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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entstörung eines Abtastprozesses sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Entstörung eines Abtastprozesses mit anschließender Analog-Digital-Wandlung gegenüber einem hochfrequenten Störer sowie eine gemäß dem Verfahren gegenüber einem hochfrequenten Störer entstörte Vorrichtung mit Analog-Digital-Wandler.
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Stand der Technik
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Zur digitalen Auswertung der Messergebnisse von Sensoren ist es notwendig, das analoge Sensorsignal in ein digitales Signal zu wandeln. Häufig werden hierfür Analog-Digital-Wandler eingesetzt, die die Vorteile einer Überabtastung nutzen. Hierbei wird das schmalbandige Eingangssignal mit einem hochfrequenten Takt abgetastet und anschließend mit einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert. Die Bandbreite des Nutzsignals (auch als Nutzband bezeichnet) ist dabei deutlich kleiner als die halbe Abtastfrequenz. Enthält das Eingangssignal hochfrequente Störsignale, so werden diese aufgrund des Alias-Effekts gegebenenfalls in das Nutzband heruntergefaltet. Um dies zu verhindern, wird üblicherweise ein Anti-Aliasing-Filter verwendet, das die hochfrequenten Störsignale vor der Abtastung herausfiltert.
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In 1 ist schematisch ein Frequenzdiagramm für eine solche Situation dargestellt. Das Sensorsignal (Nutzsignal) wird mit einer Abtastfrequenz f abgetastet. Bei einer idealisierten Schaltung geschieht dies beispielsweise mit Hilfe eines periodischen Taktsignals mit der Periode T = 1/f, wobei jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb der Periode, beispielsweise wenn das Taktsignal eine bestimmte Spannung überschreitet oder unterschreitet, ein Abtastwert erfasst wird, so dass der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Abtastzeitpunkten jeweils der Periode T entspricht. Das abgetastete Signal ergibt sich dann in der Zeitdarstellung als Produkt des Eingangssignals mit einer Abtastfunktion, die durch eine Folge äquidistanter Abtastpulse im zeitlichen Abstand T gegeben ist. In der Frequenzdarstellung entspricht dieses Produkt einer Faltung des Frequenzspektrums des Eingangssignals mit dem Frequenzspektrum der Abtastfunktion, das durch eine Folge äquidistanter Spektrallinien im Abstand f gegeben ist.
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In einer realen Schaltung treten unvermeidliche stochastische Abweichungen von diesem idealisierten Verhalten auf. Dadurch sind die Abtastzeitpunkte und damit die Abtastpulse in der Abtastfunktion gegenüber den idealisierten Abtastzeitpunkten leicht verschoben, was sich im Frequenzspektrum der Abtastfunktion dadurch widerspiegelt, dass die idealisierten Spektrallinien über um die ganzzahligen Vielfachen der Abtastfrequenz f zentrierte Frequenzbereiche verschmiert und mit zunehmender Frequenz zunehmend gedämpft werden. Ein solches Frequenzspektrum 10 einer Abtastfunktion ist in 1 gezeigt. Die um 0·f zentrierte Komponente des Frequenzspektrums der Abtastfunktion ist dabei der übersichtlicheren Darstellung halber nicht gezeigt.
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Das Eingangssignal kann überlagert hochfrequente Störsignale enthalten, wie sie beispielsweise bei elektromagnetischer Einkopplung auftreten. Ein solches Störsignal 12 ist in 1 beispielhaft bei einer Frequenz gezeigt, die knapp oberhalb des Zweifachen der Abtastfrequenz f liegt. Gemäß dem Stand der Technik wird ein solches Störsignal vor dem Abtasten mit Hilfe eines Anti-Aliasing-Filters, beispielsweise eines Tiefpassfilters mit der Übertragungsfunktion 14, herausgefiltert. Das Tiefpassfilter ist dabei so ausgebildet, dass ein Nutzsignal 16 im Nutzband bei einer typischen Nutzfrequenz möglichst ungefiltert durchgelassen wird. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass ein Anti-Aliasing-Filter implementiert werden muss. Insbesondere bei Realisierung auf einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) führt dies zu Entwicklungsaufwand und Flächenverbrauch.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Entstörung eines Abtastprozesses bereitgestellt, wobei der Abtastprozess das Abtasten eines analogen Signals mit einer Abtastfrequenz f umfasst. Die Abtastzeitpunkte werden gegenüber durch die Abtastfrequenz f bestimmten zeitlich äquidistanten Abtastzeitpunkten verschoben. Dadurch wird ein so genannter Jitter erzeugt, welcher die Spektrallinien des Frequenzspektrums der Abtastfunktion verbreitert und abflacht, so dass in das Nutzband gefaltete Störsignale eine geringere Amplitude aufweisen und das Nutzsignal sich stärker von den Störsignalen abhebt. Die Verschiebung der Abtastzeitpunkte kann stochastisch oder deterministisch erfolgen. Falls die Bandbreite des heruntergefalteten Störsignals größer als die Nutzbandbreite ist, wird durch das dem AD-Wandler nachfolgende digitale Filter die Leistung des Störsignals weiter verringert.
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Das Ausmaß der Verschiebung der Abtastzeitpunkte kann jeweils in Abhängigkeit von der Nutzbandbreite, der Abtastfrequenz und dem zur Verschiebung der Abtastzeitpunkte eingesetzten Verfahren gewählt werden. Vorzugsweise beträgt die mittlere quadratische Abweichung der Abtastperioden mindestens 50 ps (Pikosekunden), besonders bevorzugt mindestens 100 ps, und insbesondere bevorzugt mindestens 200 ps. Dabei ist eine Abtastperiode die Zeitdauer zwischen zwei aufeinander folgenden Abtastzeitpunkten. Die mittlere quadratische Abweichung der Abtastperioden wird gemessen, indem eine bestimmte Anzahl von aufeinander folgenden Abtastperioden, beispielsweise 1000 aufeinander folgende Abtastperioden, gemessen wird und die mittlere quadratische Abweichung dieser Abtastperioden von ihrem Mittelwert bestimmt wird.
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Die Abtastzeitpunkte können dadurch bestimmt werden, dass die Phase eines Taktsignals einen bestimmten Wert annimmt. Beispielsweise können die Abtastzeitpunkte durch Nulldurchgänge in der aufsteigenden Flanke des Taktsignals oder durch Nulldurchgänge in der absteigenden Flanke des Taktsignals bestimmt werden, oder allgemeiner dadurch, dass das Taktsignal einen bestimmten Wert überschreitet, oder dadurch, dass das Taktsignal einen bestimmten Wert unterschreitet.
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Das Taktsignal kann dadurch erzeugt werden, dass ein periodisches Taktsignal mit der Periode 1/f mit Phasenrauschen beaufschlagt wird, das heißt, dass die Phase des Taktsignals zeitabhängig stochastisch verschoben wird. Das Phasenrauschen kann beispielsweise 1/f-Rauschen sein, das heißt ein Rauschsignal, dessen spektrale Leistungsdichte umgekehrt proportional zur Frequenz abnimmt.
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Das Taktsignal kann aber beispielsweise auch dadurch erzeugt werden, dass ein periodisches Taktsignal mit der Periode 1/f einer Frequenzmodulation unterworfen wird, beispielsweise einer Frequenzmodulation mit einem sinusförmigen Modulationssignal.
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Erfindungsgemäß kann jedes Verfahren zur Verbreiterung der Bandbreite eines Abtastsignals bzw. Erzeugung eines Jitters im Taktsignal verwendet werden.
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Das durch Abtasten des analogen Signals gewonnene Signal kann mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers digitalisiert werden.
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Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt. Die Vorrichtung kann einen Taktgeber zur Erzeugung eines näherungsweise periodischen verjitterten (das heißt mit einem Jitter versehenen) Taktsignals sowie Mittel zum Abtasten des analogen Signals umfassen. Die Mittel zum Abtasten des analogen Signals können dazu ausgebildet sein, das analoge Signal abzutasten, wenn die Phase des mit dem Phasenrauschen beaufschlagten Taktsignals einen bestimmten Wert annimmt. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner einen Analog-Digital-Wandler (wahlweise mit digitalem Filter), der dazu ausgebildet ist, das durch Abtasten des analogen Signals gewonnene Signal zu digitalisieren.
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Erfindungsgemäß kann die Vorrichtung einen Taktgeber zur Erzeugung eines periodischen Taktsignals, eine Rauschquelle zur Erzeugung eines Rauschsignals sowie Mittel zum Beaufschlagen des periodischen Taktsignals mit einem dem Rauschsignal entsprechenden Phasenrauschen umfassen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch wahlweise eine Signalquelle zur Erzeugung eines Modulationssignals, beispielsweise eines sinusförmigen Modulationssignals, sowie Mittel zur Frequenzmodulation des periodischen Taktsignals mit dem Modulationssignal umfassen. Die Signalquelle und die Mittel zur Frequenzmodulation können an Stelle von oder zusätzlich zu der Rauschquelle und den Mitteln zum Beaufschlagen des periodischen Taktsignals mit einem dem Rauschsignal entsprechenden Phasenrauschen vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäß wird ferner eine Sensorvorrichtung bereitgestellt, die einen Sensor sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst, wobei die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, das Ausgangssignal des Sensors abzutasten.
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Das eben beschriebene Verfahren ist somit in der Lage, die Robustheit einer Analog-Digital-Wandlung gegenüber hochfrequenten Störsignalen zu erhöhen. Das im Stand der Technik vorgesehene Anti-Aliasing-Filter kann aufgrund dessen entweder einfacher gestaltet werden oder ganz entfallen, so dass Kosten, die durch den Entwicklungsaufwand und den Flächenverbrauch des Anti-Aliasing-Filters entstehen, eingespart werden können. Beim Einsatz des Verfahrens wird die in das Nutzband gefaltete Signalleistung schmalbandiger hochfrequenter Störsignale, wie sie bei elektromagnetischer Einkopplung auftreten, deutlich reduziert. Somit können höhere Störklassen bezüglich der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) erreicht werden, wodurch ein Wettbewerbsvorteil erzielt werden kann.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Frequenzdiagramm bei einer Abtastung gemäß dem Stand der Technik mit Anti-Aliasing-Filter,
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2 ein Frequenzdiagramm bei einer Abtastung ohne Anti-Aliasing-Filter,
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3 ein Frequenzdiagramm bei Anwendung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Abtastung ohne Anti-Aliasing-Filter,
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4 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
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5 das digitalisierte Signal während des Frequenzsweeps einer Messung zur elektromagnetischen Verträglichkeit mit und ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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2 zeigt schematisch ein Frequenzdiagramm bei einer Abtastung ohne Anti-Aliasing-Filter. Wie in 1 ist das Frequenzspektrum 10 der Abtastfunktion gezeigt, wobei wiederum die um 0·f zentrierte Komponente des Frequenzspektrums der Abtastfunktion der übersichtlicheren Darstellung halber nicht gezeigt ist. Wie in 1 ist ein Störsignal 12 beispielhaft bei einer Frequenz gezeigt, die knapp oberhalb des Zweifachen der Abtastfrequenz f liegt. Das Störsignal wird jedoch in diesem Fall nicht vor dem Abtastprozess aus dem Eingangssignal herausgefiltert. Da das Frequenzspektrum des abgetasteten Signals durch die Faltung der Frequenzspektren der Abtastfunktion und des Eingangssignals gegeben ist, tritt im Frequenzspektrum des abgetasteten Signals in der Nähe des Ursprungs ein Mischprodukt 18 aus dem Störsignal und der um 2·f zentrierten Komponente des Frequenzspektrums der Abtastfunktion auf. Das hochfrequente Störsignal 12 ist somit durch die Abtastung in das Nutzband gefaltet worden und behindert die Auswertung des Nutzsignals 16. Der Vorteil der Einsparung des Anti-Aliasing-Filters wird somit in diesem Fall durch eine höhere Störanfälligkeit gegenüber hochfrequenten Störsignalen erkauft.
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3 zeigt ein Frequenzdiagramm bei Anwendung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Abtastung ohne Anti-Aliasing-Filter. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in diesem Ausführungsbeispiel die Abtastzeitpunkte gezielt verschoben. Dadurch wird ein so genannter Jitter erzeugt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass ein Taktsignal, anhand dessen die Abtastzeitpunkte bestimmt werden, mit Phasenrauschen beaufschlagt wird, beispielsweise durch eine integrierte Schaltung als Teil einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC).
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Dadurch, dass die Abtastzeitpunkte verschoben sind, sind die Spektrallinien im Frequenzspektrum 20 der Abtastfunktion stärker verbreitert und abgeflacht. Dementsprechend weist auch das Mischprodukt 22 des Störsignals 12 mit der um 2·f zentrierten Komponente des Frequenzspektrums der Abtastfunktion eine geringere Höhe auf, so dass das Nutzsignal 16 sich deutlicher von dem in das Nutzband gefalteten Störsignal abhebt. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass eine zu starke stochastische Verschiebung der Abtastzeitpunkte zu einem Verrauschen des Nutzsignals führen kann (so genannter Aperture-Jitter).
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4 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Taktgeber 24 erzeugt ein periodisches Taktsignal 26, beispielsweise ein sinusförmiges oder ein rechteckförmiges Taktsignal. Eine Rauschquelle 28 erzeugt ein Rauschsignal 30, beispielsweise ein 1/f-Rauschen. Ferner sind Mittel 32 vorgesehen, die geeignet sind, das von dem Taktgeber 24 erzeugte Taktsignal 26 mit einem dem von der Rauschquelle 28 erzeugten Rauschsignal 30 entsprechenden Phasenrauschen zu beaufschlagen. Die Abtastvorrichtung 36 verwendet das verjitterte Taktsignal 34, um das an ihrem Eingang anliegende analoge Signal 38 abzutasten. Beispielsweise tastet die Abtastvorrichtung 36 das analoge Signal 38 ab, wenn das verjitterte Taktsignal 34 einen bestimmten Wert überschreitet, beispielsweise bei einem Nulldurchgang in der aufsteigenden Flanke. Das abgetastete Signal 40 wird schließlich durch den Analog-Digital-Wandler 42 digitalisiert und wahlweise gefiltert, an dessen Ausgang das digitale Signal 44 ausgelesen werden kann.
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5 zeigt das digitalisierte Signal während des Frequenzsweeps einer Messung zur elektromagnetischen Verträglichkeit mit und ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde ein hochfrequentes Störsignal elektromagnetisch eingekoppelt, dessen Frequenz im Verlauf der Messung variiert wurde. Auf der horizontalen Achse ist der zeitliche Verlauf bei zunehmender Störfrequenz aufgetragen, auf der vertikalen Achse die Ausgabewerte des Analog-Digital-Wandlers, mit dem das abgetastete Signal digitalisiert wurde. Dabei ist der Graph 46 das Ergebnis einer Abtastung ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (und ohne Anti-Aliasing-Filter), und der Graph 48 das Ergebnis einer Abtastung bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Messergebnisse zeigen, dass die Amplitude des Störsignals durch das erfindungsgemäße Verfahren deutlich reduziert wird.
