweils einen der Ausgänge mit dem Ausgang 204 kontaktieren kann. Da der zweite Akkumulator 210 ohne Übertrag arbeitet, weist sein Akkumulator-Ausgangssignal eine höhere Ausgangsfrequenz auf, als der erste Akkumulator 208. Daher ist der zweite Akkumulator 210 durch eine Einrichtung 214 zum Synchronisieren (Sync) mit dem ersten Akkumulator 208 synchronisierbar. Die Einrichtung 214 zum Synchronisieren kann eine schaltbare Leitung zum Synchronisieren betätigen. Wenn der zweite Akkumulator 210 durch die Einrichtung 214 zum Synchronisieren mit dem ersten Akkumulator 208 verbunden ist, prägt der erste Akkumulator 208 dem zweiten Akkumulator 210 sein Signal zwangsweise auf. Damit sind die beiden Akkumulatoren 208 und 210 synchron. Der erste Akkumulator 208 arbeitet mit Übertrag. Das bedeutet, ein Modulo, also ein Rest einer Summe über einen vorbestimmbaren Schwellenwert hinaus bildet den Ausgangswert oder ersten Summanden einer neuen Summe für einen nachfolgenden Taktzyklus. Dadurch kann der Akkumulator 208 dem Eingangssignal am Eingang 202, über mehrere Summationszyklen gemittelt, folgen. Die Einrichtungen 212 und 214 können unter dem Begriff einer Taktschemaüberwachungseinheit zusammengefasst werden.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer Phasenregelschleife (PLL). Die PLL weist einen Phasendetektor 302, einen Schleifenfilter 304, eine Vorrichtung 200 gemäß dem hier vorgestellten Ansatz, sowie einen Frequenzteiler 306 auf. Der Phasendetektor 302 vergleicht ein Eingangssignal oder einen Referenztakt mit einem Rückkopplungssignal, welches vom Frequenzteiler 306 über eine Rückkopplungsleitung vom Ausgang der Vorrichtung 200 rückgekoppelt wird. Der Phasendetektor 302 stellt ein Phasendifferenz-Signal bereit. Das Phasendifferenzsignal durchläuft einen Schleifenfilter 304 und gelangt als Eingangssignal zur Vorrichtung 200. Die Vorrichtung 200 entspricht in ihrem Aufbau und Funktion der Vorrichtung 200 aus 2. Die Phasenregelschleife gibt ein Ausgangssignal oder einen Systemtakt aus.
Mit anderen Worten ausgedrückt kann ein Referenztakt eines Sensorelements, das die Phasenregelschleife gemäß der Darstellung aus der 3 verwenden kann, wird mit dem unterteilten Systemtakt des NCO-Ausgangs im Phasendetektor verglichen werden. Über das Schleifenfilter wird abhängig vom Phasenfehler der beiden Taktsignale das Zählerinkrement für den NCO erzeugt. Der Grundtakt des NCOs wird über einen Oszillator (z.B. Quarz- oder Ringoszillator) bereit gestellt. Eine Taktüberwachung, stellt sicher an welcher Position sich der NCO im Taktschema befindet. Außerhalb der Rückregelphase wird der frei laufende NCO-Takt durch den „Akkumulator mit Übertrag“ 208 erzeugt. Der parallel laufende „Akkumulator ohne Übertrag“ 210 wird unterdessen ständig mit erstem Akkumulator synchronisiert. Nur während der Rückregelphase wird die Synchronisation unterbrochen. Der Ausgang 204 des NCOs 200 wird auf den „Akkumulator ohne Übertrag“ 210 umgeschaltet. Während der Rückregelphase wird so die Variation der Taktperiode unterdrückt.
Alternativ kann das Feedback mit einem festen Zähler, welcher direkt seinen Takt vom Oszillator erhält, abgeleitet werden. Dabei wird zu Beginn des Feedbacktaktes der Zähler gestartet und bei Erreichen des Maximalwertes die Rückkopplung gestoppt. Hierbei ist darauf zu achten, dass bei Erreichen des Maximalwertes unter allen Prozessunsicherheiten dieses noch innerhalb des Feedbacktaktes liegt.
4 zeigt ein Diagramm mit zwei Kurven. Eine erste Kurve 402 repräsentiert ein Akkumulator-Ausgangssignal des ersten Akkumulators 208 aus 2. Eine zweite Kurve 404 repräsentiert ein Akkumulator-Ausgangssignal des zweiten Akkumulators 210 aus 2. Beide Kurven 402 und 404 sind übereinander angeordnet und durch senkrechte Hilfslinien 406 sind die fortlaufenden Taktnummern des oberen Signals dargestellt. Die Abszisse des Diagramms stellt eine fortlaufende Zeit dar; die fortlaufenden Taktnummern der Kurve 402 sind dabei auf der Abszisse angetragen. Die Ordinate des Diagramms stellt für beide Kurven 402 und 404 jeweils einen Signalzustand dar. Die Signale können nur zwei Zustände einnehmen, d.h. sie sind binär. Die beiden Kurven 402 und 404 sind in ihrem Verlauf jeweils unterschiedlich gekennzeichnet. Eine durchgezogene Linie stellt Teile des Signals dar, die am Ausgang des numerisch kontrollierten Oszillators aus 2 anliegen. Eine gestrichelte Linie stellt Teile des Signals dar, die nicht am Ausgang des Oszillators anliegen. Eine gepunktete Linie stellt eine Haltephase im Signal dar, die ebenfalls am Ausgang anliegt. Die obere Kurve 402 repräsentiert den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals des ersten Akkumulators. In einem Abschnitt 408 der Kurve 402 wird das Signal des Akkumulators mit Übertrag ausgegeben. Der Signalverlauf ist Jitter-behaftet. Das bedeutet, die Abstände zwischen den senkrechten Signalflanken sind unregelmäßig. Die Kurve im Abschnitt 408 ist durchgezogen dargestellt. In einem Abschnitt 410 der Kurve 404 wird der zweite Akkumulator mit dem ersten Akkumulator synchronisiert. Daher ist im Abschnitt 410 das Signal des zweiten Akkumulators identisch mit dem Signal des ersten Akkumulators. Das Signal des zweiten Akkumulators im Abschnitt 410 liegt nicht am Ausgang des Oszillators an, daher ist die Kurve im Abschnitt 410 gestrichelt dargestellt. Wahlweise kann auch das Signal des zweiten Akkumulators als Ausgangssignal ausgegeben werden, da die Signale 404 und 402 identisch sind.
In einem Abschnitt 412 der Kurve 404 wird der zweite Akkumulator nicht mit dem ersten Akkumulator synchronisiert. Es wird das Signal des Akkumulators ohne Übertrag ausgegeben. Der Signalverlauf im Abschnitt 412 weist regelmäßige Abstände zwischen den senkrechten Signalflanken auf. Das Signal ist Jitter-frei. Das Signal im Abschnitt 412 liegt am Ausgang des Oszillators an und die Linie ist durchgezogen dargestellt. Zwischen dem Abschnitt 408 und dem Abschnitt 412 ist in dieser Darstellung eine Umschaltung des Signalwegs vom Ausgang des ersten Oszillators zum Ausgang des zweiten Oszillators erfolgt. In einem Abschnitt 414 folgt der Signalverlauf der Kurve 402 den gleichen Voraussetzungen wie im Abschnitt 408. Das Signal im Abschnitt 414 liegt jedoch nicht am Ausgang des Oszillators an. Deshalb ist das Signal mit einer gestrichelten Linie dargestellt. In einem Abschnitt 416 der Kurve 404 verharrt das Signal des zweiten Akkumulators in einer Haltephase und ist deswegen gepunktet dargestellt, bis, ansprechend auf den Zeitpunkt 418 in der Kurve 404, das Signal des zweiten Akkumulators erneut mit dem Signal der Kurve 402 synchronisiert wird.
Nach einem Ende des Abschnitts 416 erfolgt in dieser Darstellung erneut ein Umschalten des Ausgangs des numerisch kontrollierten Oszillators auf den Ausgang des ersten Akkumulators und damit auf einen zweiten Abschnitt 408. Der zweite Abschnitt 408 ist erneut durchgezogen dargestellt. Diese Abfolge von Abschnitten erfolgt zyklisch. Im Signal 402 folgt auf einen Abschnitt 408 ein Abschnitt 414 und danach erneut ein Abschnitt 408. Im Signal 404 folgt auf einen Abschnitt 410 ein Abschnitt 412, anschließend ein Abschnitt 416 und danach erneut ein Abschnitt 410.
Mit anderen Worten ausgedrückt ist in 4 exemplarisch ein Ausgangstaktsignal, im oberen Bereich eines frei laufenden NCO-Takts (Systemtakt, Free running clock, 402) dargestellt und im unteren Bereich ein Takt eines während der Rückregelphase phasenjitterfreien NCOs. Die variable Periodenlänge ist erkennbar. Es sei angenommen, dass ein Taktschema aus 6 Einzeltakten besteht und in den Takten (Clock number) 4 und 5 die Rückregelung stattfindet.
Zur Unterdrückung des Phasenjitters während der Rückregelung kann nun ein zweiter, parallel laufender NCO (Controlled clock, 404) eingesetzt werden, welcher während der Takte 4 und 5 sicher stellt, dass das Zählerinkrement nur ganzzahlig im Zählbereich des Akkumulators abgebildet wird. Der Rest wird verworfen. Die Taktperiode wird dadurch vorzeitig abgeschlossen. So wird sichergestellt, dass die Rückregeltakte stets die kürzeren Taktperioden aufweisen. Am Ende der Rückregelphase wird der zweite NCO wieder mit dem ersten, frei laufenden NCO synchronisiert (Sync, 418). Im Mittel wird so ein Systemtakt als Vielfaches der Sensorresonanz garantiert. Der gepunktete Takt 416 des Signals 404 wird ausgegeben. Weiterhin ist die Synchronisation zwischen den Signalen 402 und 404 während der Takte 1-3 bzw. 7-9 aktiv (Schalter 214 in 2 geschlossen). Alternativ kann also auch komplett nur Signal 404 ausgegeben werden und auf eine Umschaltung (Schalter 212 2) verzichtet werden. Die Synchronisation sollte dann am Ende von Takt 5 beginnen.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Taktschema kann so abgeändert werden, dass während der gesamten Grundperiode (Takte 1-6) das jitterfreie höherfrequente Signal 504 ausgegeben wird. Jeweils nur im letzten Takt, der typischerweise ein Reset- oder Pausetakt ist, in dem keine regelungskritischen Aufgaben ausgeführt werden, wird ein längerer Synchronisationstakt 506 bis zum Synchronisationszeitpunkt 508 eingefügt. Dadurch wird das Signal 504 synchron zum Signal 502, bzw. im Mittel synchron zur Sensorfrequenz. Die Synchronisation erfolgt mit einer steigenden Signalflanke.
6 zeigt eine andere Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 5. Zusätzlich zu einer auf 16 geänderten Anzahl von Takten im Taktschema ist ein weiteres jitterfreies Signal 600 eines Akkumulators ohne Übertrag dargestellt. Dieser schwingt und gibt eine Frequenz vor. Am Ausgang liegt über die 16 Takte des Taktschemas das jitterfreie Signal 600 an. Anschließend verbleibt ein Signalpegel des am Ausgang anliegenden Signals auf niedrigem Niveau und das Taktschema beginnt erst von neuem, nachdem der jitterbehaftete Referenztakt ebenfalls den 16. Takt des Taktschemas vollendet hat. Das Signal 600 verharrt nicht, wird jedoch ebenfalls ansprechend auf das Ende eines Taktschemas am Referenztakt erneut synchronisiert, d.h. auf den hohen Signalpegel gesetzt und beginnt erneut zu schwingen.
Der Einsatz einer rein digitalen PLL mit Ringoszillator ist mit dem Ziel der Flächenreduktion im ASIC insbesondere für zukünftige Drehratensensoren im Automotive und Consumer Bereich interessant. Der vorgestellte Ansatz ist nicht auf diesen Anwendungsfall der Drehratensensoren beschränkt. Er kann vielmehr allgemein auf zeitkontinuierlich-zeitdiskret gekoppelte Regelschleifen angewendet werden, die im Zeitmultiplex messen und rückregeln.

Claims

Verfahren zur Verringerung von Signalflankenjitter in einem Ausgangssignal eines numerisch kontrollierten Oszillators, mit folgenden Schritten: Bereitstellen (110) eines ersten Akkumulatorausgangssignals durch einen ersten Akkumulator (208), der ausgebildet ist, um ein Eingangssignal zu verarbeiten, wobei der erste Akkumulator bei einem Überlauf einen Übertrag weiterverwendet und Bereitstellen eines zweiten Akkumulatorausgangssignals durch einen zweiten Akkumulator (210), der ausgebildet ist, um das Eingangssignal zu verarbeiten, wobei der zweite Akkumulator bei einem Überlauf einen Übertrag verwirft; Ausgeben (120) des zweiten Akkumulatorausgangssignals an einem Ausgang (204) des numerisch kontrollierten Oszillators (200); und Synchronisieren des zweiten Akkumulators unter Verwendung des ersten Akkumulatorausgangssignals.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt des Synchronisierens (130) ansprechend auf ein vorbestimmbares Taktschema zyklisch erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Schritt des Umschaltens (130) des Ausgangs des numerisch kontrollierten Oszillators, um am Ausgang des numerisch kontrollierten Oszillators das erste Akkumulatorausgangssignal auszugeben.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt des Synchronisierens eine Synchronisation zwischen ersten und zweiten Akkumulatorausgangssignal erfolgt, wenn das erste Akkumulatorausgangssignal eine vorbestimmbare Anzahl von Takten durchlaufen hat, wobei das zweite Akkumulatorausgangssignal nach der vorbestimmbaren Anzahl von Takten bis zur Synchronisation eine Haltephase durchläuft.
Verfahren gemäß Anspruch 3, mit einem Schritt des Rückschaltens des Ausgangs des numerisch kontrollierten Oszillators, um am Ausgang des numerisch kontrollierten Oszillators das zweite Akkumulatorausgangssignal auszugeben, wobei der Schritt des Rückschaltens ansprechend auf ein vorbestimmbares Zeitschema zyklisch erfolgt.
Verfahren zur Regelung einer Phasenregelschleife, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: die Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5; und Koppeln des am Ausgang (204) des numerisch kontrollierten Oszillators (200) ausgegebenen Signals mit dem Eingangssignal.
Vorrichtung (200) zur Verringerung von Signalflankenjitter in einem Ausgangssignal eines numerisch kontrollierten Oszillators, mit folgenden Merkmalen: einem ersten Akkumulator (208), der ausgebildet ist, um bei einem Überlauf einen Übertrag weiterzuverwenden, und wobei der erste Akkumulators ausgebildet ist, um ein erstes Akkumulatorausgangssignal unter Verwendung eines Eingangssignals bereitzustellen; einem zweiten Akkumulator (210), der ausgebildet ist, um bei einem Überlauf keinen Übertrag weiterzuverwenden, und wobei der zweite Akkumulator ausgebildet ist, um ein zweites Akkumulatorausgangssignal unter Verwendung des Eingangssignals bereitzustellen; und einer Einrichtung (212) zum Synchronisieren eines Ausgangs des zweiten Akkumulators mit einem Ausgang des ersten Akkumulators.
Phasenregelschleife mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung (302) zum Phasenvergleich eines Startsignals mit einem Rückkoppelsignal, um ein verglichenes Startsignal zu erhalten; einer Einrichtung (304) zum Filtern eines verglichenen Eingangssignals, um ein gefiltertes Startsignal zu erhalten; einem numerisch kontrollierten Oszillator (200) mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei dem numerisch kontrollierte Oszillator das gefilterte Startsignal als Eingangssignal zugeführt wird und wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um das Ausgangssignal bereitzustellen; und einer Einrichtung zum Rückkoppeln (306) des Ausgangssignals (204) der Vorrichtung gemäß Anspruch 7 zu der Einrichtung (302) zum Phasenvergleich.
Drehratensensor, der ausgebildet ist, um eine Drehrate unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 7 zu ermitteln.