DE102012018899B4 - Schaltungsanordnung zur Umsetzung von Digitalsignalen - Google Patents

Abstract

Schaltungsanordnung zur Umsetzung eines Hochfrequenz-Digitalsignals (S0) in ein Niederfrequenz-Digitalsignal (Sa), mit einem Exklusiv-ODER-Gatter (XOR), an dessen Eingängen das Hochfrequenz-Digitalsignal (S0) und wenigstens ein digitales Oszillatorsignal geschaltet sind, bei der am Ausgang (12) des Exklusiv-ODER-Gatters (XOR) ein Signalgemisch (Sx) auftritt, welches das Niederfrequenz-Digitalsignal (Sa) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Exklusiv-ODER-Gatter (XOR) mindestens drei Eingänge (10a, 10b ... 10n) aufweist, dass an den ersten Eingang (10a) des Exklusiv-ODER-Gatters (XOR) das Hochfrequenz-Digitalsignal (S0) geschaltet ist, dass an den wenigstens zwei weiteren Eingängen (10b ... 10n) ein erstes bis n-tes digitales Oszillatorsignal (S1 ... Sn) geschaltet sind und dass die Frequenzen (F1 ... Fn) des ersten bis n-ten digitalen Oszillatorsignals (S1 ... Sn) jeweils auf unterschiedliche Werte festgelegt sind.

Description

• Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Umsetzung eines Hochfrequenz-Digitalsignals in ein Niederfrequenz-Digitalsignal nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
• Stand der Technik
• Zur Umsetzung eines Hochfrequenz-Signals in ein Niederfrequenz-Signal, das in einem Zwischenfrequenzbereich liegen soll, kann eine multiplikative Signalmischung vorgesehen sein, bei welcher das Hochfrequenz-Signal mit einem Oszillator-Signal gemischt wird. Hierbei weicht die Frequenz des Oszillator-Signals von der Frequenz des Hochfrequenz-Signals um denjenigen Betrag ab, welcher der gewünschten Zwischenfrequenz entspricht. Bei einem im Megahertz-Frequenzbereich liegenden Rundfunksignal kann eine Zwischenfrequenz von beispielsweise 455 Kilohertz vorgesehen sein. Die Frequenz des Oszillator-Signals, die der gewünschten Empfangsfrequenz des Rundfunksenders nachgeführt werden muss, müsste bei diesem Beispiel um 455 Kilohertz niedriger (oder höher) als die gewünschte Frequenz des Rundfunk-Hochfrequenz-Signals liegen.
• Vorgesehen sein kann auch eine zweistufige Umsetzung, bei welcher eine höhere und niedrigere Zwischenfrequenz vorgesehen sind. Bei einem Rundfunkempfänger liegt die höhere Zwischenfrequenz beispielsweise bei 10,7 Megahertz, während die niedrigere Zwischenfrequenz wieder bei 455 Kilohertz liegen kann.
• Zur Umsetzung eines Hochfrequenz-Digitalsignals in ein Niederfrequenz-Digitalsignal kann ein Exklusiv-ODER-Gatter (XOR) verwendet werden. Die Schaltungsanordnung ist beispielsweise im Internet unter der Adresse: http://de.wikipedia.org/wiki/Mischer_%28Elektronik%29 zu finden. Das Hochfrequenz-Digitalsignal wird dem ersten Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters zur Verfügung gestellt, während am zweiten Eingang ein digitales Oszillatorsignal anliegt. Am Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters steht ein digitales Ausgangssignal bereit, welches Frequenzanteile mit den Summen- und DifferenzFrequenzen der beiden Eingangssignale aufweist. Die Auswahl eines Signals, welches eine bestimmte Differenz-Frequenz oder eine bestimmte SummenFrequenz aufweist, erfolgt mittels eines auf die gewünschte Frequenz abgestimmten Signalfilters.
• In der Veröffentlichung US 2011/ 0 204 987 A1 ist ein Phasen- und AmplitudenModulator beschrieben, der entweder ein oder zwei oder vier Exklusiv-ODER-Gatter enthält. Jedem Exklusiv-ODER-Gatter wird ein Datensignal sowie ein Oszillatorsignal zugeführt. Zur Beeinflussung der Phasenlage des Oszillatorsignals in Bezug auf das Datensignal ist jeweils eine Phasenschieber-Anordnung vorgesehen. Sofern mehrere Exklusiv-ODER-Gatter vorgesehen sind, werden deren Ausgangssignale über ein ODER-Gatter zusammengeführt und am Ausgang des Phasen- und Amplituden-Modulators zur Verfügung gestellt.
• In der Offenlegungsschrift DE 10 2011 075 796 A1 ist ein Signalmischer beschrieben, der beispielsweise in einem Modulator eingesetzt werden kann. Der Mischer enthält gemäß einem Ausführungsbeispiel ein NAND-Gatter, dem ein Datensignal sowie ein Oszillatorsignal zugeführt werden. Der Ausgang des NAND-Gatters wird einem Exklusiv-ODER-Gatter zur Verfügung gestellt, dem weiterhin ein Vorzeichensignal zugeführt wird. Zur Bereitstellung eines differenziellen Ausgangssignals kann die Schaltungsstruktur doppelt vorgesehen sein. Hierbei ist die zweite Logikschaltung entsprechend der ersten Logikschaltung aufgebaut. Neben dem ersten Oszillatorsignal für die erste Logikschaltung ist ein zweites Oszillatorsignal vorgesehen, das der zweiten Logikschaltung zur Verfügung gestellt wird. Die beiden Oszillatorsignale sind komplementär zueinander und weisen eine Phasenverschiebung um beispielsweise 180° auf.
• In dem Fachzeitschriftenbeitrag von Kotani, K.; Shibata T; Imai, M; Ohmi, T.: „Clocked-Neuron-MOS Logic Circuits Employing Auto-Threshold-Adjustment“; Solid-State Circuit Conference, 1995; Digest of Technical Papers; 41 st ISSCC, 1995 IEEE International, Seiten 320 - 321, 15. - 17. Februar 1995 (D3) wird eine Optimierung eines Exklusiv-ODER-Gatters beschrieben, das mittels eines MOS-Feldeffekttransistors realisiert ist, der sechs Steuereingänge aufweist. Drei der Steuereingänge werden für Eingangssignale des Exklusiv-ODER-Gatters verwendet, sodass ein 3-Eingangs-Exklusiv-ODER-Gatter entsteht. Die anderen Steuereingänge werden mit unterschiedlichen Potenzialen beaufschlagt, um die korrekte Funktion des MOS-Feldeffekttransistors sicherzustellen. In einem Testbetrieb werden an die drei Exklusiv-ODER-Gatter-Eingänge taktflankensynchrone Datensignale unterschiedlicher Frequenz angelegt, die durch Frequenzteilung gewonnen werden. Getestet wird die ordnungsgemäße Funktion des 3-Eingangs-Exklusiv-ODER-Gatters bis an eine obere Grenzfrequenz anhand der Bewertung des Ausgangssignals, wobei ein Offsetsignal an einem der Steuereingänge variiert wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung eines Hochfrequenz-Digitalsignals in ein Niederfrequenz-Digitalsignal anzugeben, die in Bezug auf die Auswahlmöglichkeit der Frequenz des Niederfrequenz-Digitalsignals flexibel ist und die mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln realisierbar ist.
• Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.
• Offenbarung der Erfindung
• Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Umsetzung eines Hochfrequenz-Digitalsignals in ein Niederfrequenz-Digitalsignal geht von einem Exklusiv-ODER-Gatter aus, an dessen Eingängen das Hochfrequenz-Digitalsignal und ein digitales Oszillatorsignal geschaltet sind, wobei am Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters ein Signalgemisch auftritt, welches das Niederfrequenz-Digitalsignal enthält. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass das Exklusiv-ODER-Gatter mindestens drei Eingänge aufweist, dass an den ersten Eingang des Exklusiv-ODER-Gatters das Hochfrequenz-Digitalsignal geschaltet ist, dass an den wenigstens zwei weiteren Eingängen ein erstes bis n-tes digitales Oszillatorsignal geschaltet sind und dass die Frequenzen des ersten bis n-ten digitalen Oszillatorsignals auf unterschiedliche Werte festgelegt sind.
• Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht eine einfache Umsetzung des Hochfrequenz-Digitalsignals in ein gewünschtes Niederfrequenz-Digitalsignal, dessen Frequenz aufgrund der wenigstens zwei vorgesehenen digitalen Oszillatorsignale als Eingangssignale des Exklusiv-ODER-Gatters frei festgelegt werden kann. Am Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters tritt ein Signalgemisch auf, das Signalanteile mit den Summen- und Differenzfrequenzen der an den Eingängen des Exklusiv-ODER-Gatters anliegenden Digitalsignale aufweist. Die gewünschte Frequenz bzw. der gewünschte Frequenzbereich des Niederfrequenz-Digitalsignals wird durch die Überlagerung (Summen- oder Differenzbildung) von mehreren digitalen Oszillatorsignalen mit unterschiedlichen Frequenzen auf einen Wert festgelegt, der mit vergleichsweise einfach bereitzustellenden digitalen Oszillatorsignalen erhalten werden kann.
• Dadurch, dass mehrere digitale Oszillatorsignale mit unterschiedlichen vorgebbaren Frequenzen vorgesehen sind, sinken die Anforderungen an die digitalen Oszillatorsignale erheblich. Die ansonsten erforderliche hochgenaue Festlegung des im Stand der Technik vorgesehenen einzigen digitalen Oszillatorsignals entfällt. Insbesondere kann das Niederfrequenz-Digitalsignal mit einer hohen Frequenzauflösung erhalten werden, ohne eine entsprechend hoch aufgelöste Oszillatorfrequenz im Frequenzbereich des Hochfrequenz-Digitalsignals gemäß dem Stand der Technik generiert werden muss. Die Oszillatorfrequenz sollte jedoch stabil sein.
• Aus dem am Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters auftretenden Signalgemisch mit den Summen- und Differenzfrequenzen der Frequenzen der Eingangssignale des Exklusiv-ODER-Gatters kann das gewünschte Niederfrequenz Digitalsignal mit einem Signalfilter aus dem Signalgemisch herausgefiltert werden.
• Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind Gegenstände jeweils von abhängigen Ansprüchen.
• Eine erste Ausgestaltung sieht vor, dass die Frequenzen des ersten bis n-ten digitalen Oszillatorsignals jeweils auf niedrigere Frequenzen als die Frequenz des Hochfrequenz-Digitalsignals festgelegt sind. Die Vermeidung von Signalen, deren Frequenzen höher als diejenige des Hochfrequenz-Digitalsignals liegen, verbessern die elektromagnetische Verträglichkeit durch die Verminderung der Abstrahlung von Hochfrequenz-Signalen. Zu berücksichtigen ist hierbei, dass die verarbeiteten Digitalsignale aufgrund Ihres rechteckförmigen Signalverlaufs eine erhebliche Anzahl von Oberwellen aufweisen.
• Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Summe der Frequenzen der digitalen Oszillatorsignale auf einen Wert festgelegt ist, bei dem die Differenz zwischen der Frequenz des Hochfrequenz-Digitalsignals und der Summe der Frequenzen der Oszillatorsignale eine vorgegebene Frequenz oder einen vorgegebenen Frequenzbereich des Niederfrequenz-Digitalsignals ergibt. Mit dieser Ausgestaltung wird die Frequenz des Niederfrequenz-Digitalsignals auf die niederfrequenteste Signalkomponente des Signalgemischs am Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters festgelegt. Aufgrund der niedrigen Frequenz ist eine besonders einfache Weiterverarbeitung des Niederfrequenz-Digitalsignals möglich. Außerdem vereinfacht sich die Signalfilterung.
• Eine Weiterbildung dieser Ausgestaltung sieht zur Signalfilterung ein vergleichsweise einfach zu realisierendes Tiefpassfilter vor. Das Tiefpassfilter kann als digitales Filter oder in analoger Technik, beispielsweise mit einem R-C-Glied, aufgebaut sein.
• Gemäß einer anderen Ausgestaltung sind wenigstens ein Taktgenerator und eine Anzahl n Frequenzteiler vorgesehen, sodass die digitalen Oszillatorsignale durch Frequenzteilung aus dem Taktsignal des Taktgenerators bereitgestellt werden können. Dadurch wird eine besonders preiswerte Möglichkeit geschaffen, die mindestens zwei digitalen Oszillatorsignale bereitzustellen.
• In vorteilhafterweise sind die Frequenzteiler gemäß der zuvor genannten Ausgestaltung in einem Microcontroller enthalten. Der Microcontroller kann darüber hinaus weitere Komponenten zur Signalverarbeitung enthalten.
• Eine Weiterbildung dieser Ausgestaltung sieht vor, dass der Mikrocontroller die Frequenz des Niederfrequenz-Digitalsignals anhand einer Zeitmessung der Periodendauer des Niederfrequenz-Digitalsignals ermittelt und an einem Ausgangsport bereitstellt.
• Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich in besonders vorteilhafterweise zur Verarbeitung eines von einem induktiven Positionssensor bereitgestellten Positionssignals, welches dem Hochfrequenz-Digitalsignal entspricht. In einer derartigen oder ähnlichen Anwendung kommen besonders die Kostenvorteile bei einer industriellen Massenproduktion zum Tragen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht in dieser oder einer ähnlichen Anwendung in besonders vorteilhafterweise eine Festlegung der unterschiedlichen digitalen Oszillatorsignale - und somit der gewünschten Frequenz des Niederfrequenz-Digitalsignals - bei einem Kunden, sodass eine flexible und kostengünstige Anpassung an eine aktuelle Messaufgabe erreicht wird.
• Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
• Figurenliste
• 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Umsetzung eines Hochfrequenz-Digitalsignals in ein Niederfrequenz-Digitalsignal,
• 2a zeigt die Spektren von Eingangssignalen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
• 2b zeigt ein Spektrum eines Ausgangssignals der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
• 3 zeigt ein detailliertes Schaltbild einer Anordnung, bei welcher die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Verarbeitung eines von einem Positionssensor bereitgestellten Signals vorgesehen ist.
• Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
• 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung eines Hochfrequenz-Digitalsignals S0, das eine Frequenz F0 aufweist, in ein Niederfrequenz-Digitalsignal Sa, welches eine Frequenz Fa aufweist.
• Das Hochfrequenz-Digitalsignal S0 liegt an einem ersten Eingang 10a eines Exklusiv-ODER-Gatters XOR. Das Exklusiv-ODER-Gatter XOR weist wenigstens zwei weitere Eingänge 10b ... 10n auf. Am zweiten Eingang 10b des Exklusiv-ODER-Gatters XOR liegt ein erstes digitales Oszillatorsignal S1 an, welches eine Frequenz F1 aufweist. Am n-ten Eingang 10n des Exklusiv-ODER-Gatters XOR liegt ein n-tes digitales Oszillatorsignal Sn an, welches eine Frequenz Fn aufweist. Die in 1 gezeigten Punkte zwischen dem zweiten und dem n-ten Eingang 10b, 10n des Exklusiv-ODER-Gatters XOR sollen andeuten, dass auch eine höhere Anzahl von Eingängen des Exklusiv-ODER-Gatters XOR als die gezeigten zwei Eingänge 10b, 10n und entsprechend eine höhere Anzahl von digitalen Oszillatorsignalen vorgesehen sein können.
• Im Folgenden wird nur noch Bezug auf die exemplarisch gezeigten beiden digitalen Oszillatorsignale S1, Sn genommen.
• In 2a sind die Frequenzen F0, F1, Fn des Hochfrequenz-Digitalsignals S0 sowie der wenigstens zwei digitalen Oszillatorsignale S1, Sn dargestellt. Bei der in 2a gezeigten Darstellung werden lediglich die Grundfrequenzen F0, F1, Fn der auftretenden Signale S0, S1, Sn dargestellt, während die Frequenzen der zahlreich vorhandenen Oberschwingungen, welche die rechteckförmigen digitalen Signale S0, S1, Sn aufweisen, aus Gründen der Übersicht nicht dargestellt sind.
• Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Frequenzen F1, Fn der digitalen Oszillatorsignale S1, Sn jeweils niedriger liegen als die Frequenz F0 des Hochfrequenz-Digitalsignals S0. Rein prinzipiell könnte zumindest eine Frequenz F1, Fn der digitalen Oszillatorsignale S1, Sn höher als die Frequenz F0 des Hochfrequenz-Digitalsignals S0 liegen.
• Aufgrund der Ausgestaltung des Gatters als Exklusiv-ODER-Gatter XOR tritt an einem Ausgang 12 des Exklusiv-ODER-Gatters XOR ein Signalgemisch Sx auf, welches Frequenzkomponenten enthält, die der Summen- und Differenzfrequenzen F0 - F1 - Fn, F0 - F1 + Fn, F0 + F1 - Fn, F0 + F1 + Fn sämtlicher Eingangssignale S0, S1, Sn des Exklusiv-ODER-Gatters XOR entsprechen.
• Das Spektrum des Signalgemischs Sx ist in 2b gezeigt, wobei auch bei der in 2b gezeigten Darstellung lediglich die Grundfrequenzen der Summen- und Differenzfrequenzen F0 - F1 - Fn, F0 - F1 + Fn, F0 + F1 - Fn, F0 + F1 + Fn berücksichtigt sind, jedoch die zahlreichen Oberschwingungen nicht eingetragen sind.
• Im Hinblick darauf, dass die Frequenz des gewünschten Niederfrequenz-Digitalsignals niedriger liegen soll als die Frequenz F0 des Hochfrequenz-Digitalsignals S0 werden als Niederfrequenz-Digitalsignal entweder die Signalanteile des Spektrums des Signalgemischs Sx ausgewählt, welche der Frequenz F0 - F1 - Fn oder der Frequenz F0 - F1 + Fn entsprechen.
• Vorzugsweise wird die niederfrequenteste Signalkomponente des Signalgemischs Sx als Niederfrequenz-Digitalsignal Sa ausgewählt, wobei sich die Frequenz Fa des Niederfrequenz-Digitalsignals Sa aus der Differenz zwischen der Frequenz F0 des Hochfrequenz-Digitalsignals S0 und der Summe der Frequenzen F1, Fn der digitalen Oszillatorsignale S1, Sn ergibt. Die niederfrequenteste Signalkomponente des Signalgemischs Sx, das gewünschte Niederfrequenz-Digitalsignal Sa, kann in diesem Fall durch eine vergleichsweise einfache Tiefpass-Signalfilterung erhalten werden. Bei dem in 1 gezeigten Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist hierzu ein Tiefpassfilter TP vorgesehen, welchem das Signalgemisch Sx zugeführt wird und welches das Niederfrequenz-Digitalsignal Sa mit der Frequenz Fa am Ausgang zur Verfügung stellt.
• Die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters TP ist auf die Frequenz Fa des Niederfrequenz-Digitalsignals Sa abzustimmen. Bei dem Tiefpassfilter TP kann es sich um ein digitales Tiefpassfilter handeln. Eine einfache Realisierung des Tiefpassfilters TP sieht eine analoge Realisierung vor. In diesem Fall werden die Signalflanken des Niederfrequenz-Digitalsignals Sa in Abhängigkeit von der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters TP durch Herausfilterung der Oberwellen mehr oder weniger verschliffen. In Abhängigkeit von der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters TP kann im Grenzfall die Grundschwingung des Niederfrequenz-Digitalsignals (Sa) erhalten werden, sodass vom Niederfrequenz-Digitalsignal Sa nur noch die sinusförmige Grundschwingung übrig bleibt. Dennoch soll das dann entstehende analoge Signal weiterhin als Niederfrequenz-Digitalsignal bezeichnet werden.
• Die in 1 eingetragene Formel spiegelt den Zusammenhang wieder, gemäß dem die Frequenz Fa des Niederfrequenz-Digitalsignals Sa der Differenz zwischen der Frequenz F0 des Hochfrequenz-Digitalsignals S0 und der Summe F1 + ... + Fn der Frequenzen F1 ... Fn der digitalen Oszillatorsignale S1 ... Sn entspricht.
• Generell gilt jedoch für die Auswahl der Oszillatorfrequenzen (abs = Absolutbetrag): $$\text{Fa}=\text{abs}\left(\text{abs}\left(\text{F}0-\text{F}1\right)-\text{F}2\right),$$

  

  
  oder $$\text{Fa}=\text{abs}\left(\text{abs}\left(\text{abs}\left(\text{F}0-\text{F}1\right)\right)-\text{F}3\right)$$

  

  
  oder $$\text{Fa}=\text{abs}\left(\text{abs}\left(\text{abs}(\text{abs}\left(\text{F}0-\text{F}1\right)-\text{F}2\right)-\text{F}4\right),\text{ usw}.$$

  

  und speziell:
• F1 < F0
• F2 < F0 - F1
• F3 < F0 - (F1 + F2), usw., woraus sich die in 1 wiedergegebene Formel: $$\text{Fa}=\text{F}0-\left(\text{F}1+\dots +\text{Fn}\right)$$
  
  ergibt.
• Hierbei muss berücksichtigt werden, dass hier lediglich die Frequenzen der Grundschwingungen der rechteckförmigen Signale betrachtet werden. Aufgrund der Oberwellen ergeben sie zahlreiche weitere Signalkomponenten unterschiedlicher Frequenz, sogar Anteile, deren Frequenz unterhalb von Fa liegt. Diese anderen Signalanteile weisen jedoch erheblich geringere Amplituden auf und werden hier nicht weiter berücksichtigt, da sie das Niederfrequenz-Ausgangssignal Sa nicht wesentlich beeinflussen.
• 3 zeigt eine Anordnung, bei welcher die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Umsetzung eines Hochfrequenz-Digitalsignals S0 in ein Niederfrequenz-Digitalsignal Sa im Rahmen einer konkreten Anwendung eingesetzt ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel soll die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung das von einem Positionssensor 20 bereitgestellte Ausgangssignal, welches dem Hochfrequenz-Digitalsignal S0 entspricht, in ein dem Messwert entsprechendes Niederfrequenz-Digitalsignal Sa umgesetzt werden, wobei der Messwert dem Abstand 22 zwischen dem Positionssensor 20 und einem Objekt 24 widerspiegelt.
• Der Positionssensor 20 soll als induktiver Positionssensor realisiert sein, der einen Schwingkreis mit einer Spule 26 und einem Kondensator 28 enthält. Das Material des Objekts 24 ist ausgestaltet, eine Änderung der Induktivität der Spule 26 bei einer Annäherung zu bewirken. Aus einer Ermittlung der Frequenz F0 des Hochfrequenz-Digitalsignals S0 kann ein Maß für den Abstand 22 des Objekts 24 vom Positionssensor 20 gewonnen werden. Aus einer Änderung der Frequenz F0 des Hochfrequenz-Digitalsignals S0 kann entsprechend ein Maß für die Änderung des Abstands 22 zwischen dem Objekt 24 und dem Positionssensor 20 gewonnen werden.
• Der Positionssensor 20 ist in einer schwingfähigen Anordnung enthalten, welche die Widerstände 30, 32, 34 sowie den Komparator 36 enthält.
• Der Komparator 36 ist vorzugsweise in einem Microcontroller 38 enthalten, der an einem Stromversorgungsanschluss 40 sowie an einer Schaltungsmasse 42 zur Energieversorgung angeschlossen ist.
• Der Widerstand 30, an welchem der Positionssensor 20 angeschlossen ist, liegt auf einem Potenzial, welches durch einen Spannungsteiler bereitgestellt ist, welche die Spannungsteiler-Widerstände 44, 46 enthält. Zur Stabilisierung der Mittenspannung des Spannungsteilers ist ein Stabilisierungskondensator 48 vorgesehen, der im gezeigten Ausführungsbeispiel parallel zum Widerstand 46 geschaltet ist. Der Widerstand 30 ist am invertierenden Eingang des Komparators 36 angeschlossen. Am nicht-invertierenden Eingang des Komparators 36 liegt der Widerstand 32, an welchem der andere Anschluss des Positionssensors 20 angeschlossen ist. An der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 32 und dem Positionssensor 20 ist der Widerstand 34 angeschlossen, der zum Ausgang des Komparators 36 führt.
• Der Komparator 36 und die Widerstände 30, 32, 34 bilden in Verbindung mit dem Schwingkreis (Spule 26 und Kondensator 28) des Positionssensors 20 aufgrund der mitgekoppelten Struktur vom Ausgang des Komparators 36 zum nicht-invertierenden Eingang des Komparators 36 über den Widerstand 34 bzw. den Widerstand 32 eine schwingfähige Anordnung, welche ohne Anwesenheit des Objekts 24 auf einer Grundfrequenz schwingt, die der Grundfrequenz des Hochfrequenz-Digitalsignals S0 entspricht. Bei einer Annäherung des Objekts 24 an den Positionssensor 20 verändert sich die Frequenz F0 des Hochfrequenz-Digitalsignals S0. In diesem Fall weist das Hochfrequenz-Digitalsignal S0 nicht eine konkrete Frequenz F0 auf, sondern liegt in einem Frequenzbereich, sodass auch das Niederfrequenz-Digitalsignal Sa in einem Frequenzbereich liegt.
• Die in 3 gezeigte Anordnung soll das aus der Positionsmessung gewonnene Hochfrequenz-Digitalsignal S0, dessen Frequenz F0 beispielsweise im Bereich von 417156 Hz bis 417643 Hz liegt, in einen Frequenzbereich von 1253 Hz bis 1740 Hz des Niederfrequenz-Digitalsignals Sa umgesetzt werden, welches damit ebenfalls ein Maß für den Messwert des Positionssensors 20 widerspiegelt.
• Zur Bereitstellung des niederfrequenten Messwerts entsprechend dem Niederfrequenz-Digitalsignal Sa ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit dem Exklusiv-ODER-Gatter XOR vorgesehen, welchem das Signal des Positionssensors 20 als Hochfrequenz-Digitalsignal S0 und die wenigstens zwei digitalen Oszillatorsignale S1, Sn als Eingangssignale zur Verfügung gestellt werden.
• Das am Ausgang 12 des Exklusiv-ODER-Gatters XOR auftretende Signalgemisch Sx wird mit dem Tiefpassfilter TP tiefpassgefiltert, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel das Tiefpassfilter TP analog realisiert ist. Im einfachsten Fall ist eine Widerstands-Kondensator-Kombination (R-C-Glied) mit einem Tiefpass-Widerstand 50 und einem Tiefpass-Kondensator 52 vorgesehen.
• Die digitalen Oszillatorsignale S1, Sn stellt der Microcontroller 38 bereit, der einen Taktgenerator 54 sowie mindestens zwei Frequenzteiler 56a, 56n enthält. Als frequenzbestimmende Komponente enthält der Taktgenerator 54 vorzugsweise ein Quarz 58, welches die Taktfrequenz FT des Taktsignals T festgelegt. Mit den Schaltern SW1 ... SWn werden die Teilungsverhältnisse der Frequenzteiler 56a ... 56n festgelegt.
• Zur Realisierung des im Frequenzbereich Fa von 1253 Hz bis 1740 Hz liegenden Niederfrequenz-Digitalsignals Sa werden, ausgehend von einer Frequenz FT des Taktsignals T von 25 Mhz der erste Frequenzteiler 56a auf eine Frequenzteilung von 64 und der zweite Frequenzteiler 56n auf eine Frequenzteilung von 989 eingestellt, sodass die Frequenz F1 des ersten digitalen Oszillatorsignals S1 390625 Hz und die Frequenz Fn des n-ten digitalen Oszillatorsignals Sn 25278 Hz beträgt.
• Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, der Heranziehung von mehreren digitalen Oszillatorsignalen S1 ... Sn, kann durch eine gezielt ausgewählte Festlegung der Teilungsverhältnisse der Frequenzteiler 56a ... 56n vergleichsweise einfach die gewünschte Frequenz Fa bzw. der gewünschte Frequenzbereich Fa des Niederfrequenz-Digitalsignals Sa erhalten werden.
• Zur Ermittlung der Frequenz (Fa) des Niederfrequenzsignals (Sa) kann eine Berechnung der Periodendauer des Niederfrequenzsignals (Sa) vorgesehen sein. Die Ermittlung der Periodendauer kann im Microcontroller 38 durch eine Bestimmung der Zeit vorgenommen werden. Weiterhin können im Microcontroller 38 Umrechnungen vorgenommen werden, aus denen im gezeigten Ausführungsbeispiel der Abstand 22 des Objekts 24 vom Positionssensor 20 ermittelt wird.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung zur Umsetzung eines Hochfrequenz-Digitalsignals (S0) in ein Niederfrequenz-Digitalsignal (Sa), mit einem Exklusiv-ODER-Gatter (XOR), an dessen Eingängen das Hochfrequenz-Digitalsignal (S0) und wenigstens ein digitales Oszillatorsignal geschaltet sind, bei der am Ausgang (12) des Exklusiv-ODER-Gatters (XOR) ein Signalgemisch (Sx) auftritt, welches das Niederfrequenz-Digitalsignal (Sa) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Exklusiv-ODER-Gatter (XOR) mindestens drei Eingänge (10a, 10b ... 10n) aufweist, dass an den ersten Eingang (10a) des Exklusiv-ODER-Gatters (XOR) das Hochfrequenz-Digitalsignal (S0) geschaltet ist, dass an den wenigstens zwei weiteren Eingängen (10b ... 10n) ein erstes bis n-tes digitales Oszillatorsignal (S1 ... Sn) geschaltet sind und dass die Frequenzen (F1 ... Fn) des ersten bis n-ten digitalen Oszillatorsignals (S1 ... Sn) jeweils auf unterschiedliche Werte festgelegt sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen (F1 ... Fn) des ersten bis n-ten digitalen Oszillatorsignals (S1 ... Sn) jeweils auf niedrigere Frequenzen (F1 ... Fn) als die Frequenz (F0) des Hochfrequenz-Digitalsignals (S0) festgelegt sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe (F1 + ... + Fn) der Frequenzen (F1 ... Fn) der digitalen Oszillatorsignale (S1 ... Sn) auf einen Wert festgelegt ist, bei dem die Differenz zwischen der Frequenz (S0) des Hochfrequenz-Digitalsignals (F0) und der Summe (F1 + ... + Fn) der Frequenzen (F1 ... Fn) der digitalen Oszillatorsignale (S1 ... Sn) eine vorgegebene Frequenz (Fa) oder einen vorgegebenen Frequenzbereich (Fa) des Niederfrequenz-Digitalsignals (Sa) ergibt.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiefpassfilter (TP) zur Signalfilterung des am Ausgang (12) des Exklusiv-ODER-Gatters (XOR) auftretenden Signalgemischs (Sx) zur Bereitstellung des Niederfrequenz Digitalsignals (Sa) vorgesehen ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefpassfilter (TP) als R-C-Glied mit einem Tiefpass-Widerstand (50) und einem Tiefpass-Kondensator (52) realisiert ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Taktgenerator (54) und eine Anzahl n Frequenzteiler (56a ... 56n) vorgesehen sind und dass die digitalen Oszillatorsignale (S1 ... Sn) durch Frequenzteilung aus dem Taktsignal (T) des Taktgenerators (54) bereitgestellt werden.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Microcontroller (38) vorgesehen ist und dass die Frequenzteiler (56a.... 56n) im Microcontroller (38) enthalten sind.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller (38) die Frequenz (Fa) des Niederfrequenz-Digitalsignals (Sa) anhand einer Zeitmessung der Periodendauer des Niederfrequenz-Digitalsignals (Sa) ermittelt und bereitstellt.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verarbeitung eines von einem induktiven Positionssensor (20) bereitgestellten Positionssignals, welches dem Hochfrequenz-Digitalsignal (S0) entspricht und welches in das Niederfrequenz-Digitalsignal (Sa) umgesetzt werden soll, wobei die Frequenz (Fa) des Niederfrequenz-Digitalsignals (Sa) ein Maß für den Abstand (22) eines Objekts (24) vom Positionssensor ist.

Images