DE102019002013A1 - Doppel-Lock-In-Verstärker - Google Patents

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Abstract

Die Bestimmung von z.B. der Phasenlage eines für Messzwecke eingesetzten Signals, ist oftmals schwierig, wenn dieses Signal nach dem Durchlauf einer Messstrecke von einem starken Rauschen überlagert ist. Bei solchen Fragestellungen können Lock-In-Verstärker eingesetzt werden, bei denen ein mittels Phasenschieber verschobenes Signal gleicher Frequenz mit der Phasenlage des für die Messung genutzten Signal verglichen wird; das verschobene Signal hat gegenüber dem Messsignal am Anfang der Messstrecke eine genau bekannte Phasenlage. Mittels variierender Phasenschiebereinstellungen kann die Phasenlage des Nutzsignals im verrauschten Messsignals bestimmt werden. Diese Phasenbestimmung erfordert eine geeignete Detektion und dafür i.a. lange Messzeiten (Integrationszeitdauer, Zeitkonstante), wobei der Phasenbezug bzgl. des hochfrequenten Generatorsignals, und damit das eigentliche Messergebnis einer Messung, nur die Einstellung des Phasenschiebers ist.Indem in einer Lock-In-Verstärker-Anordnung mittels einer Schalterfunktion aus einem stark gestörten Signal periodisch mit einer dicht neben der Messsignalfrequenz liegenden Frequenz komplementäre Ausschnitte entnommen werden, die abwechselnd auf zwei Integratoren geschaltet und integriert werden, und aus der Differenz der Integralwerte mittels Komparator ein digitales Signal erzeugt wird, liegen (niederfrequent-analoge oder -digitale) Signale vor, in denen sich die Phasenlage des Messsignals ebenfalls repräsentiert.Wenn zwei Taktsignale mit dicht benachbarten Frequenzen eingesetzt werden, kann für zwei Lock-In-Verstärker von jedem dieser Taktsignale sowohl ein Messsignal abgeleitet, als auch das Ansteuerungssignal zur Ansteuerung der Schalterfunktion bereitgestellt werden; zudem kann aus beiden Taktsignalen ein digitales Schwebungssignal als Referenz gebildet werden, mittels der die Phasenlage des Messsignal genau zugeordnet werden kann.Damit liegen über Kreuz arbeitende Doppel-Lock-In-Verstärker-Anordnung vor, die neue Messverfahren unter Nutzung der Phasen- und Laufzeitbestimmung von Signalen bereit stellen.

Description

  • Die Erfindung betrifft zweikanalig oder mehrfach ausgelegte Lock-In-Verstärkeranordnungen mit Phasenlagenreferenzen und deren Anwendung in einer oder mehrerer Messstrecken.
  • Lock-In-Verstärker sind im Stand der Technik bekannt. Es können allerdings unterschiedliche technische Konstrukte unter diesem Begriff gefunden werden. Mit Lock-In-Verstärkern bzw. der damit erreichbaren Signalverarbeitung stehen Techniken im Zusammenhang, die z.B. im Kontext mit „Synchrondemodulation“ und auch mit „Überlagerungsempfänger“ beschrieben werden (Homodynempfänger, abzugrenzen von Heterodynempfängern, allerdings i.a. nicht als solche dargestellt). Obwohl theoretisch zwar vergleichbar, aber nicht identisch, werden die Techniken mit Lock-In-Verstärkern im Zusammenhang oft nicht wirklich gleichbedeutend genutzt. An sich ist bereits der Begriff „Verstärker“ im Zusammenhang falsch gebraucht, da mit der Anordnung oft primär gar nichts verstärkt wird sondern nur eine Parameterextraktion im Vordergrund steht. Der Begriff hat sich aber als Terminus technicus etabliert und soll auch hier beibehalten werden.
  • Anwendungen mit ausführlichen Beschreibungen sind der jeweiligen Spezialliteratur zu entnehmen (ohne den Anwendungsbereich der Erfindung damit einschränkend festzulegen z.B. zur Lock-In-Thermographie, zur Lock-In-Bildgebung und, auch bei geodätischen Anwendung [1]:
    • [1] Karl Rinner, Friedrich Benz: Die Entfernungsmessung mit elektromagnetischen Wellen und ihre geodätische Anwendung (= Handbuch der Vermessungskunde. Band 6). Metzler, Stuttgart 1966).
  • links zeigt zum Stand der Technik (SdT) die grundsätzlich zu lösende technische Aufgabe: Ein Generator (1') erzeugt ein Signal (3'), das über eine (Mess-)Strecke (150) läuft und am Ende dieser Strecke verändert vorliegt (11'). Bezogen auf das am Anfang der Strecke bekannte Signal (3') soll aus Veränderungen des am Ende der Strecke messtechnisch zugänglichen Signals (11') auf Eigenschaften (z.B. die Länge) dieser Strecke geschlossen werden. Unter „Strecke“ soll im Folgenden die Strecke im Sinne einer Messstrecke und nur beispielhaft auch die räumliche Distanz auf Signalwegen zwischen zwei räumlichen Punkten verstanden werden.
  • Bei harmonischen Signalen am Eingang der Strecke (3') ist das Signal am Ende der Strecke (11') i.a. auch eine harmonische Funktion; zumindest bei linearen Systemen. Ausgang und Eingang könnten dann einfach aufeinander bezogen werden, wenn nicht das Signal durch die fast immer unvermeidlichen Störungen und Nichtlinearitäten der Strecke (11') verändert wäre. Bei stark gestörten Signalen am Ende der Strecke (11') ist es nicht einmal einfach, das (Nutz-)Signal selbst zu finden, geschweige denn eine Beziehung zwischen Eingang und Ausgang zu bestimmen und sei es nur die Phasenlage zwischen Ein- und Ausgang. Dann müssen andere Methoden, wie z.B. Lock-In-Verstärker, eingesetzt werden.
  • Bei den hier im Fokus der Betrachtungen stehenden Lock-In-Verstärkern wird ein in einem starken Rauschen verborgenes und/oder sehr schwaches periodisches Signal, aber mit einer genau bekannten Frequenz (gewissermaßen als a priori Information) über einen längeren Zeitraum derart ausgewertet, dass ein immer gleicher Ausschnitt einer Nutzsignalperiode entnommen und integriert wird und dann die Ausschnitt-Integralwerte aufsummiert werden.
  • Dies unterscheidet sich vom Ansatz der Homodynverfahren, bei denen eine Transformation des zu analysierenden Signals so erfolgt, dass die bekannte Signalfrequenz f bei f=0 zu liegen kommt. Ein weiterer Unterschied wird später deutlich, weil die Homodynverfahren komplexe Repräsentanten einer orthogonalen Funktionenklasse nutzen (sin-, cos.Funktionen), nicht aber komplementäre Anteile, die zusammen eine Periode der jeweiligen Frequenz ergeben.
  • Unter Nutzsignal soll zur Abgrenzung von anderen Teilen eines Signals oder zur Abgrenzung von anderen Signaltypen im Folgenden das Signal oder der Teil von einem Signal verstanden werden, dem das Ziel der Betrachtung dient, z.B. ein u.U. nur noch sehr schwacher Teil eines z.B. harmonischen Messsignals, das von starken Störungen überlagert ist.
  • Eine harmonische Funktion a*sin(ωt+φ) ist eine deterministische Funktion und ist durch die Parameter a, ω (=2πf) und φ (Amplitude, Frequenz und Phase) vollständig und eindeutig für alle Zeit t beschrieben. Da in der Literatur im Fokus der jeweiligen Betrachtungen zur Theorie üblicherweise harmonische Funktionen stehen und die Frequenz f (Kreisfrequenz ω) bereits als bekannt vorausgesetzt wird, wird i.a. nur noch die Amplitude a und die Phasenlage φ des Signals zu bestimmen sein. Hier steht zunächst nur die Bestimmung der Phasenlage φ eines in einem starken Rauschen verborgenen Signals im Vordergrund, bei der wie allgemein bei einer Phasenmessung, stets das Problem des Bezugs der Phase besteht, also der Null-Wert, auf den sich eine Phasenangabe beziehen soll.
  • Die Literatur beschreibt diese Art der Signalauswertung u.a. als „Filter“ für eine spezifische Frequenz (für die bekannte, genutzte Frequenz), beschreibt u.a. Anwendungen im Labor zur Detektion von Wechselspannungen auf einem breitbandigen Rauschhintergrund und - als weitere Beispiele - auch die Lock-In-Thermographie oder Lock-In-Bilderzeugung. Obwohl diese Art der Signalverarbeitung sehr effektiv sein kann, ist (wie oben bereits erwähnt) der Begriff „Verstärker“ nicht wirklich gerechtfertigt (weil nichts verstärkt wird); aber auch der Begriff „Filter“ scheint nicht so ganz richtig getroffen zu sein, weil an sich auch nichts gefiltert wird. Trotzdem sollen hier beide Begriffe genutzt werden.
  • Die Betrachtungen sollen im Zeitbereich und nur von Fall zu Fall den Frequenzbereich berührend stattfinden, weil die Betrachtungen im Frequenzbereich der Wirkungsdarstellung dienen können (ein Rauschen vermindernder oder vermeidender, sehr enger Frequenzfilter), aber auch verschleiern kann, was eine reale Lock-In-Verstärker-Ausführung aus einem Signal machen kann. Bei der hier bevorzugten Sichtweise ist ein Lock-In-Verstärkers lediglich ein Parameterschätzer. Bei der hier durchzuführenden Signalverarbeitung wird das Signal abschnittsweise gewissermaßen geplättet, wodurch Information über das Signal zum Teil verloren geht, was aber (weil ohnehin nur zwei Parameter unbekannt sind) unerheblich ist.
  • Da Lock-In-Verstärker - durch die Theorie bedingt - bei der jeweiligen Anwendung mit unterschiedlichen Konzepten realisiert und eingesetzt werden, soll die hier zugrunde gelegte Technik und Sichtweise definierend dargelegt werden. Die im Folgenden relativ ausführlichen Abschnitte „Hintergrund Lock-In-Verstärker“ und „Hintergrund digitale Schwebung“ dienen in diesem Sinne weniger (aber eben auch) der Erfindungsbeschreibung, als vielmehr einer nicht voraussetzbaren Hintergrunddarstellung.
  • Das erscheint zur begrifflichen Definition und Abgrenzung vom Stand der Technik einer Erfindung unter dem Begriff des Lock-In-Verstärkers notwendig.
  • Zur Erläuterung der Erfindung werden die folgenden Abbildungen genutzt:
    • Anhand von bis erfolgt die Darstellung zum Stand der Technik (SdT) und der Methoden der hier im Vordergrund stehenden Technik.
    • Anhand von wird das Konzept der komplementären Signalentnahmen erläutert. zeigt die nötige Signalverarbeitung und die Wirkung der Phasenverschiebung.
    • zeigt eine erfindungsgemäße Lock-In-Verstärker-Anordnung, wobei zusätzlich der automatische Ablauf der Phasenverschiebung eingeführt und dargestellt wird, indem zwei digitale Taktsignale mit sehr dicht benachbarten Frequenzen genutzt werden, was zugleich eine hochgenaue Referenzbildung durch digitale Schwebungsbildung bereitstellt.
    • definiert und stellt die hier so wichtige digitale Schwebungsbildung dar, die vor allem eine Referenz erfindungsgemäß bereitstellt.
    • zeigt eine Erweiterung der Konstruktion der , bei der in einer Anordnung zwei Lock-In-Verstärker-Anordnungen in einer gemeinsamen Konstruktion dargestellt werden können, die gewissermaßen über Kreuz angeordnet sind und überkreuz arbeiten,
    • - zeigen Modifikationen, Auslegungen und Einsatzmöglichkeiten der Erfindung und zeigen Beispiele von Nutzungsmöglichkeiten auf.
  • Hintergrund Lock-In-Verstärker: Die mit Lock-In-Verstärkern grundsätzlich zu lösenden Aufgaben werden hier zwar am Beispiel von Distanzmessungen dargestellt, das Messprinzip als solches kann aber überall dort eingesetzt werden, wo die Phasenlage eines sehr schwachen und/oder in einem Rauschen verborgenen Sinussignals (allg. eines periodischen Signals) bestimmt werden muss. Aus einer aus der Phasenlage ermittelten Signallaufzeit soll also in den folgenden Beispielen auf die Entfernung E eines Objekts O ( ) geschlossen werden; allgemeiner kann, z.B. in einer experimentellen Fragestellung, das Vorhandensein eines Signals ermittelt werden.
  • Die Entfernung E eines Objektes O zur jeweils eigenen Position kann aus der Laufzeit eines mittels eines Sendeelements (5) ausgesendeten Signals (7) bestimmt werden, wenn das Signal von der Oberfläche (8) des Objekts O reflektiert und zurückgestrahlt (9) wird und zudem die Signalgeschwindigkeit bekannt ist. Alternativ und gleichwertig kann eine Phasenlagenbestimmung zwischen dem mit einem Sendeelement (5) auf die Strecke gegebenen Signal (7) und mit einem Empfangselement (10) von der Strecke entnommenen Signal (9) herangezogen werden, wenn berücksichtigt wird, dass relativ zueinander bestimmbaren Phasenlagen nicht uneingeschränkt eindeutig sind.
  • In (und auch in den folgenden Abbildungen) wird für ein ein Signal aussendendes Element (das Sendeelement) i.a. das Symbol eines lichtaussendenden Elements (Laser, LED, Lampe, usw.) und für ein, ein Signal empfangendes Element (das Empfangselement) ein allg. Block (10) oder das Symbol eines schallempfangenden Elements (Mikrofon, Kasten, usw.) verwendet. Die mit einem solchen Symbol an sich verbundene Implikation, dass mit einem spezifischen Sendeelement der entsprechende Signalträger (Licht, Schall, elektromagnetische Felder, usw.) verbunden ist, wird ausdrücklich aufgehoben; aber natürlich sind jeweils geeignete Sendeelemente (Antenne, Spule, LED, Schallgeber, usw.) mit entsprechend geeigneten Empfangselementen (Antenne, Spule, Fotodiode, Mikrofon, usw.) für einen gegebenen Signalträgertyp (Licht, Schall, ...) zu nutzen. Dem Fachmann wird das nachzuvollziehen sein.
  • Von einem Generator (1) muss ein geeignetes Signal (3) erzeugt werden (vgl. in im obigen Diagramm auch das Signal (2)), dieses Signal muss aufbereitet (4) und für die Verwendung eines geeigneten Signalträgers (z.B. elektromagnetische Felder, Licht, Schall, usw.) mit einem geeigneten Sendeelement (5) ausgesendet (7) werden, das vom Objekt O bzw. der Objektoberfläche (8) reflektiert (9) werden muss. Am oft gleichen Standort, an dem auch die Sendeanordnung steht (oder an einem anderen Standort, z.B. bei Triangulationen) kann das Signal wieder empfangen werden. Das geeignete Signal (2) (3) kann indirekt (z.B. als Modulation) einem Signalträger (z.B. HF, UHF, Licht, Schall) aufgeprägt sein, aber auch der Signalträger selbst (z.B. ein kontinuierlich ausgesendetes HF- oder Schall-Signal) kann für eine solche Messung direkt geeignet sein. Ein Empfangselement (10) nimmt das zu empfangende Signal (9) am Empfangsort auf, wo es wiederum geeignet aufbereitet (13) wird und als Signal (11) für eine anwendungsbezogene Auswertung bereitsteht.
  • Aus diesem Signal (11) soll die Zeit zwischen Aussendung und Empfang, daraus die Laufzeit des Signals über die Messstrecke (7) (9) und daraus die Entfernung E zum Objekt O bestimmt werden. Was im Prinzip einfach erscheint, wird in der Realität jedoch von erheblichen technischen Problemen begleitet.
  • zeigt nur eine schematische Anordnung mit einem Generator (1), der das geeignete Signal (3) (2) erzeugt, das vermittels Sendeelement (5) (Antenne, Laser, LED, Schallgeber, usw. (5)) ausgesendet wird. Am Empfangselement (10) kommt nur ein sehr kleiner Teil von diesem ausgesendeten Licht wieder an, das zudem stark gestört sein kann, weil z.B. aus der Umgebung (12), aber auch von allen im Signalpfad liegenden Komponenten (vom Generator bis zur Auswertung) Störanteile hinzugefügt werden. Da diese Störanteile oft größer sind, als das Nutzsignal selbst, kann dem zur Auswertung bereitstehenden Signal (11) das Nutzsignal u.U. nicht mehr unmittelbar entnommen werden. Das heißt aber auch, dass die Phasenlage und damit auch die Laufzeit der empfangenen Signalkomponente relativ zum ausgesendeten Signal (2) aus diesem verrauschten Signal (11) nicht, zumindest nicht einfach, bestimmt werden kann.
  • Zudem werden das erzeugte Signal (2) (3) und das ausgesendete Signal (6) (7), sowie das am Empfangselement (10) ankommende Signal und das zur Auswertung bereitstehende Signal nicht nur laufzeitbedingte zeitliche Verzögerungen aufweisen, sondern zusätzliche, technisch bedingte zeitliche Verzögerungen enthalten. Ein vom Generator (1) erzeugtes Signal (3) benötigt z.B. für den Durchlauf der Aufbereitung (4) und/oder des Sendeelements (5) nun einmal eine gewisse Zeit, bis es auf der eigentlichen Messstrecke (7) ist.
  • Die für eine Distanzmessung mindestens benötigte Information (in diesem Beispiel die Phasenlage des Nutzsignals im zur Auswertung bereitgestellten Signal (11) ( ), z.B. relativ zum vom Generator erzeugten Signal) ist also nicht einfach zugänglich.
  • Mit einem Lock-In-Verstärker kann nun aber (und das ist das typische Anwendungsziel einer solchen Anordnung) auch in einem sehr stark gestörten Empfangssignal die Phasenlage des (Nutz-)Signals oder die Phasenlage eines (dem ausgesendeten Signal als Modulation aufgeprägten) sekundären Signals unter Nutzung der Kenntnis der Signalfrequenz und durch eine geeignet lang gewählte Messzeit doch bestimmt werden.
  • Das Prinzip der Signalverarbeitung bei dieser Konstruktion des Lock-In-Verstärkers wird mit dargestellt:
    • Zur Darstellung und Analyse werden in die beiden Signalkomponenten „Nutzsignal“ (58) und „Störung“ (59) getrennt betrachtet. In der Realität liegen diese Signalkomponenten natürlich nur in der (untrennbaren) Summenform mit dem zu analysierenden Signal (11) vor. Da das Rauschen (59) im Vergleich zum Nutzsignal (58) sehr groß sein kann, verschwindet das Nutzsignal u.U. vollständig im Rauschen und kann im Signalverlauf nicht mehr erkannt werden (vgl. z.B. ).
  • Vom Nutzsignal (insgesamt mit (58) bezeichnet), von dem die Frequenz bekannt ist, wird über einen längeren Zeitraum, sich periodisch wiederholend, ein immer gleicher Ausschnitt z.B. (28) (29) entnommen und integriert und diese, über einen längeren Zeitraum hinweg i.W. immer gleichbleibenden „Integralstücke“, insgesamt aufsummiert. Diese Anteile werden sich also in der Integralsumme immer weiter aufsummieren, während sich Störungen (59) in den jeweiligen Ausschnitten (28) (29) und auch insgesamt rausmitteln bzw. gleich bleiben.
  • Eine vorerst nur gedachte und in nur als Symbol (36) angedeutete Integration (Nachbildung einer stückweisen Integrationsoperation) soll also aus dem Signal periodisch sich wiederholende gleiche Teile entnehmen, diese Abschnitte integrieren und diese abschnittsweise integrierten Teile dann aufsummieren. Diese stückweise integrierte Funktion wird im Folgenden insgesamt als Integral gesehen und unter „Integration“ zusammengefasst, was mit einem „Integrator“ bewirkt wird.
  • Die Zeitintervalle, in denen die (Kurzzeit-)Integration erfolgt, sind jeweils durch ober- und unterhalb des jeweiligen Funktionsverlaufs liegende Balken (28) (29) bzw. auch (30) (31) angedeutet. Das Nutzsignal (58) und die Störung (59) bzw. der Störungsverlauf (69) werden getrennt betrachtet, aber natürlich betreffen die Intervalle (28) (29) beide Signalkomponenten gleichermaßen. (Daher sind die Bezeichner der Balken in den beiden Signaldarstellungen der oben (58) und unten (59) gleich gewählt; es sind einfach die gleichen).
  • Es wird also insgesamt die Wirkung einer Integration betrachtet, die mit der Frequenz des Nutzsignals periodisch immer einen gleichen Abschnitt aus dem gestörten Signal entnimmt: Erfolgt diese Integration über eine längere Zeit, dann wird der Anteil, der von diesem Nutzsignalabschnitt entstammt, am Gesamt-Integralwert (mit längerer Integrationsdauer immer weiter) wachsen.
  • Die mit Integralzeichen (36) und Zuordnungspfeilen (38) (37) nur angedeuteten Integrations-Operationen ( ) ergeben, je nachdem wie die Phase der Integrationsintervalle (28) (30) zum Nutzsignal aktuell liegt, unterschiedlich ausgeprägte Werte (40) (41), die mit längerer Gesamtdauer einer laufenden Auswertung sich (z.B. betragsmäßig) immer deutlicher auswirken können. Bei geeignet eingestellter Phasenlage der Integrations-(Zeit-)Intervalle relativ zur Nutzsignallage (so wie in oben dargestellt) können die sich ergebenden Anteile am Gesamt-Integralwert (funktionale) Maximalwerte annehmen und können absolut und/oder in der Differenz ( , (42)) die Phasenlage des schwachen Signals widerspiegeln.
  • Allgemein wird das Signal-Rausch-Verhältnis mit zunehmender Integrationsdauer bei sonst stabil bleibenden Parametern sich zunehmend verbessern
  • Mit den in durch die Balkenlage und -länge (28) (29) angedeuteten Integrationszeiten werden aus dem Nutzsignal immer die positiven Halbwellen (32) (33) herausgeschnitten, integriert und summiert bzw. mit den unterhalb liegenden Balken (30) (31) die negativen Halbwellen (34) (35). Der Integralanteil (40) aus diesem Nutzsignal wird groß sein, wenn in den jeweiligen Ausschnitten (28) (29) große Werte des Signalverlaufs liegen (z.B. die positiven Halbwellen (32) (33)); der Integral-Anteil wird klein oder sogar negativ (41) sein, wenn kleine Werte des Signalverlaufs (z.B. die negativen Halbwellen (34) (35)) im jeweiligen Ausschnitt (30) (31) liegen; die Differenz (42) zwischen diesen sich so ergebenden Werten (40) (41) ist ausgeprägt und positiv (mit den in dargestellten Integrationsintervall-Lagen).
  • Als wichtig ist zu beachten: Der Abstand (70) zwischen dem Maximum (40) und dem Minimum (41) entspricht jeweils der Phasenlagendifferenz der Integrationsintervalle von (28) und (30), stellt hier also keinen primär zeitlichen oder räumlichen Abstand dar!
  • Unter dieser Darstellung in zur Lage der Integrationsintervalle (28) (29) und (30) (31) relativ zum Nutzsignal (58) ist auch die Zuordnung der gleichen Integrationsintervalle (28) (29) und (30) (31) zum Störsignal (59) gezeigt: Das Störsignal (59) trägt in diesen gleichen Intervallen (28) (29) bzw. (30) (31) nur einen statistischen Anteil zum Integrationsgesamtwert bei (die Integrationsoperation ist wieder nur mit Integral- (36) und Zuordnungszeichen (36) (37) angedeutet). Die von der Störung (59) kommenden Anteile (71) bzw. (72) werden weitgehend unabhängig von der jeweiligen Integrationsphasenlage nur im Rahmen der statistischen Eigenschaften des Störsignals (z.B. zeitlicher Mittelwert, Mittelwertdifferenzen, Streuung oder Varianz, usw.) Anteile zum Integrationswert beitragen. Das gilt für die Störfunktion (58) insgesamt, aber auch für nur kurze Abschnitte, wie z.B. zum Störungs-Abschnitt (69) im Bereich des Zuordnungsbalkens (28). Die Mittelwertdifferenz (73) aus diesem Abschnitt allein, aber auch von ganz vielen Abschnitten zusammen, wird i.a. klein sein und (ohne Offset) nahe bei Null liegen.
  • Die Andeutung einer Schaltfunktions-Ansteuerung (vgl. in z.B. Schalter (26) mit der Ansteuerung durch ein Signal (27)) mittels eines digitalen Signals (74) in ganz unten den betrachteten Integrationsintervallen (28) (30) zugeordnet, wird später wichtig. Wenn dieses Ansteuerungssignal (74) einen High-Pegel hat, wird das auszuwertende Signal (das aus der Summe von Nutzsignal und Störung besteht) z.B. auf einen Integrator geschaltet.
  • Die mit Intervallen (30) (31) angedeutete Phasenlage (Low-Pegel des Ansteuerungssignals (74)) kann eine zweite Messung darstellen, bei der die Ausschnitte aus dem auszuwertenden Signal auf den Integrator geschaltet werden und in gleicher Weise verarbeitet werden, wie zuvor bei der komplementären Schalterstellung. Damit wären mit zwei getrennt auszuführende Einzelmessungen dargestellt.
  • Die mit Intervallen (30) (31) angedeutete Phasenlage (Low-Pegel des Ansteuerungssignals (74)) könnte aber auch eine zweite, bezogen auf die jeweilige (Gesamt-)Messdauer parallel und (fast) gleichzeitig ablaufende Messung darstellen, bei der das auszuwertende Signal lediglich auf z.B. einen zweiten Integrator geschaltet wird, aber in gleicher Weise verarbeitet wird, wie bei der komplementären Schalterstellung zuvor. (In ebenfalls nur mit einem Symbol für das Integral (36), hier aber zur Unterscheidung einem weißen Pfeil (37) angedeutet). Eine solche zugleich erfolgende Doppelauswertung wird im SdT aber i.a. nicht genutzt.
  • Technisch wird auf dem SdT die zeitlich sich periodisch wiederholende Ausschnittauswahl und die darauf dann folgende(n) Integration(en) z.B. realisiert, indem das gleiche Signal, das zur Aussendung kommt, auch für die Ausbildung einer Ansteuerung der Schalterfunktion verwendet wird. Diese Phasenlage der Integrationsintervalle bzw. Signalausschnitte muss für eine Messung lediglich in kontrollierter Weise mittels eines Phasenschiebers (vgl. (19)) so lange verschoben werden, bis bei einer definierten Phasenlage Integrationswerte (Summe der abschnittsweise integrierten Signalfunktion) gefunden werden, die maximal sind. (Alternativ und gleichwertig kann die Phasenlage gesucht werden, die einen minimalen Integrationswert liefert).
  • stellt schematisch eine technische Ausführung zur Signal-Auswertungsstrategie gemäß dar; wieder für das Beispiel einer Distanzmessung, ohne damit die Anwendung der Erfindung darauf zu beschränken: Die Komponenten zur Realisation des Messprinzips bestehen auch hier aus einem Generator (14), der ein Signal (15) erzeugt, das aufbereitet und ausgesendet (16) wird und nach Reflexion (17) an einem Objekt wieder empfangen wird; dies entspricht der bisherigen Darstellung. Hinzu kommt hier ein Phasenschieber (19), der ein aus dem Generatorsignal abgeleitetes Schalter-Ansteuerungs-Signal (27) zeitlich verschieben kann und der eine Schalterfunktion (26) ansteuert, mit der das zur Analyse anstehende Signal (18) bei geschlossenem Schalter auf die nachfolgende Integrationsstufe (21) geschaltet werden kann. Das zur Analyse zur Verfügung stehende Signal (18) besteht, wie beschrieben, aus der Summe der in dargestellten verschiedenen Signalkomponenten (Nutzsignal (58) und Störung (59)).
  • Die Schaltfunktion (26) wird also von dem Signal (27) angesteuert (vgl. in auch das Signal (74)), das vom Generatorsignal direkt abgeleitet wird (was im SdT Frequenzgleichheit garantiert) und das durch einen Phasenschieber (19) in seiner Phasenlage gegenüber dem Generatorsignal (15) variiert werden kann; d.h. der Schalter (26) wird mit genau der Frequenz des Generatorsignals geöffnet (z.B. wenn das Signal (27) logisch 0 ist) bzw. geschlossen (z.B. wenn das Signal (27) logisch 1 ist). Nur die Signalteile, die bei geschlossenem Schalter (26) auf den Eingang (20) des Integrators (21) gelangen, werden sich im Ausgangssignal (22) des Integrators (21) auswirken.
  • Wichtig ist: Die Einstellung des (justierten und z.B. manuell einstellbaren) Phasenschiebers (19), geeicht in Zeit oder Phase, ist der eigentliche Messwert; der Integrationswert stellt gewissermaßen nur einen Indikatorwert bereit: Aus diesem Messwert (also nicht aus dem Integralwert) kann auf die relative Phasenlage des im Empfangssignal (18) enthaltenen Nutzsignals zum Generatorsignal (15) geschlossen werden, wenn mit variierender Einstellungen am Phasenschieber ein minimaler oder maximaler Integralwert gefunden worden ist.
  • Da der Phasenschieber (19) es erlaubt, die Phasenlage der Integrationsintervalle mittels der Schalteransteuerung bezüglich des vom Generator (14) kommenden Signals (15) variabel einzustellen, ergibt sich bei jedem Einstellwert jeweils nur ein Integralwert am Ausgang (22) des Integrators (21). Es wird also bei einer jeweils eingestellten Phasenlage auch nur ein relativer Indikatorwert (der Integrationswert) gefunden, der es erlaubt, genau diesen einen (am Phasenschieber eingestellten) Messwert (relativ) einzuordnen; relativ, weil man gleichartige Messungen zur jeweiligen Umgebung durchgeführt haben muss (woher sonst will man wissen, dass ein Maximum vorliegt).
  • Diese so (einzeln) ermittelten Messwerte ergeben zusammen mit den Integralwerten, die über den jeweils am Phasenschieber eingestellten Phasenwerten aufgetragen werden, eine (vorerst nur in der Vorstellung bestehende) Kurve (23) ( unten). Der jeweils am Phasenschieber eingestellte Wert φ wird als Argument der Kurvenfunktion auf der Abszisse eines I-φ-Koordinatensystems aufgetragen. Bei dem in der Kurve (23) ( ) dargestellten maximalen Integralwert (25) gibt der jeweilige Einstellwert (24) also an, dass hier die positive Halbwelle des Nutzsignals im auszuwertenden Signal (18) gerade (hier nur fast) mit der geschlossenen Schalterstellungen (26) übereinstimmt.
  • Hier wird ein wichtiges Problem des Lock-In Verstärkers deutlich: Um die einzelnen Werte innerhalb dieser Kurve zu gewinnen, muss man jeweils die Integrationszeit der Anordnung abwarten. Auch wenn die Kurve nicht explizit in Erscheinung tritt und/oder wenn sie evtl. gar nicht vollständig durchfahren wird, bleibt das Problem der Messdauer unmittelbar damit verbunden: Die Zeit, bis sich das Signal aus dem Rauschen herausgehoben hat, ist prinzipiell für jeden einzelnen Integralwert (Integrationswert für die einzelne Phasenschiebereinstellung) abzuwarten. Diese Integrationszeit (bei Lock-In Verstärkern auch als Zeitkonstante bezeichnet) kann u.U. sehr groß sein; das hängt vom Signal-Rausch-Verhältnis ab, mit dem Signal und Rauschen jeweils vorliegen. Und selbst wenn ein großer Integrationswert während einer Messung gefunden sein sollte, kann man nicht ganz sicher sein, ob man wirklich am eigentlichen Maximum liegt (vgl. in z.B. die Lage des echten Maximums mit der Lage (24) eines durch die Messung gefundenen Maximums (25)). Mit anderen Worten: der zu erwartende Fehler und/oder die Zeitdauer, bis eine solche Messung wirklich nutzbar ist, sind keine unabhängig voneinander zu sehenden Größen und/oder werden nicht gerade ganz klein sein.
  • Mit einem gefundenen (z.B.) Maximalwert kann dann aber die Gesamtlaufzeit des Signals (gemessen vom Generator (14) bis zum zur Auswertung bereitgestellten Signal (18) ermittelt werden. Von der u.U. auch notwendigen Korrektur technisch bedingter Laufzeiten sei hier abgesehen, da das für die Darstellung der erfindungsgemäßen Gedanken unerheblich ist und durch die Ausbildung von Referenzen recht weit gehend eliminiert werden kann.
  • Ein Minimalwert in der Kurve (23) der . entspricht einer Phasenlage des geschlossenen Schalters (26), die mit den negativen Halbwellen des Nutzsignals (in z.B.: (30) (31)) übereinstimmt und kann hier, z.B. als zweite Messung, mit der dazugehörigen Einstellung am Phasenschieber (19) ebenfalls aufgefunden werden.
  • Die mit dem Phasenschieber (19) eingestellte Phasenlage (Signal (27)) und der zu dieser eingestellten Phasenlage (24) ermittelte Integrationswert (22) stellen also jeweils Wertepaare bereit, die zusammen nur eine einzelne Stelle im Kurvenverlauf (23) ergeben.
  • Ein wichtiger Aspekt ist an dieser Stelle zu sehen: Dieser lediglich durch viele verschiedene Einstellwerte ermittelte Kurvenverlauf (23) ist (bisher) zwar ein vielleicht elegantes, die Einzelergebnisse zusammenfassendes Konstrukt und ist z.B. auch zum Einschätzen von noch zu erwartenden oder zu interpolierende Zwischenwertepaaren nützlich, hat aber bis zu diesem Zeitpunkt - wie bei den Lock-In-Verstärker-Anordnungen des bisherigen Stands der Technik - noch keine andere Referenz, als die Einstellung am Phasenschieber selbst.
  • Daran ändert auch ein evtl. automatisiertes Anfahren oder Durchfahren von Einstellwerten am Phasenschieber grundsätzlich nichts. Die Einstellanzeige am Phasenschieber muss bzgl. des vom Generator (14) erzeugten Messsignals (15) geeignet und gut geeicht sein, was kein prinzipielles Problem darstellt, aber oft ein mühsamer und auch nicht fehlerfreier Vorgang ist.
  • Ende Hintergrund Lock-In-Verstärker
  • Derartige Anordnungen sind für einige spezifische Fehler anfällig:
    • Zunächst kann man erkennen, dass ein jeder Fehler in der Einordnung der Phasenbeziehung zwischen Generatorsignal (genauer: dem auf die Messstrecke gehenden Signal) und dem Schalteransteuerungssignal (bei Homodynanordnungen dem jeweiligen Referenzsignal) als systematischer Fehler in eine Messung mit einem Lock-In-Verstärker eingeht. Technische Anordnungen und Einstellstellvorgänge sind aber in der Regel mit einem Fehler behaftet.
  • Ein weiterer Fehler entsteht durch Offsetanteile im zu analysierenden (analogen) Signal (18). Offsetanteile aus der vor der Integrationsstufe (21) liegenden Elektronik können große Fehleranteile in den Integralwerten (22) verursachen. Auf Grund der evtl. sehr langen Integrationszeiten können sich zudem auch noch während einer laufenden Messung Parameter einer Messanordnung ändern, was eine weitere Fehlerquelle darstellt. Um diese Fehler weitgehend zu vermeiden oder zumindest zu minimieren kann daher die Nutzung von Differenzintegratoren oder die Differenzbildung von Integralwerten sinnvoll sein.
  • In diesem technischen Rahmen und Umfeld ist es Aufgabe der Erfindung, Verfahren zur Bestimmung der Phasenlage eines Nutzsignals in einem u.U. stark gestörten Signal mit Lock-In-Verstärker in einer Lock-In-Verstärker-Anordnungen der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem die möglichen Phasenlagen automatisch durchfahren und untersucht werden, zudem einen genauen Referenzbezug bereitstellen, den Nutzbereich für diese Technik zu erweitern und weitere Nutzungsmöglichkeiten anzugeben.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Details des Anspruchs 1, insbesondere dadurch, dass eine Lock-In-Verstärker-Anordnung bereit gestellt wird, in der zwei Lock-In-Verstärker-Anordnung mit zwei Lock-In-Verstärkern und zwei Taktgeneratoren zusammen vorliegen, wobei die
    • - zwei Taktgeneratoren (z.B. hochfrequente) digitale Taktsignale mit einem nur sehr geringen Frequenz-unterschied von z.B. deutlich weniger als 1Hz erzeugen,
    • - aus beiden dieser digitalen Taktsignale je ein periodisches Messsignal abgeleitet und für eine Messung auf mindestens einer Messstrecke genutzt wird (oder genutzt werden kann) und
    • - aus beiden dieser digitalen Taktsignale je ein Schalteransteuerungssignal abgeleitet wird, das jeweils eine Schalter-Funktion periodisch zur komplementären Entnahme von Messsignal-Abschnitten und zur Weiterschaltung auf nachgeschaltete Integratoren ansteuert, so dass
    • - aus den Integralwerten eine Differenz gebildet werden kann und schließlich
    • - als Referenz mindestens ein digitales Schwebungssignal aus den Taktsignalen der beiden Generatoren für die Bestimmung von Phasenlagen gewonnen wird,
  • Zunächst zeigt schematisch - als Voraussetzung für eine solche erfindungsgemäße Differenzbildung gegenüber dem SdT - die Ausbildung und Nutzung der komplementären Signalanteile. Die Darstellung entspricht i.W. der , erweitert aber die dort vorgesehene einzelne Integrationsstufe (21) um eine weitere, setzt also zwei Integrationsstufen (64) (65) ein. Je nachdem wie der Umschalter aktuell vom Schalteransteuerungssignal (60) angesteuert wird, werden die zugeordneten, komplementären Abschnitte aus dem u.U. stark gestörten Messsignal (61) auf zwei getrennten Signalwegen (62) (63) weitergeleitet. In jedem dieser Signalwege befindet sich jeweils ein Integrator (64) (65), die jeweils die aufgeschalteten komplementären Signalanteile integrieren und an ihren jeweiligen Ausgängen (67) (68) ein der Kurve (23) aus entsprechendes Signal bereitstellen, das jeweils komplementären Signalabschnittes des Nutzsignals im Messsignal (61) zuzuordnen ist. Diese beiden Kurven werden aufgrund der um 180 Grad verschobenen (komplementären) Signalentnahmen gegenläufig verlaufen.
  • führt schematisch auf dieser Grundlage dann die Differenzbildung (116) aus, die mit Operationsverstärker oder Komparator leicht realisiert werden kann: Diese erfindungsgemäße Lock-In-Verstärker-Anordnung entspricht in Teilen den und : Zu erkennen sind die hier vorgesehenen zwei Integrationsstufen (114) (115) mit Ausgangssignalen (121) (122) und schematisch die sich daran anschließende Differenzbildung mittels Operationsverstärker oder Komparator (116), aus der ein Ausgangssignal (123) gebildet und bereitgestellt werden kann. Die Darstellung der entspricht damit weitgehend der , bildet aber zudem mit einem D-FlipFlop (124) das sogenannte digitale Schwebungssignal (120) aus, das eine sehr wichtige Referenz zur Einordnung des Signals am Ausgang (123) des Komparators (116) darstellt.
  • Die digitale Schwebung ist essenziell und wird anhand von unten noch definierend dargestellt.
  • Teile der Anordnung der bereits beschriebenen sind in wieder zu erkennen: Ein Generator (101) erzeugt ein Signal (103) mit einer Frequenz f1, das geeignet aufbereitet wird (104), von einem Sendeelement (105) (Antenne, Schallgeber, LED, Laser, usw.) ausgesendet wird (107), an einer Objektoberfläche (108) reflektiert wird (109), vom Empfangselement (110) empfangen wird, wieder geeignet aufbereitet wird (113) und so, also nach Durchlauf der gesamten Strecke, als ein u.U. stark gestörtes Signal (111) zur Auswertung der Phasenlage bereitsteht.
  • Die beiden Integrationszweige (114) (115) arbeiten parallel und sind komplementären Teilen einer Periode des Nutzsignals (genauer der Schalteransteuerungsfunktion) zugeordnet. Immer wenn der Schalter (126), angesteuert vom Steuersignal (127), die in gezeigte Schalterstellung hat, wird das Signal (111) auf die obere Integratorstufe (114) geleitet, wenn der Schalter (126) die komplementäre Stellung einnimmt, wird das Signal (111) auf die untere Integratorstufe (114) geleitet.
  • In dieser schaltet die Schalterfunktion (126) mittels Um-Schalter das Signal (111) von dem einen Signalweg mit einem ersten Integrator (115) (unten) auf einen anderen Signalweg mit einem zweiten (funktionell identischen) Integrator (114) um. Daraus ergibt sich ein zweites Signal (121) aus einer zweiten Integration, das in gleicher Weise wie das erste Signal (122) aus einer Integration (115) zu einer komplementären Schalter-Ansteuerungs-Phasenlage (127) (126) gewonnen wird. Damit liegen zwei in vergleichbarer Weise jeweils aus einer Integration stammende Signale (121) (122) vor, die jeweils komplementären Phasenlagen der Schalterfunktionsansteuerung zugeordnet sind.
  • Die gerade beschriebenen Schalterstellungen (und die jeweilige Zeitdauer) wurden in mit den oberhalb der Signale dargestellten Intervallen (28) (29) in der ersten Schaltposition symbolisch dargestellt und beschrieben; die unterhalb dargestellten (komplementären) Intervalle (30) (31) gehören zur zweiten Schaltposition. Wie zur beschrieben, kann aus beiden Signalen (121) (122) je eine Kurve (23) ermittelt werden. Es ist erkennbar, dass dann, wenn die eine Kurve ein Maximum aufweist, die andere Kurve ein Minimum aufweisen wird und umgekehrt.
  • Im Bereich zwischen diesen beiden Min/Maxpositionen werden von den Integratoren auf jeden Fall Werte erzeugt, die zwischen den jeweiligen minimalen und den jeweiligen maximalen Werten liegen. Da die erfindungsgemäße Anordnung der komplementäre Intervalle für die Integration nutzt und diese jeweils unmittelbar aufeinander folgen, wird dadurch jeweils nach dem Durchlauf einer halben Periode, die jeweils komplementäre Situation vorliegen: Wo zu einer gegeben Schalterphasenlage vorher z.B. ein Maximum vorlag, wird jetzt ein Minimum liegen und umgekehrt. Irgendwo zwischen diesen beiden Situationen bzw. Signallagen bzw. Schalterphasenlagen muss zwangsläufig eine Umkehrung des Verlaufs der Integralwerte aus dem Nutzsignal stattfinden, also ein Nullpunkt vorliegen. Der Zeitpunkt, zu dem dies stattfindet, ist ein relativ eindeutiger, hängt aber von der Art des Signals ab; wenn das Signal sinusförmig ist, wird dieser Zeitpunkt mittig zwischen der Minimum- und der Maximum-Position liegen, bei symmetrischen Funktionen ebenfalls. Diese Nulldurchgänge sind ebenso eindeutig zur Bestimmung der Phasenlage geeignet, wie die Maxima oder Minima.
  • Dieser Durchgang der Kurvenverläufe, der z.B. mit Operationsverstärkern oder Komparatoren gut ermittelt werden kann, kann (ebenso wie ein Minimum oder Maximum im Kurvenverlauf) als ein eindeutiges, die Phasenlage des Nutzsignals im gestörten Signal wiedergebendes Messwertereignis angesehen werden. Der Zeitraum zwischen diesem eindeutigen Messwertergebnis und der digitalen Schwebung (bezogen auf jede Flanke im wechselseitigen Verhältnis) kann also auch als das eigentliche Signal, bzw. Messergebnis des Lock-In Verstärkers angesehen und genutzt werden.
  • Wenn das Ansteuerungssignal (127) für den Umschalter (126) (das in zum SdT aus der Generatorfrequenz abgeleitet und mit einem Phasenschieber (19) verschieblich einstellbar war) in erfindungsgemäß aus einem zweiten Generator (102) gewonnen wird, dessen Taktfrequenz f2 fast mit der Frequenz f1 des ersten Generators (101) übereinstimmt, liegt eine erfindungsgemäße, mittels einer digitalen Schwebung in der niederfrequenten Kurve (23) referenzierbare Lock-In-Verstärker-Anordnung vor. Die Frequenzdifferenz wird/muss aber im Milliherz-Bereich (mHz) und sogar darunter liegen.
  • Das Referenzsignal (120) in wird mit einem D-FlipFlop (124) aus den Taktsignalen der beiden Generatoren (101) (102) gewonnen. Die Differenzbildung mittels Komparator oder Operationsverstärker (116) liefert als Messwertverlauf für die Phasenmessung auf der Strecke ein analoges (Kurve (23)) oder digitales Signal, das anhand der Referenz genau eingeordnet werden kann. Die Ausgangssignale (121) (122) der Integratoren (114) (115) entsprechen je einer solchen Kurve (23) und liegen (bezogen auf das Nutzsignal) aus um 180° versetzten, komplementären Zugriffen vor. Dies kann bei geeigneter Einstellung der Phasenlage des Ansteuerungssignals (127) z.B. in dem einen Integratorzweig (114), wie zur schon gezeigt, zu einem Maximum im Kurvenverlauf (23) führen; im komplementären Zweig (115) kommt zum gleichen (Mess-)Zeitpunkt ein Minimum vor. Der Differenzwert aus beiden Integrations-Werten (vgl. in (42)) würde - jetzt besonders deutlich - ebenfalls ein Maximum zeigen; auch ein solcher Differenzwert (der nichts anderes als eine Kurve (23) wiedergibt, nur z.B. offsetfrei ist) bildet also, ebenso wie die Kurve (23) aus ein ebenso nutzbares Signal aus.
  • Da beide Integrationsstufen mit dem i.W. gleichen Offsetanteil des Signals arbeiten (wenn ein solcher vorhanden ist), fallen die durch einen solchen evtl. vorhandenen Offset im Signal (111) verursachten Fehler aus dieser Differenz heraus; ein ganz wesentlicher Vorteil dieser Differenzbildung.
  • Wie zu Beginn ausgeführt, können unter dem Begriff Lock-In-Verstärker unterschiedliche technische Konstrukte gefunden werden. Obwohl in der Wirkung und nach geeigneter Interpretation auch bzgl. der Funktionalität evtl. vergleichbar, aber nicht identisch, wird die Technik der Lock-In-Verstärkern oft begrifflich nicht einheitlich und eindeutig zugeordnet genutzt. Aus diesem Grund soll hier definiert werden, welche Komponenten bei den hier in Frage stehenden „Lock-In-Verstärker“ vorhanden sein sollen bzw. welche Komponenten hier zusammengefasst werden, die (z.B. als ein Modul) unter dem Begriff „Lock-In-Verstärker“ gesehen werden sollen.
  • Per Definition sollen das, dem Signalverarbeitungsverlauf folgend, hier sein (vgl. ):
    • - Ein Signalzuführungspunkt, an dem die (gestörte, bereits geeignet aufbereitete, evtl. schon verstärkte und evtl. auch noch gefilterte) Signalfunktion (111) dem Lock-In-Verstärker als zu analysierende Funktion zugeführt wird,
    • - eine Schalterfunktion (126) mit der die Signalfunktion (111) in komplementäre Teile aufgeteilt und (sich periodisch wiederholend) während je einer Hälfte einer (Schalter-) Periode den beiden folgenden Integratoren (114) (115) abwechselnd zugeführt werden kann,
    • - Ein Signalzuführungspunkt, an dem ein Signal (127) zur Steuerung der Schalterfunktion (126) (Schaltersteuerungssignal) zugeführt wird (bei Homodyanordnungen entspräche das dem Referenzsignaleingang),
    • - die beiden Integratoren (114) (115), die jeweils die komplementären Abschnitte des Signals (111) integrieren und diese über einen längeren Zeitraum summieren, wodurch zwei in gleicher Weise ausgewertete, aus um 180° verschobenen Phasenlagen stammende, Signale (121) (122) entstehen, die i.a. nur als Zwischensignale zu sehen sind, nach außen nicht abgegeben werden müssen, aber nach außen abgegeben werden können (die eine liefert eine mit Kurve (23) vergleichbare, die andere die gegenläufige Kurve),
    • - ein Komparator (oder Operationsverstärker) (116), der aus dem Vergleich der beiden Integratorsignale (121) (122) bevorzugt ein digitales Signal (123) bereitstellt und für den
    • - ein Signalabführungspunkt vorgesehen ist, der als Ausgang des Lock-In-Verstärkers nach außen führt.
  • Der Rest der Schaltungsanordnung der wird als nicht zum Lock-In-Verstärker gehörig angesehen. Die Gesamtschaltung der stellt eine Anwendungsschaltung, also eine Lock-In-Verstärker-Anordnung unter Nutzung des so definierten Lock-In-Verstärkers dar.
  • An dieser Stelle sei erwähnt, dass - ohne den Bereich der Erfindung damit zu verlassen - die im so definierten Lock-In-Verstärker vorgesehene Integration von komplementären Abschnitten einer Signalperiode mit anschließender Differenzbildung ersetzt werden kann durch
    • - eine zuerst ausgeführte Differenzbildung der komplementären Abschnitte einer Signalperiode mit einer daran anschließenden Integration oder durch
    • - eine zuerst ausgeführte Tiefpassfilterung mit anschließender Differenzbildung mit daran sich anschließender Integration oder durch
    • - jede beliebige technische Realisation der Operation
      • o Integration mit anschließender Differenzbildung oder
      • o Differenzbildung mit anschließender Integration.
  • An dieser Stelle sei zudem erwähnt, dass die in einem so definierten Lock-In-Verstärker vorgesehene Bereitstellung und Integration von komplementären Abschnitten aus jeweils einer Signalperiode mit der sich anschließenden Differenzbildung ersetzt werden kann durch eine in einer Brückenanordnung liegende geschaltete Kapazität.
  • Da diese Art der Betrachtung auch in anderem Zusammenhang wichtig ist, soll die zugehörige Signalverarbeitung anhand der (nur die Wirkung auf die Nutzfunktion wird dargestellt) noch einmal genauer betrachtet werden: Den Integratoren ( (114) (115)) werden von der zu analysierenden Funktion ( (111)) periodisch wiederholend, abwechselnd jeweils Hälften (komplementäre Ab- bzw. Ausschnitte) während einer (Schaltergesamt-) Periode zugeführt. Dadurch werten die beiden Integratoren die im gestörten Signal enthaltene periodische Komponente in gleicher Weise aus, haben aber aus der Schalteransteuerung untereinander eine um 180° verschobene Phasenlage.
  • Um (in ) die Integrationsintervall-Zuordnung nachvollziehen zu können, sind diese Zeitintervalle wieder durch Balken (28) (29) (30) (31) dargestellt. Das obere Diagramm (umrandet) entspricht oben, daher sind die Bezeichner gleich. Oberhalb und unterhalb der jeweiligen Zeitfunktion stellen diese Balken die Integrations-Zeitintervalle dar, repräsentieren so also die Schalterstellung und die Zeitdauer der Schalterstellung des Schalters (126) bzgl. der Lage des Nutzsignals. Die Auswirkungen der Operationen „Aufschalten und Integrieren“ werden auch in dieser wieder nur durch Integralsymbole (36) und Pfeilzuordnungen (38) (37), auch (41), zugeordnet. Die Lage des Nutzsignals ist in den drei übereinander dargestellten Situationen gleich, nur die Integrationsintervalle liegen unterschiedlich. Bezüglich des Störsignalverhaltens gilt das zur bereits dargestellte.
  • zeigt zum Nutzsignal für drei der z.B. mittels eines Phasenschiebers (nicht dargestellt) einstellbaren Phasenlagen die Wirkung der Integration und das Integrationsergebnis sowie als Ergebnis die Differenzwerte (für offsetfreie Nutzsignale):
    • - In der Darstellung (der Signal-Schalterlage) oben
      • o liegen in den Intervallen (28) (29) die positiven Halbwellen (32) (33) des Nutzsignals; damit entsteht ein besonders hoher (positiver) Integrationswert (40) (Summe der Flächen (32) (33));
      • o die komplementären Intervalle (30) (31) stimmen mit den negativen Halbwellen (34) (35) überein, so dass der auf gleiche Weise gewonnene Ausgangswert (41) aus dieser Integration (37) besonders klein, hier (per Definition) negativ sein wird;
      • o die Differenz (42) zwischen den beiden Integrationswerten (40) (41) ist jetzt besonders groß und per Definition positiv (maximale Differenzwerte liegen also zeitlich genau dann vor, wenn sich auch mit nur einem Integrationszweig ein Maximum ergibt (vgl. die Betrachtungen zur ); die Auswirkung eines Offsets im Nutzsignal wäre in dieser Differenz kompensiert;
    • - In der Darstellung (der Signal-Schalterlage) unten entstehen lediglich komplementäre Werte zur obigen Lage:
      • o während der oberhalb dargestellten Integrationsintervalle (52) liegen Werte vor, die mit den negativen Halbwellen des Nutzsignals übereinstimmen; es entsteht das gleiche Ergebnis, wie oben mit den Integrationsintervallen (30) (31);
      • o während der unterhalb dargestellten Integrationsintervalle (53) liegen Werte vor, die mit den positiven Halbwellen des Nutzsignals übereinstimmen; es entsteht ein Integrationswert (56) wie oben zu den Integrationsintervallen (28) (29));
      • o die Differenz (57) zwischen diesen beiden Integrationswerten (56) und (55) ist jetzt wieder besonders groß, ist jetzt aber (per Definition) negativ, weil die Integralwerte gegenüber der Situation oben vertauscht vorliegen; die Auswirkung eines Offsets im Nutzsignal wird auch hier kompensiert;
    • - In der Darstellung (der Signal-Schalterlage) Mitte
      • o ergeben sich i.W. sehr kleine Integrationswerte bzw. Nullwerte (49) (50), weil bei den dargestellten Lagen der Integrationsintervalle (43) (44) (47) jeweils gleich große positive und negative Halbwellenanteile (45) (46) des Nutzsignals vorliegen,
      • ◯ Die Differenz (51) zwischen den Integrationswerten (59) (51) wird in jedem Fall bei einer bestimmten Phasenlagen-Einstellung sehr klein und wird im Kurvenverlauf der Differenz der Integrationswerte bei einer entsprechenden Einstellung der Phasenlage am Phasenschieber bzw. der Schalteransteuerung einen Nulldurchgang aufweisen bzw. einen solchen durchlaufen.
  • Man kann erkennen: Sollte in dieser Anordnung ( ) das Nutzsignal (111) einen Offset aufweisen, dann wird jeder Integrator den Offsetwert in gleicher Weise verarbeiten. In den Werten einer Integration mit nur einem Integrationszweig stellt das ein Problem dar, weil ein Offsetwert den Integralwert stetig ansteigen (oder abfallen) lassen wird. Bei einer Integration mit anschließender Differenzbildung fällt die Offsetkomponente mathematisch heraus.
  • In einer realen Ausführung ist aber natürlich in allen Fällen zu beachten, dass die Elektronik, mit der diese Integratoren realisiert oder nachgebildet werden, nicht in die Sättigung oder Begrenzung laufen darf. Die dafür möglichen technischen Lösungen sind zu beachten; die notwendigen technischen Lösungen sind heranzuziehen.
  • In unten sind zu den drei gerade dargestellten Situationen (Signal-Schalterlagen oben, Mitte, unten) jeweils die dazu passenden, mittels Phasenschieber (oder auch beliebig anders) eingestellten Ansteuerungssignale für die Schalterfunktion dargestellt:
    • - Die Lage des ersten Steuerungssignal (74) bewirkt eine Öffnung und Schließung des Schalters so, dass die Integrationsintervalle (28) (30) (29) (31) wie oben dargestellt liegen.
    • - Die Lage des zweiten Steuersignal (75) bewirkt eine Öffnung und Schließung des Schalters so, dass die Integrationsintervalle (44) (43) (47) wie in der Mitte dargestellt liegen.
    • - Die Lage des dritten Steuersignal (76) bewirkt eine Öffnung und Schließung des Schalters so, dass die Integrationsintervalle (53) (52) wie unten dargestellt liegen.
  • Die unterschiedlichen Phasenlagen der Ansteuerungssignale (74) (75) (76) werden im SdT durch Änderung der Einstellung an einem Phasenschieber (vgl. (19)) bewirkt (in wurde das Ansteuerungssignal (74) bereits - mit gleichem Bezeichner - eingeführt). Eine Änderung der Einstellung am Phasenschieber bewirkt nun z.B. eine zeitliche Verschiebung (77) (78), so dass z.B. die Phasenlage des Ansteuersignals für eine Schalterfunktion aus dem Zustand (74) (Intervallzuordnung der oben) in den Zustand (75) (Intervallzuordnung der Mitte) übergeht und weiter in den Zustand (76) (Intervallzuordnung der unten) übergehen kann. Der Pfeil (79) deutet hier z.B. die Schieberichtung einer fortschreitenden Einstellung am Phasenschieber an; diese Verschiebung kann (bzgl. der Phasenlage relativ zum Generatorsignal) stufenweise oder gleichmäßig kontinuierlich fortschreitend erfolgen; diese Verschiebung kann (zeitlich) schnell oder langsam erfolgen.
  • Für jede bei einer definierten Phasenlage durchgeführte Integralwertbestimmung muss aber die benötigte Integrationszeit abgewartet werden.
  • In einem gewissen Sinn wird bei diesem Vorgang ein (digitales Ansteuerungs-) Signal (74) als ein erstes Signal mit einer Frequenz f1 an einem zweiten, im Rauschen verborgenen Nutzsignal mit der gleichen Frequenz f1 durch die (gleichmäßig) fortschreitend sich ändernde Einstellung vorbei geschoben (was hier als Phasenverschiebung gesehen und so bezeichnet wird). Dabei ergeben sich die drei unterschiedlichen Intervallzuordnungen der als Momentaufnahmen für die Integrationsausschnitte des Nutzsignals oben, Mitte und unten. Jeder solche Zustand muss für eine u.U. lange Zeit, zumindest für die Zeit der Messung mit Integration und Differenzbildung stabil bleiben.
  • Eine so jeweils vom Ansteuerungssignal definierte (für die Integrations-Gesamtdauer stabil gehaltene) Ausschnitts-Auswahl, zeitlich verschieblich und periodisch sich wiederholend, wird aus dem gestörten Signal entnommen und integriert bzw. summiert.
  • Zu jeder Verschiebesituation von Schalt-Ansteuerungssignal und Nutzsignal (im SdT mit gleicher Frequenz) zueinander wird also ein Integralwert ermittelt. Die Integrationswerte aus allen Verschiebepositionen ergeben z.B. erst den ermittelten Kurvenverlauf (23) (39) und dieser Kurvenverlauf erlaubt auf die Phasenlage eines im gestörten Signal enthaltenen Signals gleicher Frequenz zu schließen (Und an sich erlaubt auch erst dieser Kurvenverlauf (23) eine solche Einordnung, auch wenn er i.a. nicht explizit zur Darstellung kommt).
  • Prinzipiell ist nun aber eine Phasenverschiebung von einem von zwei Signalen (mit gleicher Frequenz, manuell langsam und kontinuierlich ausgeführt) nicht zu unterscheiden von der Verschiebung der Phasenlagen zwischen zwei Signalen mit einer gering unterschiedlichen Frequenz. Es ist nur zu definieren, welches Signal als Referenz dienen soll und wie klein die Frequenzdifferenz sein soll. Es ist nämlich an sich gleichwertig, eine fortschreitende Phasenlagenänderung
    • - zwischen zwei Signalen derselben Frequenz f1 durch eine (langsam und kontinuierlich ausgeführte) Phasenverschiebung eines dieser Signale relativ zu dem anderen Signal zu erreichen oder
    • - die fortschreitende Phasenlagenänderung eines Signals mit der Frequenz f1 zu einem zweiten Signal (das zeitlich parallel liegt) dadurch zu erreichen, dass dies die Frequenz f2=f1+df hat, wenn df nur geeignet klein gewählt wird, z.B. 0,01Hz oder kleiner.
  • Beide Signale, z.B. an einem Oszilloskop betrachtet, zeigen (bei kleiner Frequenzdifferenz) in beiden Fällen das gleiche Verhalten: Die Funktionsbilder der beiden Signale verschieben sich durch die Änderung der Phasenlagen in vergleichbarer Weise langsam gegeneinander.
  • Bei einer Nutzung ist zu beachten: Ein einzelnes, als Momentaufnahme zu sehendes Messereignis mit einer dazu definierten Verschiebungslage muss so lange (quasi-)stabil eingestellt sein, dass die bei dieser einen Lageposition durchgeführte Integrationsoperation unter quasi stabiler Bedingung erfolgt ist (d.h., dass die Frequenzdifferenz dafür sehr klein sein muss, z.B. 1Hz, 0,1Hz, 0,01Hz oder sogar noch kleiner; d.h. dass z.B. 100s oder sogar mehr zur Erfassung der gesamten Kurve (23) als Messzeit vorzusehen sind).
  • Aus der DE10233604 der Anmelderin ist eine dort so genannte „digitale Schwebung“ bekannt, bei der zwei hochfrequente digitale Signale, die getrennt, aber mit dicht beieinander liegenden Frequenzen vorliegen, erzeugt und genutzt werden; die Frequenzdifferenz kann dabei beliebig klein ausgelegt werden.
  • Wird eines der beiden dort genutzten hochfrequenten digitalen Signale, die getrennt mit dicht beieinander liegenden Frequenzen vorliegen, zur Erzeugung eines Messsignals genutzt und das jeweils andere Signal für die Ansteuerung der Schalterfunktion (126), dann liegt eine mit der beschriebenen Lock-In-Verstärkertechnik gleich zu sehende Anordnung vor, in der jetzt aber ein digitales Schwebungssignal (120) als eindeutige Phasenlagen-Referenz für eine Bestimmung aller Phasenlagen von Signalen des Lock-In-Verstärkers vorliegt.
  • Eine ausreichend kleine Frequenzänderung vorausgesetzt, können und werden sich aus der Integration
    • - Minimalwerte dann ergeben, wenn die Schalteransteuerungsfunktion so liegt, dass stets die untere Halbwelle aus dem Nutzsignal herausgegriffen wird, bzw.
    • - Maximalwerte dann ergeben, wenn die Schalteransteuerungsfunktion so liegt, dass stets die obere Halbwelle aus dem Nutzsignal herausgegriffen wird (was i.a. bei dem komplementären Schaltzustand zum vorherigen vorliegt),
    • - und der Phasenlagenbezug über einen ausreichend langen Zeitraum gegeben ist.
  • Da sich mit der Periode der Frequenzdifferenz diese Vorgänge wiederholen, haben der Kurvenverlauf (23) und das Signal der digitalen Schwebung definitiv und eindeutig exakt die gleichen Perioden, können also in Beziehung zueinander gesetzt, betrachtet und ausgewertet werden.
  • Getrennt vorliegende hochfrequente digitale Signale mit sehr geringen Differenzfrequenzen können auf dem Stand der Technik als gegeben betrachtet werden. Zum Beispiel kann aus der DE10351416A1 der Anmelderin eine Ableitung von Signalen mit beliebig dicht benachbart liegenden Frequenzen entnommen werden. Eine dort beschriebene, mittels einer sogenannten Umschaltabtastung erreichte Signalerzeugung, stellt im gegebenen Kontext den zusätzlichen Vorteil bereit, dass u.U. der Umweg einer Rechteckerzeugung aus sinusförmigen Signalen (oder umgekehrt) wegfallen kann.
  • Die Signale aus einer Umschaltabtastung können (evtl. nach Filterung) vorteilhafterweise direkt in den vorgesehenen Anwendungen als Messsignale eingesetzt werden.
  • Hintergrund digitale Schwebung: Da „digitale Schwebung“ begrifflich nicht unmittelbar nachvollziehbar ist, deren Funktion hier aber essentiell ist, soll diese genauer definiert werden; es wird zusätzlich auf die DE10233596B1 verwiesen:
  • zeigt die Verknüpfung von Signalen, die in vergleichbarer Weise zur Ausbildung einer „Schwebung“ führen bzw. eine vergleichbar technische Wirkung (bzgl. ihrer Nützlichkeit) aufweisen:
  • In der oberen Hälfte der wird durch Addition (204) (gleichwertig ist eine Subtraktion) aus zwei in ihrer Frequenz geringfügig unterschiedlichen Sinussignalen (200) (201) ein Überlagerungssignal ausgebildet. Die sich ausbildende Hüllkurve ist typisch für ein Schwebungssignal. Die Phasenlage der beiden Sinussignale zueinander definiert zu jedem Zeitpunkt die Höhe dieses Überlagerungssignals: Die beiden Sinussignale können sich in der Summe mehr oder weniger gegenseitig aufheben, was zu einem Minimum (221) führt oder sich zur Summe der beiden Signalamplituden (200) (201) addieren, was zu einem Maximum (222) im Schwebungssignal führt. Nur bei gleichen Amplituden der beiden Sinussignale (200) (201) wird die Nulllinie vom Hüllkurvenverlauf erreicht.
  • Die zugrundeliegenden Sinussignale sind oben links mit zwei unterschiedlichen Skalierungen (202) (219) dargestellt. Im ersten Abschnitt (202) kann jeweils eine ganze Schwingung (mit einem gemeinsamen Null-Startzeitpunkt) gesehen werden; oben das Signal mit der kleineren Frequenz f2 (größere Periodendauer T2), unten das Signal mit der größeren Frequenz f1 (geringfügig kleinere Periodendauer T1). Daneben im anderen Zeitmaßstab (219) wären einzelne Sinusschwingungen nicht mehr zu erkennen, auch wenn das in der Darstellung bei (219) so erscheinen mag.
  • Werden diese beiden Sinussignale (200) (201) einer Additionsstufe (204) zugeführt, dann ergibt das (als Summe oder Differenz) (205) ein Überlagerungssignal (das Schwebungssignal) mit Minima (221) und Maxima (222) ( rechts oben). Auch hier wären (in einem Maßstab, in dem eine Hüllkurve mit Minimum bei (221) und Maximum bei (222) zu erkennen sein soll) einzelne Schwingungen nicht mehr zu erkennen, auch wenn die Darstellung das suggeriert.
  • Für technische Anwendungen ist oft eine ganz genaue zeitliche Detektion von Minima (221) (Nulldurchgang) und/oder Maxima (222) notwendig; auch, um die Phasenlagen solcher Hüllkurven relativ zu einer anderen Hüllkurve oder zu einer Referenz zu bestimmen. Eine solche Detektion stellt bei analogen Signalen i.a. eine hohe, oftmals gar nicht erfüllbare Anforderung dar. Derartige Probleme, die bei einer Detektion von Minima und Maxima mit Analogsignalen unweigerlich auftreten, sind bei einer digitalen Schwebungsbildung gar nicht vorhanden.
  • Der untere Teil dieser zeigt eine (digitale) Verknüpfung von zwei digitalen Signalen (211) (212) mit einer zu obigen Sinussignalen vergleichbaren Frequenzdifferenz, die mit D-FlipFlops (D-FFs) (214) realisiert werden kann. Das untere der beiden digitalen Signale (212), hier mit der größeren Frequenz (also der kleineren Periode T), wird hier dem Takteingang des D-FFs (214) zugeführt, das obere der beiden digitalen Signale (211), hier mit der kleineren Frequenz (also mit einer nur geringfügig größeren Periode T+dT), liegt am D-Eingang des D-FFs (214). Die Zuordnung der Signalfrequenzen zu den Eingängen ist willkürlich und kann ausgetauscht werden.
  • Die Perioden der zugrundeliegenden digitalen Signale entsprechen den Perioden der oben dargestellten Sinussignale und sind wieder mit zwei unterschiedlichen Skalierungen dargestellt. Dazu kann man annehmen, dass das jeweilige Vorzeichen des jeweiligen Sinussignals als digitales Signal dargestellt wird: Das digitale Signal hat einen High-Pegel, wenn das damit verglichene Sinussignal einen positiven Wert (oder 0) aufweist; das digitale Signal hat einen Low-Pegel, wenn das damit verglichene Sinussignal einen negativen Wert aufweist. Definiert wird also, dass das digitale Signal jeweils 1 (high) ist, wenn der Wert der Sinusfunktion über einer Nulllinie oder auf dieser liegt und jeweils 0 (low) ist, wenn der Sinuswert unter dieser Nulllinie liegt.
  • Die Zeitdifferenz dT (210) zwischen den beiden Perioden ist damit die gleiche, wie im obigen Beispiel mit Sinusfunktionen und kann z.B. bei 10MHz und einer 0,01 Hz Frequenzdifferenz 0,1fs (10-16 s) betragen.
  • Im Abschnitt (213) kann jeweils eine ganze Signalperiode des digitalen Signals mit einem gemeinsamen Null-Startzeitpunkt erkannt werden. Das digitale Signal kleinerer Frequenz f2 ist oberhalb (211) dargestellt, das Signal mit der geringfügig größeren Frequenz f1 darunter. Das eine dieser beiden digitalen Signale (211) wird auf den D-Eingang eines D-FlipFlops (D-FFs) (214) gegeben; das andere digitale Signal (212) wird als Takt für dieses D-FF genutzt.
  • Ein D-FF schaltet den zum Zeitpunkt einer Taktflanke am D-Eingang anliegenden (logischen) Pegel an den Ausgang (Q) durch und behält diesen Zustand bis zur nächsten Taktflanke.
  • Der Ausgang des D-FFs (214) (Q-Ausgang (215)) liefert ein digitales Signal, das rechts unten dargestellt ist: Die Flanken (216), (217), (218) und ein Zwischenzeitpunkt (223) sind in dieser Darstellung im digitalen Signal gekennzeichnet.
  • Zu diesen vier vergleichbaren zeitlichen Positionen im (niederfrequenten) Schwebungssignal (z.B. (221) (222) bzw. (216) (223) (217)) sind die Phasenlagen der zugehörigen hochfrequenten Signale explizit und im Detail dargestellt (206) (207) (208) (209). Der Vergleich der Signallagen an zeitlich gleichen Stellen (206) (207) (208) (209) macht deutlich: Am Ausgang (215) des D-FFs (214) ergibt sich ein digitales Signal, das im Ergebnis mit dem oberhalb dargestellten analogen Schwebungssignal am Ausgang (205) einer Additionsstufe (204) vergleichbar ist, weil die Flanken (216) (218) bzw. (217) im digitalen Signal (215) unten, dem Minimalwert (221) bzw. Maximalwert (222) im analogen Schwebungssignal entsprechen.
  • Unterhalb des (analogen) Schwebungssignals mit einem Minimum (221) und einem Maximum (222) sind diese vier einzelnen Zeitpositionen im Schwebungssignal einzelnen Sinusschwingungen zugeordnet, darunter ist das gleiche für digitale Signale dargestellt. Die Zuordnung der Zeitpunkte wird durch Pfeile dargestellt.
  • Die Kennzeichnungen (224) bzw. (225) stellen die Zuordnungen der digitalen HF-Signale zu den analogen Signalen zu den Zeitpunkten her, die schon bei den Sinusfunktionen dargestellt worden sind. Die Zuordnung der Phasenlage der digitalen Signale zu den Phasenlagen der Sinussignale in den Zeitintervallen (206) (207) (208) (209) entspricht dem Vorzeichen der zugeordneten Sinussignale. Wie man durch Vergleich sehen kann, sind die Phasenlagen der so miteinander verglichenen digitalen und analogen Signale (224) (225) in den Abschnitten (206), (207), (208) und (209) jeweils die gleichen.
  • Vergleicht man den zeitlichen Ablauf der Signalbildung und die Einzelzeitpunkte (206) (207) (208) (209) der analogen Signale (200) (201) und der analogen Signalverknüpfung (204) mit den digitalen Signalen (211) (212) und der digitalen Signalverknüpfung mit einem D-FF (214), dann kann man erkennen, dass sich - bis auf einen Faktor 2 - eine so digital erzeugte Schwebung nicht von einer Schwebung, die mit analogen Sinusfunktionen erzeugt worden ist unterscheidet.
  • Das mittels D-FF (214) derart aus zwei hochfrequenten, digitalen Signalen (211) (212) erzeugte Ausgangssignal (215) wird im Folgenden als „digitales Schwebungssignal“ bzw. als „digitale Schwebung“ bezeichnet. Bei einem solchen (digitalen) Schwebungssignal erübrigt sich eine Bestimmung der Lage von Minimal- und Maximalwerten: Diese Signalzeitpunkte liegen mit der gleichen Bedeutung, wie bei den analogen Signalen, durch Flankenzeitpunkte des (digitalen) Schwebungssignals bereits ganz genau vor.
  • Obwohl der Begriff „Schwebung“ eine andere ursprüngliche Bedeutung transportiert, soll zur begrifflichen Unterscheidung für dieses Signal hier der Begriff „digitale Schwebung“ genutzt werden, da mit dem digitalen Schwebungssignal für die Signalauswertung letztendlich die gleichen Informationen transportiert werden sollen, die auch dem analogen Schwebungssignal zu entnehmen wären. Ende Hintergrund digitale Schwebung.
  • Im gegeben Kontext ist bei Anwendungen mit Lock-In-Verstärkern anzumerken, dass der Aufwand für die zu verwendende Technik (von der Frequenzerzeugung abgesehen) klein ist.
  • Für eine (experimentelle oder kommerzielle) Fragestellung mit Lock-In-Verstärkern können die benötigten Frequenzen im jeweils benötigten Frequenzbereich und mit der benötigten Frequenzdifferenz z.B. mittels einer Umschaltabtastung aus der DE10351416A1 bereitgestellt werden. Der Durchlaufbereich zur Erfassung der Kurve (23) kann z.B. auf 100 oder mehr oder weniger Stützstellen beschränkt werden. Minima, Maxima, Nulldurchgänge können, wenn nötig, durch Interpolation oder Anpassung aus diesen wenigen Werten ausreichend genau bestimmte werden. Wichtig ist hier, dass mit einer so definierten digitalen Schwebung eine sehr genaue und stabile Phasenlagenreferenz für diese Minima, Maxima, Nulldurchgänge usw. gegeben ist, auf die alle mit der Lock-In-Anordnung gewonnenen Signalphasenwerte bezogen werden können, insbesondere das Signal am Ausgang (123) des Lock-In-Verstärkers.
  • Die erfindungsgemäße Kombination
    • - einer digitalen Schwebung (als Referenz) mit dem
    • - Lock-In-Verstärkerkonzept und der
    • - Erzeugung von getrennt vorliegenden, hochfrequenten digitalen Signalen
    bietet zum einen Neues, weil die mit geringer Frequenz sich gegeneinander verschiebende Phasenlage von zwei digitalen HF-Signalen mit geringer Frequenzdifferenz als Durchfahren der Phasenlagen eines Referenz-Signals bei einer Lock-In-Verstärker-Anordnung interpretiert werden kann (wo das bisher evtl. manuell geschieht). Aus den digitalen Signalen müssen lediglich das in einer Messung eingesetzte Messsignal und das Schalter-Ansteuerungssignal abgeleitet werden.
  • Das Konzept des Lock-In-Verstärkers kann aber schon mit dem dargestellten Ansatz sehr weit gehend erweitert werden, wie die unten dargestellten Anwendungen zeigen.
  • Nach der obigen Darstellung der digitalen Schwebung kann jetzt zunächst die Beschreibung der abgeschlossen werden, mit der u.a. die Verbindung von Lock-In-Verstärker mit der digitalen Schwebung erreicht wird: Das erste Taktsignal des ersten Generators (101) mit der Frequenz f1 wurde, wie schon beschrieben, für die Aussendung eines Messsignals (z.B. ein Lichtstrahl (107)) genutzt; der Ausschnitt zur Festlegung der Integrations-Teilstücke im Lock-In-Verstärker wird aus dem zweiten Signal eines zweiten Generators (102) mit der Frequenz f2 = f1+df; z.B. df=0,01 Hz abgeleitet bzw. festgelegt. Und dies stellt die Verbindung der Technik des Lock-In-Verstärkerkonzepts mit der digitalen Schwebungsbildung dar: Das digitale Schwebungssignal (120) wird mit einem D-FlipFlop (124) aus den Signalen des ersten Generators (101) bzw. (118) und des zweiten Generators (102) bzw. (117) erzeugt und stellt eine Referenz dar, bzgl. der alle auftretenden und ermittelten Signale eingeordnet werden können.
  • Da alle Vorgänge mit der Periode der Frequenzdifferenz sich wiederholen werden, haben der Kurvenverlauf (23) und das Signal der digitalen Schwebung definitiv und eindeutig die gleichen Perioden. Eine Flanke im digitalen Schwebungssignal gibt genau den Zeitpunkt an, an dem das für die Aussendung genutzte Signal mit der Lage des als Referenz erzeugten und für die Schaltfunktion genutzten D-Signals übereinstimmt (einmal invers).
  • Die Integratoren (114) (115) (vgl. ) erhalten - wie beschrieben - jeweils komplementäre Ausschnitte aus der (gestörten) Signalfunktion (111).
  • In einer erfindungsgemäßen Anordnung wird das eine Signal (103) ( ) von den beiden Generatoren (101) (102) mit sehr dicht beieinander liegenden Frequenzen (bzw. mit einer sehr kleinen Differenzfrequenz) aufbereitet (104) und ausgesendet (105), also zur Ausbildung eines Messsignals (107) genutzt; das andere Signal (117) (127) des anderen Generators (102) wird für die Ansteuerung der Schaltfunktion (126) und damit für Ausschnittauswahl und Aufschaltung des Signalausschnitts auf die Integratoren (114) (115) genutzt. Damit liegt eine mit einer Lock-In-Verstärker-Anordnung gleich zu sehende Anordnung vor; allerdings mit dem Zusatz, dass die digitale Schwebung (120) hier eine eindeutige Phasenlagen-Referenz für eine Bestimmung aller Phasenlagen bereitstellt. Diese Phasenlagenreferenz beschreibt mit den Flanken des digitalen Schwebungssignals den Zeitpunkt, an dem zwischen den beiden Taktsignalen der beiden Generatoren eine gleiche bzw. eine inverse Taktlagenzuordnung besteht.
  • An den Ausgängen (121) (122) der Integratoren (114) (115) stehen die Integrationswerte der Lock-In-Verstärkeranordnung bereit, aus denen mittels Komparator oder Operationsverstärker (116) hier der Differenzwert (123) berechnet oder genutzt werden kann.
  • Unter Nutzung eines Komparators (116) kann aus den gegenläufig verlaufenden Kurven an den Ausgängen der Integratoren ein eindeutiges digitales Signal erzeugt werden, das die Lage des Nutzsignals im empfangenen Signal (111) repräsentiert. Dieses Signal (123) in Relation zum Referenzsignal der digitalen Schwebung (120) gibt die Laufzeit des Nutzsignals, gemessen von seiner Erzeugung durch den Generator (101) bis zum aufbereiteten Signal, (111) mit extrem genauer Auflösung wieder.
  • Eine ausreichend kleine Frequenzdifferenz zwischen den Generatorsignalen (101) (103) bzw. (102) (127) vorausgesetzt, wird sich in (anwendungsabhängig und wie beim Konzept des Lock-In-Verstärkers vorgesehen) mit den Ausgangssignalen (121) (122) der Integrator-Stufen (114) (115)
    • - ein Minimal-Integralwert dann einstellen, wenn die Schalterstellung (126) für die Signalzuführung auf die nachfolgende Integratorstufe so ist, dass stets Minimalwerte des Nutzsignals im gestörten Signal der Integration zugeführt werden, bzw.
    • - ein Maximal-Integralwert einstellen, wenn die Schalterstellung (1126) für die Signalzuführung auf die nachfolgende Integratorstufe so ist, dass stest Maximalwerte des Nutzsignals im gestörten Signal der Integration zugeführt werden,
    wenn das System eine jeweilige Phasenlage über einen ausreichend langen Zeitraum für eine Beobachtung (quasi-)stabil halten kann; (d.h. wenn dafür die Frequenzdifferenz der Generatorsignale (117) (118) bzw. (103) (127) ausreichend klein ist).
  • Nach dem bisher ausgeführten besteht damit die folgende Situation:
    • - Zur Bestimmung der Phasenlage eines periodischen Signals, das als Messsignal in einer Messanordnung verwendet wird und nach dem Durchlauf einer Messstrecke nur noch sehr schwach vorliegt und/oder das von einem starken Rauschen überlagert ist, kann eine Lock-In-Verstärker-Anordnung mit einem Lock-In-Verstärker genutzt werden. (Die Bestimmung der Amplitude des Nutzsignals im gestörten Signal ist hier nachrangig, ist aber dann ebenfalls möglich).
    • - Die Nutzung von (mindestens) zwei digitalen Taktsignalen mit einem sehr geringen Frequenzunterschied führt gewissermaßen dazu, dass die sonst notwendigen Einzel-Einstellungen von Phasenlagen an einem Phasenschieber jetzt automatisiert mit der Periodendauer der Frequenzdifferenz durchfahren werden und dadurch die Kurve (23) automatisiert (mit der Geschwindigkeit der Differenzfrequenz) gewonnen werden. (vgl. ). Die beim Einsatz von Lock-In-Verstärkern sonst notwendigen Einzeleinstellungen von Phasenlagen an einem Phasenschieber können so vermieden werden.
    • - Die an den Ausgängen der Integratoren und auch an den Differenzausgängen sich periodisch mit der Differenzfrequenz der beiden digitalen Taktsignale wiederholenden Signalverläufe bilden die Lock-In-Integrationswerte kontinuierlich ab, aber ohne das digitale Schwebungssignal besteht dafür kein Referenzbezug. (Für die Kurve (23) in kann z.B. nicht angegeben werden, worauf sich die Phasenlage (24), bei der der Integrationswert (25) ermittelt worden ist, beziehen soll; zur Einordnung ist lediglich der eingestellte Phasenschieberwert gegeben).
    • - Aber eben diese Nutzung der Signalfrequenzen auch für die Erzeugung der digitalen Schwebung erlaubt, die automatisiert mit der Geschwindigkeit der Differenzfrequenz gewonnene Kurve (23) bzgl. dieser Referenz exakt einzuordnen.
  • Die an den Ausgängen der Integratoren (121) (122) und am Differenzausgang (123) sich periodisch mit der Differenzfrequenz der beiden digitalen Taktsignale wiederholenden Signalverläufe bilden die Lock-In-Integrationswerte kontinuierlich und damit automatisch ab.
  • An dieser Stelle sei erwähnt, dass sich die Amplitude des Nutzsignals im Messsignal (111) direkt aus der Kurve (23) ableiten läßt.
  • Der notwendige Referenzbezug zur Bestimmung der Phasenlage wird dann durch das digitale Schwebungssignal hergestellt.
  • Die für die o.g. Aufgabe schon zusammengefaste Lösung ergibt sich damit dadurch, dass eine Lock-In-Verstärker-Gesamtanordnung bereit gestellt wird, in der zwei Lock-In-Verstärker-Anordnung mit zwei Lock-In-Verstärkern und zwei Taktgeneratoren zusammen vorliegen, wobei die
    • - zwei Taktgeneratoren (z.B. hochfrequente) digitale Taktsignale mit einem nur sehr geringen Frequenz-unterschied von z.B. deutlich weniger als 1Hz erzeugen,
    • - aus beiden dieser digitalen Taktsignale je ein periodisches Messsignal abgeleitet und für eine Messung auf mindestens einer Messstrecke genutzt wird (oder genutzt werden kann) und
    • - aus beiden dieser digitalen Taktsignale je ein Schalteransteuerungssignal abgeleitet wird, das jeweils eine Schalter-Funktion periodisch zur komplementären Entnahme von Messsignal-Abschnitten und zur Weiterschaltung auf nachgeschaltete Integratoren ansteuert und daraus eine Differenzbildung ermöglicht und
    • - mindestens ein digitales Schwebungssignal als Referenz für die Bestimmung von Phasenlagen aus den Taktsignalen der beiden Generatoren gewonnen wird,
    wobei sowohl die Messstrecken, auf denen die Messsignale eingesetzt werden als auch die Nutzung der Lock-In-Verstärker über Kreuz arbeiten, was gleich noch genauer definiert wird.
  • Die Kombination der Möglichkeiten der digitalen Schwebung und der Lock-In-Verstärker-Anordnungen bieten nach dem Bisherigen insofern schon einmal Neues, weil eine mit geringer Frequenz, zum Beispiel 0,01Hz, sich gegeneinander verschiebende Phasenlage von zwei digitalen HF-Signalen, z.B. 10MHz, als das Verschieben eines Referenz-Signals einer normalen Lock-In-Verstärkereinrichtung interpretiert werden kann. Die Verfahren der „Lock-In-Verstärker-Anordnung“ und „digitalen Schwebung“ ergänzen sich in natürlicher Weise, wenn und weil z.B. das eine Signal mit der Frequenz f1 als Messsignal, das andere Signal mit der Frequenz f2 = f1±df; z.B. df=0,01 oder 0,1 Hz zur Festlegung der Integrationsintervalle genutzt wird.
  • Darüber hinausgehend bietet die Kombination unter Nutzung einer digitalen Schwebung in einem Lock-In-Verstärker-Konzept aber auch Erweiterungsmöglichkeiten, die insgesamt das Konzept der Lock-In-Anordnung wesentlich erweitern können und ganz neue Anwendungen ermöglichen.
  • Notwendige Voraussetzung ist, dass Signale von Generatoren vorliegen, die die benötigten hochfrequenten HF-Taktsignale mit geringer Frequenzdifferenz bereitstellen. Das kann auf dem Stand der Technik als gegeben betrachtet werden. Die Erzeugung der benötigten Signale kann z.B. mit einer direkten digitalen Signalsynthese (DDS) erreicht werden, für die auf dem Markt einfach zu handhabende Bausteine bereits bereitstehen.
  • Die hier verwendete Umschreibung, dass Signale aus einem Generatortakt „abgeleitet“ werden, ist in dem Sinne zu verstehen, dass die dazu dargestellten Generatoren nicht unbedingt als einfache Bauteile anzusehen sind, sondern u.U. komplexere Module darstellen können.
  • zeigt zunächst eine erfindungsgemäße Erweiterung des gemäß einkanalig eingeführten Konzepts der Verbindung des Lock-In-Verstärkers mit einer digitalen Schwebung auf eine zweikanalig arbeitende Version:
    • gibt dazu im Prinzip die Anordnung der wieder (gleiche Teile werden wieder mit gleichen Bezeichnern versehen), wenn man den gestrichelt gezeichneten Teil der Darstellung außer Acht lässt: Durch Vergleich mit sind in dieser zu erkennen: die beiden Generatoren (101) (102), deren Signale mit der Frequenz f1 bzw. f2 mittels eines D-FlipFlops (124) ein digitales Schwebungssignal (120) als Referenz ausbilden. Das Signal des ersten Generators (101) mit der Taktfrequenz f1 wird aufbereitet (104) und kann von einem Sendeelement (105) ausgesendet werden. Das Signal des anderen Generators (102) mit der Taktfrequenz f2 wird als Schalteransteuerungssignal (127) zur Steuerung des Schalters (126) genutzt und legt mit der jeweiligen Schalterstellung die Entnahme von Signalteilen aus einem stark gestörten Signal (111) (mit Empfangselement (110) aufgenommenen und geeignet aufbereitet (113)) für die Integratoren (114) (115) fest. Die Ausgangssignale (121) (122) der Integratoren (114) (115) stehen direkt oder in Form einer daraus mittels Komparator (116) oder Operationsverstärker gebildeten Differenz (123) für eine beliebige Auswertung bereit. Dieser Teil der Anordnung der entspricht vollständig der ; die dortige Beschreibung gilt vollumfänglich auch hier.
  • hebt jetzt den in nur gestrichelt dargestellten Teil der Schaltung hervor; der in als Vergleich zur vorher voll ausgezeichnete Schaltungsteil ist statt dessen, bis auf die Generatoren, jetzt nur noch gestrichelt dargestellt.
  • Damit wird praktisch eine zweite vollständige Lock-In-Verstärker-Anordnung bereitgestellt: Mit (fast) gleichen Bezeichnern versehen (die sich nur durch Apostroph unterschieden), kann man auch hier durch Vergleich mit sehen, dass eine zweite vollständige Lock-In-Anordnung (in einer Gesamtschaltung zusammengefasst) vorliegt; lediglich die Rolle der Generatoren ist vertauscht: Die Signale der beiden Generatoren mit der Frequenz f1 bzw. f2 bilden in jeder Anordnung der bzw. mittels eines D-FlipFlops (124') ein digitales Schwebungssignal (120') als Referenz aus. Das Signal des einen Generators, jetzt der mit der Taktfrequenz f2, wird aufbereitet (104') und kann von einem Sendeelement (105') ausgesendet werden. Das Signal des anderen Generators, jetzt der mit der Taktfrequenz f1, wird als Schalteransteuerungssignal (127') zur Steuerung des Schalters (126') genutzt und legt damit die Entnahme von Signalteilen aus einem stark gestörten Signal (111') fest (mit Empfangselement (110') aufgenommenen und geeignet aufbereitet (113')) zur Weitergabe an die Integratoren (114') (115'). Die Ausgangssignale der Integratoren (114') (115') stehen direkt oder in Form einer daraus mittels Komparator (116') gebildeten Differenz für eine beliebige weitere Auswertung bereit.
  • Dieser Teil der Anordnung der entspricht also ebenfalls vollständig der ; die dortige Beschreibung gilt vollumfänglich auch hier.
  • Es bleibt festzuhalten:
    • - Mit je zwei zur Verfügung stehenden Generatoren (101) (102), die zwei Taktsignale mit eng benachbarten Frequenzen f1 und f2 bereitstellen, kann eine zweifache Lock-In-Verstärker-Anordnung ausgebildet werden,
      • ◯ in der jedes Taktsignal der beiden betrachteten Generatoren (101) (102) geeignet aufbereitet (104) (104') und mittels Sendeelementen (105) (105') ausgesendet werden kann, und
      • ◯ in der jedes Taktsignal der beiden betrachteten Generatoren (101) (102), gewissermaßen über Kreuz, als Schalteransteuerung (127) (127') zur Ansteuerung einer Schalterfunktion (126) (126') in einer Lock-In-Verstärker-Anordnung verwendet werden kann,
        • ■ mit der jeweils komplementäre Ausschnitte aus u.U. stark gestörten Signalen (111) (111') entnommen und
        • ■ auf paarweise zugeordnete Integratoren (114) (115) bzw. (114') (115') mit sich
        • ■ anschließender Differenzbildung durch Operationsversstärker oder Komparatoren (116) (116') verteilt bzw. weitergeschaltet werden können.
  • Es ist nunmehr die oben schon dargestellt Aufgabenlösung nachzuvollziehen, dass eine Anordnung mit zwei Generatoren, die zwei Taktsignale mit eng benachbarten Frequenzen bereitstellen und in der jedes Taktsignal sowohl für die Bereitstellung eines Messsignal in einer Messanordnung, als auch als Schalteransteuerung (127) (127') zur Ansteuerung einer Schalterfunktion (126) (126') eingesetzt wird, neue Anwendungen ermöglicht, weil hier die beiden Signale mit dicht beieinander liegenden Frequenzen gewissermaßen über Kreuz genutzt und eingesetzt werden.
  • Mit bis sollen beispielhaft Anwendungen derartiger mehrkanaliger Lock-In-Verstärker-Anordnungen aufgezeigt werden. Diese können u.U. auch aus mehreren der oben beschriebenen Doppel-Lock-In-Verstärker-Anordnungen bestehen. In den folgenden Anwendungen sollen die zur Aussendung kommenden Signale und auch die empfangenen Signale von beliebiger Art (z.B. Vibrationen, Schall, Licht, magnetischer, elektrischer, elektromagnetischer Felder, usw.) sein. Signalzuordnungen können einfach oder auch doppelt erfolgen.
  • Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass unter „Empfänger“ (mit einem „Empfangselement“) jede technische Maßnahme für jede Form einer Signalabnahme an einen Punkt entlang eines beliebigen Signalweges hinter einer Senderposition, an der ein Signal auf den Signalweg gegeben worden ist, verstanden werden soll. Unter „Sender“ (mit einem „Sendeelement“) soll ebenso jede Form einer Signaleinspeisung in einen Signalwege verstanden werden soll. Die damit gegebene Implikation einer drahtlosen Messung schränkt die Erfindung nicht auf diese Anwendungen ein; jeder 2-Pol, 4-Pol, jede Signal-Leitung oder jede Signalführung kann als „Messstrecke“ genutzt werden.
  • zeigt zwei parallel angeordnete, aber an sich völlig gleich aufgebaute Lock-In-Verstärker-Anordnungen (300) (310), die unter Nutzung einer digitalen Schwebung als Referenz arbeiten. Diese beiden Lock-In-Verstärker-Anordnungen können mit gleichen oder unterschiedlichen Signalen oder Signalträgern arbeiten, können auch parallel auf zwei Kanälen arbeiten. Mit Licht, z.B. für eine Volumenpulsmessung oder Pulsoximetrie, können mehrere Kanäle parallel auf unterschiedlichen Wellenlängen (z.B. grün, infrarot) realisiert werden.
  • Die Darstellung entspricht im Detail den bereits zuvor dargestellten Komponenten und/oder Funktionalitäten der bzw. , so dass hier i.W. nur noch die Anwendung beschrieben werden soll. Jeweils zwei Taktgeneratoren (301) (302) bzw. (311) (312) generieren die benötigten (hochfrequenten) Signale mit dicht beieinander liegenden Frequenzen f1 und f2. Insgesamt sind vier Generatoren vorhanden. Jeweils mindestens eines der hochfrequenten digitalen Signale in jeder Anordnung kommt zur Aussendung (d.h.: daraus wird ein Messsignal abgeleitet und in einer Anwendung eingesetzt); dieses durchläuft jeweils die Messstrecke (305) (315), wird jeweils wieder von mindestens einem Empfangselement (z.B. Sensor) aufgenommen (empfangen) und in mindestens einer Lock-In-Verstärkeranordnung mittels einer Schalterfunktion, die zwei komplementäre Schaltzustände aufweist, an die beiden im Signalweg folgenden Integratoren (deren Ausgänge hier nicht mehr gesondert betrachtet werden) weitergeleitet. Mit jeweils einem Komparator, dessen Ausgang (306) (316) jeweils das Signal liefert, dessen relative Lage zum jeweils zugehörigen digitalen Schwebungssignal (303) (313) (als Referenz) den eigentlichen Messwert (bzgl. einer Phasenlage bzw. einer Signallaufzeit über die Strecken (305) (315)) darstellt.
  • Derart aus zwei oder mehr vollständigen, getrennten Einheiten (300) (310) bestehende Anordnung kann z.B. für Triangulationsmessungen genutzt werden, oder eine der Einheiten kann als Referenzmessung für die Messung mit einer jeweils anderen Einheit genutzt werden.
  • Eine möglicherweise bestehende gegenseitige Einflussnahme ist in nur im Sinne einer Störung als ein Übersprechen (307) angedeutet; ein derartiger gegenseitiger Empfang kann aber auch sinnvoll genutzt werden. Insgesamt ist es hierbei denkbar, dass vier Messsignale bereitgestellt werden.
  • Die beiden Signale mit den Frequenzen f1 und f3, die hier zur Aussendung kommen, werden von Taktsignalen der Generatoren (A) (B') abgeleitet, die unterschiedlichen Einheiten (300) (310) bzw. Lock-In-Verstärker-Anordnungen zugeordnet sind.
  • Die beiden Einheiten (300) (310) wissen daher z.B. nichts darüber, welche Signalfrequenzen von der jeweils anderen Einheit eingesetzt werden. Das kann z.B. in Anwendungen genutzt werden, bei denen unterschiedliche Signaltypen verknüpft werden müssen (z.B. Schall und Licht).
  • Das in der oberen Einheit (300) vom Komparator-Ausgang (306) bereitgestellte Signal und das vom D-FlipFlop (304) als Referenz bereitgestellte Signal (303) der digitalen Schwebung haben die gleiche Periode bzw. Frequenz, die der Differenz der Generatorfrequenzen f1 und f2 entspricht. Wenn - hier nur als ein Gedankenexperiment angeführt - eine der Einheiten, z.B. die obere Einheit (300), für einen Moment - unter sonst unveränderten Bedingungen - die Aussendung des eigenen Signals unterdrückt, dann erfolgt in dieser oberen Einheit (300), die Auswertung eines (evtl. sehr viel schwächeren) Empfangssignals, aber jetzt mit der Frequenz f3, das von der unteren Einheit (310) gesendet wird. Das in der oberen Einheit (300) vom Komparator-Ausgang (306) auf gleiche Art und Weise wie zuvor ermittelte und bereitgestellte Signal (306) hat jetzt eine Frequenz, die sich aus den Frequenzen f3 und f2 ergibt; das digitale Schwebungssignal (303) mit der Frequenzdifferenz aus f1 und f2 ist nach wie vor vorhanden.
  • Mindestens eine der beiden Einheiten (300) (310) ist aus einer solchen Messung in der Lage, auf die in der jeweils anderen Einheit genutzten Frequenzen zu schließen. Unter diesen Bedingungen kann man darin eine 2.Messung mit verschiedenen Frequenzen im Sinne einer 2-Ton-Messung sehen.
  • Dass sich damit auch ganz andere Möglichkeiten einstellen können, wird deutlich, wenn man betrachtet, die weitere Anwendungsmerkmale aufdeckt: Bei einer an sich gleichen Anordnung (Blockschaltungen links), sind - hier durch senkrechten Strich getrennt - zwei unterschiedliche Signalwege (309) (319) dargestellt, die sich durch die Signallaufzeiten der von den Sendern abgegebenen Signale unterscheiden werden.
  • Beim linken Signalweg (309) erreicht das Signal vom Sendeelement der oberen Anordnung (300) das Empfangselement der unteren Anordnung (310) nach Reflexion am Objektpunkt (317) bzw. nach dem Durchlauf einer Strecke mit den Teillängen l1 und l2. Das Signal des Sendeelements der unteren Anordnung (310) erreicht das eigene Empfangselement der unteren Anordnung (310) nach Reflexion am Objektpunkt (318) nach dem Durchlauf anderer Teilstrecken mit den Längen l'1 und l' 2 . Eine vergleichbare Signalwegzuordnung kann für das Empfangselement der oberen Anordnung (300) dargestellt werden. Am Empfänger kommen die Signale der beiden Sender laufzeitbedingt phasenverschoben an. Da die gesendeten Signale von zwei unabhängigen Generatoren (311) (301) stammen, könnten mit dem Signal des Generators (312) als Schalteransteuerung beide Signale mit der Lock-In-Anordnung erfasst werden. Die zur beschriebene Möglichkeit, in beiden Einheiten (300) (310) die von der jeweils anderen Einheit genutzten Frequenzen zu ermitteln, erlaubt eine weit reichende Analyse der hier gegebenen geometrischen Bedingungen. Wieder können hier z.B. auch Schall und Licht kombiniert und eingesetzt werden.
  • Beim rechten Signalweg (319) erreicht das Signal des Senders der oberen Anordnung (300) einen ersten Reflexionspunkt (317) am Objekt nach Durchlauf einer Strecke mit der Teillänge l1, das Signal des Senders der unteren Anordnung (310) erreicht diesen gleichen Reflexionspunkt (317) nach Durchlauf einer Strecke mit der Teillänge l' 3 . Im gleichen rechten Signalweg (319) erreicht das Signal des Senders der oberen Anordnung (310) einen zweiten Reflexionspunkt (318) nach Durchlauf einer Strecke mit der Teillänge l3; das Signal des Senders der unteren Anordnung (310) erreicht diesen gleichen Reflexionspunkt (318) am Objekt nach Durchlauf einer Strecke mit der Teillänge l'1. Die an den Reflexionspunkten (317) (318) zurückgeworfenen (oder gestreuten) Signale können beide Empfänger erreichen. Aber was wird zurückgeworfen? Auch wenn z.B. beide Sender aktuell phasengleiche Signale aussenden, können diese Signale am ersten Reflexionspunkt (317) laufzeitbedingt gerade gegenphasig ankommen; sie können sich dort also, zumindest teilweise, gegenseitig auslöschen; eine Rückstreuung eines Signals von diesem Reflexionsort (317) würde ausbleiben. Unter gleichen Sendebedingungen können diese gleichen Signale am zweiten Reflexionspunkt (318) u.U. gerade gleichphasig ankommen; sie würden sich dort, zumindest teilweise, gegenseitig verstärken, die Rückstreuung von diesem Reflexionsort (318) wäre besonders groß.
  • Es könnte also z.B. an dem einem Reflexionspunkt (317) eine gegenseitige Auslöschung der beiden auftreffenden Signale erfolgen, während an einem anderen Reflexionspunkt (318) eine additive Verstärkung der beiden auftreffenden Signale stattfindet. Die Reflexionspunkte (317) (318) bzw. die Orte an denen eine solche Eigenschaft jeweils vorliegt, wandern (auf Grund der ohnehin geringen Frequenzdifferenz) sehr langsam über die Oberfläche (308).
  • Eine Oberfläche kann so auch unter Nutzung sehr kleiner Frequenzen, z.B. mit Schall, kontinuierlich gescannt werden.
  • Eine vergleichbare Signalwegzuordnung kann hier jeweils wechselweise für den Empfänger der oberen Anordnung (300) und den der unteren Anordnung (310) dargestellt werden. Am jeweiligen Empfänger kommen Signale der beiden Sender laufzeitbedingt immer unterschiedlich phasenverschoben an, durchlaufen aber nicht nur getrennte, sondern u.U. auch gemeinsame Strecken.
  • Da die ausgesendeten Signale von zwei unabhängigen Generatoren (311) (201) stammen, verschieben sie sich langsam gegeneinander; beide Signale können mit dem Signal des jeweiligen Referenzgenerators (312) (302) mit der jeweiligen Lock-In-Anordnung erfasst werden.
  • Dadurch, dass sich die Sendersignale in ihrer Phasenlage langsam gegeneinander (und evtl. auch miteinander) verschieben, werden sich der Ort der zumindest teilweisen Auslöschung und der Ort der besonders starken Überlagerung langsam über die Oberfläche hinweg verschieben und schließlich austauschen. Dort wo sich die Signale zuvor ausgelöscht hatten, liegt dann eine starke Überlagerung vor, dort wo sich die Signale zuvor stark überlagert und verstärkt hatten, liegt jetzt - zumindest teilweise - eine Auslöschung vor. Der Abstand dieser beiden Orte zwischen Auslöschung und Verstärkung ist von der Frequenz und der jeweiligen Signalgeschwindigkeit abhängig.
  • Ein Empfänger würde die Signalüberlagerung an den Reflexionsorten nach dem Durchlauf der Distanz zum jeweiligen Reflexionspunkt erfassen; es würde damit gewissermaßen eine räumliche Abtastung der Oberfläche (308) des Objekts erreicht, die mittels einer erfindungsgemäßen Lock-In-Verstärker-Anordnung erfasst werden kann.
  • Aber auch eine räumliche, eine räumlich-zeitliche und eine zeitliche Abtastung einer Oberfläche oder einer Eigenschaft kann auf diesem Wege erreicht werden.
  • Als weiteres Beispiel ist vorstellbar, dass die eine Anordnung mit Schall, die andere mit Licht Messungen auf der Strecke vornimmt und damit die Einwirkung von z.B. Licht auf Schall und / oder umgekehrt gemessen wird. Hierzu können weitere Anwendungserweiterungen und Anwendungsprinzipien zu Lock-In-Anordnungen in Verbindung mit der digitalen Schwebung dargestellt werden.
  • Zunächst einmal ist, wie man an den gerade angeführten Beispielen erkennen kann, generell die Nutzung und Zuordnung der Signale (gleichgültig welcher Genese) zu den definierten Funktionalitäten (auszusendendes Nutzsignals oder Nutzung als Referenz) austauschbar. Oben wurde zur die Verkopplung der Signale in einer Doppel-Lock-In-Verstärker-Anordnung ja schon dargestellt. So kann jedes der Signale sowohl als Quelle für das auszusendende (oder in anderen Anwendungen: das zu applizierende, im Folgenden nur „auszusendende“) Signal genutzt werden, oder kann als Referenz für die Festlegung der Integrationsausschnitte genutzt werden. Je nach getroffener Wahl und der Wahl der Zeitreferenz verschieben sich die Signale (am Oszilloskop betrachtet) lediglich einmal nach rechts, und einmal nach links gegeneinander.
  • Weitergehend ist es aber möglich, nicht nur die Generatorsignale intern gleichartig zu nutzen, sondern auch beide Signale „über Kreuz“ einzusetzen, also sowohl zur Signalerzeugung für die Aussendung, als auch für die jeweils zu bildenden Integrationsausschnitte über Kreuz zu nutzen (vgl. z.B. 1). Dies entspricht weitgehend den obigen Darstellungen zur .
  • Damit liegen dann mindestens zwei gleichwertig „über Kreuz“ arbeitende Lock-In-Verstärker vor, die gleichzeitig und unabhängig voneinander oder gemeinsam in bestimmten Applikationen arbeiten können, indem zwei (gemeinsame) Generatoren für die beiden Anordnungen genutzt werden. Jede Generatorfrequenz kommt dadurch als Messsignal zur Aussendung und jede Generatorfrequenz ist zugleich auch jeweils ein Schalteransteuerungssignal für die jeweils andere. Die sich mit der Differenzfrequenz gegeneinander verschiebenden digitalen Signale können dabei jeweils eine eigene Lock-In-Verstärkeranordnung bilden und können aufgrund der im Ansatz freien Wahl sowohl für die Hochfrequenz, als auch für die Differenzfrequenz in ganz unterschiedlichen Anwendungen genutzt werden oder kombiniert werden.
  • Die schon erwähnte Nutzung unterschiedlicher Träger (Schall, Licht) und/oder Kanäle (Licht unterschiedlicher Wellenlängen) ist auch hier möglich und/oder kann beliebig kombiniert werden.
  • Die digitale Schwebung (zwei D-FFs mit lediglich vertauschter D- und T-Signalzuordnung) stellt jeweils den Referenzbezug für die in einer Lock-In-Verstärker-Anordnung durch Integration gewonnenen Signale bereit. (Im Allgemeinen werden in einer realen Anwendung nicht beide D-FlipFlops (321) (331) notwendig sein; ein D-FlipFlop reicht dann i.a. aus)
  • Relativ zu den Flanken des digitalen Schwebungssignals als Referenz liefert eine aus den Integrations-Differenzwerten mit einem Komparator gebildete (digitale) Funktion, wie das auch in 1 dargestellt ist, (über Kreuz (327)) eine Aussage zur jeweiligen Phasenlage eines in einem empfangenen Signal enthaltenen periodischen Signalanteils.
  • Zwei parallel gleichartig arbeitende Messungen können z.B. in Messungen eingesetzt werden, in denen ein erster Signalweg als Referenz für eine Messung in einem zweiten Signalweg herangezogen werden muss; z.B. bei photometrischen Messungen, die einen Mess- und einen Referenzweg aufweisen, oder bei der Pulsoximetrie, bei der Infrarotlicht für die Erfassung der Hämoglobin-Sättigung eingesetzt wird, grünes Licht für eine Referenzerfassung entlang eines gleichen Absorptionsweges. In der Anordnung der liegt die gesamte Anordnung nur einmal in einem Gerät vor und ist aus den erfindungsgemäßen Gedanken und der Darstellung zur abgeleitet.
  • An einer solchen Anwendung kann gezeigt werden, dass es durchaus sinnvoll sein kann, die immer wieder beschriebene Differenzbildung nicht nur mit einem Komparator oder einem Operationsverstärker auszuführen, sondern auch mit einem Komparator und einem Operationsverstärker.
  • In einer weiteren beispielhaft betrachteten Anordnung ( ) werden ein Sender (378) und zwei Empfänger (366) (376) eingesetzt. Als typisches Beispiel einer solchen Anwendung kann die Photometrie angeführt werden, bei der einem Messkanal jeweils ein Referenzkanal zugeordnet wird.
  • Die beiden Generatoren (360) (370) erzeugen die benötigten Taktsignale mit geringer Frequenzdifferenz. Aus den beiden Generatorsignalen entsteht mittels D-FF (379) ein digitales Schwebungssignal (369). Das Signal vom ersten Generator (360) wird für die Aussendung aufbereitet (368) und genutzt (378), durchläuft hier zwei Signalwege (367) (377), wird an zwei Positionen empfangen, aufbereitet (366) (376) und steht dort als u.U. stark gestörtes Signal (365) (375) zur Auswertung bereit. Die Auswertung erfolgt mittels einer jedem Empfangselement einzeln zugeordneten Lock-In-Verstärkeranordnung, mit Komparatoren (366) (376), jeweils einer Schalterfunktion (364) (374), die vom gleichen Steuerungssignal, das aus dem Taktsignal des zweiten Generators (370) abgeleitet ist, zeitgleich gesteuert werden. Der Einsatz von jeweils zwei Integratoren und jeweils einem Komparator (363) (373) erfolgt in der oben schon beschriebenen Weise.
  • Referenzsignal für alle Ausgangsfunktionen (362) (361) (372) (371) usw. ist auch in dieser Anordnung der das digitale Schwebungssignal (369).
  • In der Anordnung der werden die beiden Taktsignale von zwei Generatoren (340) (350) jeweils für die Aussendung (344) (354) eingesetzt, durchlaufen jeweils einen Messzweig (346) (356), werden (zusammen oder z.B. durch geeignete Filtermaßnahmen trennbar) wieder empfangen (345) und stehen, evtl. stark gestört, zur Auswertung zur Verfügung (355). Hier wird dieses eine gestörte Messsignal zwei parallel liegenden Lock-In-Verstärker-Anordnungen zugeführt, jede mit einer Schaltfunktion, jeweils zwei Integratoren und jeweils einem Komparator, dessen jeweiliger Signalausgang (343) (353) ein Signal liefert, dessen Lage die Signallaufzeiten repräsentiert und die bezüglich der digitalen Schwebungssignale auszuwerten sind. Die digitalen Schwebungssignale (342) (352) werden mittels der D-FFs (341) (351) aus den beiden Taktsignalen der Generatoren (340) (350) gebildet.
  • Der sind die über Kreuz liegenden Signalzuordnungen (347) zu entnehmen, die aber jetzt nur durch die Steuersignale (348) (358) der Schalterfunktion (349) (359) wie gezeigt definiert sind.
  • Es sei noch einmal angemerkt, dass in einer Anordnung es vereinfachend möglich sein kann, dass nicht beide Referenzen wirklich genutzt werden müssen. In einigen Fällen reicht es u.U., nur eine Referenz zu nutzen, d.h. auch nur ein D-FlipFlop einzusetzen.
  • Es sei zudem abschließend angemerkt, dass sich Doppel-Lock-In-Verstärker-Anordnung der auch mehrfach einsetzen lassen und/oder in größere Mehrfach-Lock-In-Verstärker-Anordnungen eingebettet sein können bzw. darstellen lassen. Damit entstehen Anordnungen, in denen n Generatoren einzeln oder paarweise mehrere Messsignale und mehrere Schalter-Ansteuerungssignale bereitstellen, in denen mehrere Einspeisungs- bzw. Sendeanordnungen und ebenso mehrere Abgriffs- bzw. Empfangsanordnungen einzeln, doppelt und/oder über Kreuz in größerem Zusammenhang genutzt werden. Insbesondere bei einer Anwendung, in der unterschiedliche Signalträger (z.B. Licht und Schall) zusammen genutzt werden, kann das sinnvoll sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10233604 [0084]
    • DE 10351416 A1 [0088, 0109]
    • DE 10233596 B1 [0090]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Karl Rinner, Friedrich Benz: Die Entfernungsmessung mit elektromagnetischen Wellen und ihre geodätische Anwendung (= Handbuch der Vermessungskunde. Band 6). Metzler, Stuttgart 1966) [0003]

Claims (10)

  1. Lock-In-Verstärker-Anordnung ( ) zur Bestimmung der Phasenlage von mindestens einem periodischen Signal, das als Messsignal (103) auf mindestens einer Messstrecke (107) (109) verwendet wird und das nach dem Durchlauf der mindestens einen Messstrecke evtl. nur noch sehr schwach vorliegt und/oder von einem starken Rauschen überlagert ist (111), wofür die Lock-In-Verstärker-Anordnung - mindestens zwei Taktgeneratoren (101) (102) aufweist, - aus denen Taktsignale (103) (127) mit sehr eng benachbarten Frequenzen f1 und f2 abgeleitet und/oder bereitgestellt werden, sowie - mindestens zwei Lock-In-Verstärker mit je einer Schalterfunktion (126) (126'), dadurch gekennzeichnet, dass von jedem der Taktsignale der mindestens zwei Taktgeneratoren (101) (102) mindestens ein Messsignal (105) (105') für eine Messung auf mindestens einer Messstrecke abgeleitet wird und von jedem der Taktsignale der mindestens zwei Taktgeneratoren (101) (102) ein Schalter-Ansteuerungssignal (127) (127') zur Ansteuerung von mindestens einer Schalterfunktion (126) (126') eines der Lock-In-Verstärker abgeleitet wird, wobei die Frequenz eines Messsignals (105) (105'), das jeweils auf eine Messstrecke geschaltet wird, und die Frequenz des Schalteransteuerungssignal (127) (127') des Lock-In-Verstärkers, der das Messsignal (111) (111') zur Phasenlagenbestimmung des Nutzsignals im Messsignal erhält, nicht vom gleichen Taktgenerator (101) (102) vorgegeben oder abgeleitet wird.
  2. Lock-In-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalteransteuerungssignal (127) (127') die Schalterfunktion (126) (126') des jeweiligen Lock-In-Verstärkers derart steuert, dass die Schalterfunktion (126) (126') komplementäre Ausschnitte aus dem Messsignal entnimmt.
  3. Lock-In-Verstärker-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Taktsignalen der beiden Taktgeneratoren (101) (102) ein digitales Schwebungssignal (120) (120') als Referenz mittels D-FlipFlop (124) (124') gebildet wird.
  4. Lock-In-Verstärker-Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage eines Nutzsignals in einem Messsignal (111) (111') jeweils mittels Lock-In-Verstärker bestimmt wird, indem - mit der Schalterfunktion (126) (126') komplementäre Ausschnitte entnommen werden, - die abwechselnd auf zwei Integratoren (114) (115) bzw. (114') (115') geschaltet und integriert werden, und - aus den Integralwerten (121) (122) bzw. (121') (122') die Differenz ◯ mittels Operationsverstärker (116) (116') als analoges Signal (123) (123') oder ◯ mittels Komparator (116) (116') als digitales Signal (123) (123') bereitgestellt wird.
  5. Lock-In-Verstärker-Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unabhängig voneinander arbeitende Lock-In-Verstärker-Anordnungen (300) (310) je ein Messsignal erzeugen, diese beiden Messsignale (305) (315) auf Messstrecken (309) (319) mit eventuell zumindest teilweise gemeinsamen Streckenanteilen (308) (317) (318) eingespeist werden, auf denen die Messsignale in gleicher oder in gegenläufiger Richtung laufen und sich eventuell zumindest teilweise überlagern können und diese Messsignale am jeweiligen Ende der Messstrecke mit einem Lock-In-Verstärkerbezüglich ihrer Phasenlage bewertet werden ( und ).
  6. Lock-In-Verstärker-Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Doppel-Lock-In-Verstärker-Anordnung mit zwei Taktgeneratoren (320) (330) und mindestens zwei Lock-In-Verstärkern Messsignale (325) (335) bereitstellt, diese Messsignale (325) (335) auf einer oder auf mehreren Messstrecken gemeinsam genutzt werden, indem die Messsignale mit jeweils einem Lock-In-Verstärker bezüglich ihrer Phasenlage gemeinsam oder getrennt, zeitlich gleichzeitig oder nacheinander bewertet werden (324) (334) (328) (338) und zwei Signale (323) (333) zur weiteren Auswertung bereitstellt, in denen sich Laufzeiten der Messsignale (324) (334) repräsentieren ( ).
  7. Lock-In-Verstärker-Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Doppel-Lock-In-Verstärker-Anordnung mit zwei Taktgeneratoren (360) (370) und mindestens zwei Lock-In-Verstärkern ein Messsignal aufbereitet (368), dieses Messsignal (378) auf einer oder auf mehreren Messstrecken in gleicher oder unterschiedlicher Richtung (367) (377) über die Messstrecke laufend genutzt wird, und dieses Messsignal (365) (375) an verschiedenen Positionen oder Orten (366) (376) mit je einem dort befindlichen Lock-In-Verstärker bezüglich der Phasenlage gemeinsam oder getrennt, zeitlich gleichzeitig oder nacheinander bewertet werden und zur weiteren Auswertung Signale (361) (371) bereitstellt, in denen sich Laufzeiten der Messsignale (367) (377) repräsentieren ( ).
  8. Lock-In-Verstärker-Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Doppel-Lock-In-Verstärker-Anordnung mit zwei Taktgeneratoren (340) (350) und mindestens zwei Lock-In-Verstärkern zwei Messsignale (344) (354) aufbereitet, diese Messsignale auf einer oder auf mehreren Messstrecken in gleicher oder unterschiedlicher Richtung (346) (356) über die Messstrecke laufend genutzt werden, und die Messsignale (365) (375) an einer Position oder Ort (345) mit einem dort befindlichen Lock-In-Verstärker bezüglich ihrer Phasenlage gemeinsam oder getrennt, zeitlich gleichzeitig oder nacheinander bewertet werden, und zur weiteren Auswertung Signale (343) (353) bereitstellt, in denen sich die Laufzeiten der Messsignale (346) (356) repräsentieren ( ).
  9. Lock-In-Verstärker-Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Messsignale eingesetzt werden, die Schall, mechanische Schwingungen (oder Vibrationen), elektrische oder magnetische oder elektromagnetische Felder oder Licht als Signalträger direkt nutzen oder Messsignale eingesetzt werden, die auf einen dieser Signalträger moduliert werden.
  10. Lock-In-Verstärker-Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung von komplementären Abschnitten einer Signalperiode erfolgt - durch eine Integralbildung mit anschließender Differenzbildung oder - durch eine zuerst ausgeführte Differenzbildung komplementärer Abschnitte einer Signalperiode mit einer daran anschließenden Integration oder - durch eine zuerst ausgeführte Tiefpassfilterung mit anschließender Differenzbildung mit daran sich anschließender Integration oder - durch eine beliebige technische Realisation der Operation ◯ Integration mit anschließender Differenzbildung oder ◯ Differenzbildung mit anschließender Integration.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2439105A1 (de) * 1973-08-16 1975-02-27 Cit Alcatel Phasenkorrelator
DE10233604A1 (de) * 2002-07-24 2004-02-19 Alfred Brühn Parametrische Verstärkungstechnik als Verfahren zur hochempfindlichen Phasenmessung in Vorrichtungen und Geräten als universelle Sensor- und Brückenverstärker
DE10351416A1 (de) * 2003-11-04 2005-06-16 Sciknowtec Gmbh Methode und Gerät zur Erzeugung von hochfrequenten, sinusförmigen, frequenzmäßig sehr dicht benachbarten Signalen
DE10233596B4 (de) * 2002-07-24 2007-05-16 Xenia Bruehn Verfahren zum Bestimmen der Phasenverschiebung zwischen zwei hochfrequenten Signalen gleicher Frequenz

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2439105A1 (de) * 1973-08-16 1975-02-27 Cit Alcatel Phasenkorrelator
DE10233604A1 (de) * 2002-07-24 2004-02-19 Alfred Brühn Parametrische Verstärkungstechnik als Verfahren zur hochempfindlichen Phasenmessung in Vorrichtungen und Geräten als universelle Sensor- und Brückenverstärker
DE10233596B4 (de) * 2002-07-24 2007-05-16 Xenia Bruehn Verfahren zum Bestimmen der Phasenverschiebung zwischen zwei hochfrequenten Signalen gleicher Frequenz
DE10351416A1 (de) * 2003-11-04 2005-06-16 Sciknowtec Gmbh Methode und Gerät zur Erzeugung von hochfrequenten, sinusförmigen, frequenzmäßig sehr dicht benachbarten Signalen

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RINNER, Karl; BENZ, Friedrich: Handbuch der Vermessungskunde. Band 6: Die Entfernungsmessung mit elektro-magnetischen Wellen und ihre geodätische Anwendung. 10., völlig neu bearbeitete und neu gegliederte Ausgabe. Stuttgart : J. B. Metzlersche Verlagsbuchhandlung, 1966. Deckblatt u. Inhaltsverzeichnis. - ISBN 978-3476989369. *

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