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Die Erfindung betrifft eine Sendevorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen eines Sendesignals mit einem Puls kurzer Pulsdauer nach Anspruch 1 beziehungsweise 9.
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Kurze Pulse werden in vielfältigen Anwendungen benötigt. Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Pulse beispielhaft für eine Entfernungsbestimmung mittels Signallaufzeit (Time of Flight) genutzt. Dabei wird ein kurzer Puls ausgesandt, insbesondere ein Lichtpuls eines optoelektronischen Entfernungsmessers, und die Zeit bis zum Empfang einer Remission oder Reflexion des Lichtpulses gemessen. Einige Anwendungsgebiete für optoelektronische Entfernungsmessung sind Fahrzeugsicherheit, Logistik- oder Fabrikautomatisierung oder Sicherheitstechnik. Das Lichtlaufzeitverfahren ist auch das Prinzip, nach dem entfernungsmessende Laserscanner arbeiten, deren Fahrstrahl eine Ebene oder einen Raumbereich ausmisst. Die Genauigkeit solcher Messungen kann durch kurze Pulsdauern erhöht werden, und dabei ist es wichtig, zuverlässig reproduzierbare Pulsdauern zu erhalten.
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Bekannte Lösungen sind komplex und verursachen entsprechende Herstellkosten. Einfachere Umsetzungen wie beispielsweise auf kostengünstiger Gatterbasis schränken die Flexibilität ein, denn sie erzeugen nur eine feste Pulsbreite und sind nicht einstellbar und damit nicht variabel. Zudem sind bei Erzeugung hochfrequenter Pulse starke Einflüsse auf Bandbreite, maximale Taktfrequenz oder Verzögerungen durch Umgebungseffekte wie Temperatur erkennbar.
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Die
DE 20 2012 100 326 U1 offenbart einen Messkern, der beispielsweise in einem optoelektronischen Sensor zur Entfernungsmessung oder einem mikrowellenbasierten Füllstandsensor eingesetzt werden kann und der eine Sendeeinheit zur Erzeugung kurzer Pulse aufweist. Der Messkern ist auf einem digitalen Baustein, vorzugsweise einem FPGA implementiert, der einen geregelten digitalen Clockmanager aufweist. Mit dessen Hilfe werden zwei zueinander phasenversetzte Takte erzeugt. Daraus wird ein Ausblendfenster abgeleitet, das Teilbereiche des Empfangssignals insbesondere im Bereich eines Frontscheibenreflexes ausblendet.
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Aus der
US 2013/0278917 A1 ist ein Entfernungsmesssystem bekannt, bei dem ein Lichtsender gepulstes Licht aussendet. Auf einem Solid-State-Imager sind mit dem eigentlichen Lichtempfänger unter anderem ein Referenztaktgeber und eine Pulserzeugungseinheit integriert, die das Zeitverhalten der Pulse festlegt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine einfachere und zuverlässigere Sendevorrichtung für kurze Pulse anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Sendevorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen eines Sendesignals mit einem Puls kurzer Pulsdauer nach Anspruch 1 beziehungsweise 9 gelöst. Auf einem digitalen Baustein mit programmierbaren Schaltungseinheiten, beispielsweise einem FPGA (Field Programmable Gate Array), werden zwei Signale mit vorgegebenem Phasenversatz erzeugt. Aus den beiden Signalen wird ein Sendesignal mit vorgegebener Pulsdauer abgeleitet, wobei die Pulsdauer durch den Phasenversatz bestimmt ist. Die Erfindung geht dann von dem Grundgedanken aus, zur Signalerzeugung einen geregelten Taktgenerator des digitalen Bausteins zu nutzen. Das ermöglicht, die beiden Signale als Takte mit einer geregelten und programmierbaren Phasenbeziehung zu erzeugen.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine besonders kostengünstige integrierte Sendestufe mit höchst geringem Schaltungsaufwand entsteht. Sie ist sehr robust, denn die Takte und damit die daraus abgeleiteten Pulsdauern sind geregelt und damit stabil gegen Veränderungen in Temperatur, Prozess und Versorgung. Zudem ist die Pulsdauer programmierbar, somit flexibel einstellbar und auch für adaptiv oder dynamische Lösungen geeignet.
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Die Pulsdauer liegt bevorzugt im Pikosekundenbereich. Auch wenn Lichtlaufzeitmessungen mit Nanopulsen möglich sind, kann eine noch bessere Präzision mit Pulsen kürzer als eine Nanosekunde, also beispielsweise einigen hundert Pikosekunden oder noch weniger, erreicht werden.
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Die Sendevorrichtung ist bevorzugt als optoelektronische Sendevorrichtung mit einem Lichtsender ausgebildet, dessen Aktivität über das Sendesignal gesteuert ist. Das Sendesignal mit kurzem Puls wird dabei in ein entsprechendes Lichtsignal gewandelt. Beispielsweise wird eine Lichtquelle des Lichtsenders, wie ein Laser, gerade durch den Puls aktiviert und ist außerhalb des Pulses inaktiv oder ausgeschaltet.
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Der Taktgenerator weist bevorzugt mindestens eine PLL (Phase-Locked Loop) auf. Die Regelung der Takte erfolgt dabei mit der PLL, die eine einfache, aber sehr bewährte und robuste Schaltungsstruktur für die Erzeugung stabiler Takte darstellt.
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Die Pulserzeugungseinheit leitet bevorzugt den Puls aus je einer Flanke der phasenversetzten Takte ab. So markiert beispielsweise eine Flanke des einen Takts den Pulsbeginn und eine Flanke des anderen Takts das Pulsende.
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Die Pulserzeugungseinheit leitet den Puls bevorzugt mit mindestens einem Logikgatter, insbesondere einem UND-Gatter, aus den Takten ab. So werden die beiden Takte mit einer denkbar einfachen Logik zu dem Sendesignal mit dem Puls verknüpft. Das einfache Logikgatter ist selbst auch stabil gegen Veränderungen in den Umgebungseinflüssen.
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In bevorzugter Weiterbildung weist ein entfernungsmessender Sensor eine erfindungsgemäße Sendevorrichtung zum Aussenden eines Sendepulses in einen Überwachungsbereich, eine Empfängereinheit zum Wandeln des in dem Überwachungsbereich remittierten Sendepulses in ein Empfangssignal sowie eine Auswertungseinheit auf, die dafür ausgebildet ist, aus dem Empfangssignal einen Empfangszeitpunkt und somit die Signallaufzeit zwischen Aussenden und Empfang des Sendepulses zu bestimmen. Es wird also ein entfernungsmessendes Signallaufzeitsystem, insbesondere Lichtlaufzeitsystem auf der erfindungsgemäßen Sendevorrichtung zur Erzeugung kurzer Pulse aufgebaut. Das kann beispielsweise ein optischer Entfernungstaster, ein Laserscanner oder eine 3D-Kamera sein. Die Auswertung der Lichtlaufzeit kann auf demselben digitalen Baustein erfolgen, der auch das Sendesignal erzeugt.
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Die Pulserzeugungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, die Pulsbreite anhand des Empfangssignals anzupassen oder nachzuregeln. So ist beispielsweise denkbar, die empfangene Pulsleistung zu bestimmen, die von Größen wie Abstand, Verschmutzung oder Alterungserscheinungen an Lichtsender und Lichtempfänger abhängt. Durch Anpassungen der Pulsbreite werden solche Einflüsse kompensierbar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine vereinfachte Blockdarstellung eines Systems zur Messung der Signallaufzeit mit einem kurzen Sendepuls;
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2 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Sendevorrichtung zur Erzeugung kurzer Sendepulse; und
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3 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Sendevorrichtung zur Erzeugung kurzer Sendepulse zur Ansteuerung eines Lichtsenders.
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1 zeigt eine vereinfachte Blockdarstellung eines Messkerns 10 zur Bestimmung einer Signallaufzeit. Der Messkern 10 kann teilweise oder wie dargestellt sogar insgesamt auf einem digitalen Baustein 12, insbesondere einem FPGA, implementiert sein.
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In einem Sendepfad im oberen Teil der 1 erzeugt ein Taktgenerator 14 mindestens zwei Takte, aus denen ein Pulsgenerator 16 ein Sendesignal mit einem kurzen Puls ableitet. Das Sendesignal wird über einen Sender 18 als Sendepuls 20 in einen Überwachungsbereich 22 ausgesandt. Der Sendepfad wird weiter unten mit Bezugnahme auf die 2 und 3 noch näher erläutert.
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In einem Empfangspfad im unteren Teil der 1 wird der Sendepuls 20 als remittierter Sendepuls 24 nach Remission oder Reflexion an einem Objekt in dem Überwachungsbereich 22 wieder empfangen. Ein Empfänger 26 erzeugt aus dem remittierten Sendepuls 24 ein Empfangssignal.
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Wird der Messkern 10 in einem optoelektronischen Sensor eingesetzt, so ist der Sender 18 ein Lichtsender, beispielsweise eine Laserdiode, entsprechend der Sendepuls 20 ein Lichtsignal und der Empfänger ein Lichtempfänger, beispielsweise eine Photodiode.
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Das Empfangssignal wird einer Steuer- und Auswerteeinheit 28 zugeleitet. Dort wird aus der Zeit, die zwischen Aussenden des Sendepulses 20 und Empfangen des remittierten Sendepulses 24 verstrichen ist, über die Signalausbreitungsgeschwindigkeit ein Abstand des Objekts bestimmt, an dem der Sendepuls 20 remittiert wurde.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit 28 ist auch für das Aussenden der Sendepulse 20 zuständig und kann die Pulsdauer einstellen. In die Pulsdauer können dabei auch Größen einfließen, die aus dem Empfangssignal bestimmt wurden, beispielsweise eine empfangene Pulsamplitude oder -energie.
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2 zeigt die Elemente des Sendepfads für eine erste Ausführungsform. Der Taktgenerator 14 basiert hier auf einer oder mehreren PLLs, die aus einem Eingangstakt clk_in geregelte, stabile Takte mit festlegbaren Phasen zueinander erzeugt. Als Zahlenbeispiel sind zwei Takte mit 10 MHz + 250 ps bzw. 10 MHz + 500 ps gezeigt.
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Auf dem digitalen Baustein 12 beispielsweise in Auslegung als FPGA werden derartige kostengünstige, hochperformante und genaue Taktgeneratoren 14 beispielsweise auf Basis von PLLs angeboten, und sie sind in der Lage, Phasenverschiebungen zumindest im zweistelligen Pikosekundenbereich zu realisieren. Die Takte und damit deren Phasenbeziehung bleiben aufgrund der Regelung des Taktgenerators 14 über Prozess, Temperatur und Versorgung stabil.
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Die Takte und ihre Phasenbeziehung sind außerdem dynamisch veränderbar und somit die erzeugten Sendepulse 20 anwendungsspezifisch anpassbar, beispielsweise um mittels selektiver Bandbreitensteuerung das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern oder Pulsfolgen zu erzeugen. Die Takte und damit die abgeleitete Pulsbreite kann dynamisch in Abhängigkeit der Leistung des Sendepulses 20 und/oder der aus dem Empfangssignal bestimmten Amplitude beziehungsweise Energie des remittierten Sendepulses 24 über Abstand, Verschmutzung und Degradation für ein optimales Detektionsergebnis nachgeregelt werden.
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Aus den mindestens zwei Takten wird in dem Pulsgenerator 16 das Sendesignal mit dem kurzen Puls abgeleitet. Der Pulsgenerator 16 weist in der Ausführungsform nach 2 zwei Flipflops 30a–b auf, deren Ausgänge in einem UND-Gatter 32 miteinander verknüpft werden. Das Ergebnis ist hier ein Puls mit Pulsdauer 250 ps entsprechend dem Phasenversatz der beiden eingehenden Takte.
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Die Realisierung in dem FPGA 12 stellt sich als besonders geeignet heraus, da hier sehr ähnliche Zellen genutzt werden können, die so gut wie keine verfälschenden Laufzeitunterschiede verursachen. Zur Erzielung der Übertragung ultrakurzer Pulse sollte auf geeignete Packages (hier CPS, chip scale package) und kürzeste Leitungswege geachtet werden.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sendepfades. Weiterhin ist der Taktgenerator 14 mit Hilfe mindestens einer PLL implementiert und erzeugt zwei Takte mit gegenseitigem Phasenversatz von hier beispielhat 250 ps. Die beiden Takte werden in dem UND-Gatter 32 miteinander verknüpft. Das so erzeugte Sendesignal wird dann verwendet, um den Lichtsender 18 zu steuern. 3 zeigt im rechten Teil eine rein beispielhafte Schaltung 34 zur Ansteuerung des Lichtsenders 18 mit dem Sendesignal mit kurzem Puls, das in dem FPGA 12 erzeugt wurde.
