DE10256944A1

DE10256944A1 - Abgleichfreier HF-Oszillator

Info

Publication number: DE10256944A1
Application number: DE10256944A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Unterreitmayer
Original assignee: Enocean GmbH
Current assignee: Enocean GmbH
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-06-24
Also published as: EP1570570A1; AU2003289807A1; WO2004051842A1

Abstract

Es ist eine Sendeanlage, bestehend aus einem abgleichfreien HF-Oszillator, zur direkten Übertragung binär codierter Daten vorgesehen. Aufgrund der kurzen Einschwingzeit läßt sich ein binärer Zustand durch vollständiges Einschalten, der andere binäre Zustand durch vollständiges Ausschalten des gesamten Oszillators übertragen, ohne daß eine zusätzliche Modulationsschaltung notwendig ist. DOLLAR A Dies wird vor allem unterstützt durch die Eigenschaften, die der im Ausführungsbeispiel erwähnte SAW-Resonator mit sich bringt. Durch seine geringen Rise- and Fall-Zeiten von < 1 musek eigent er sich besonders gut für die direkte ASK-Modulation.

Description

Die Erfindung betrifft eine binäre Sendeanlage gemäß Oberbegriff des Patentanspruch 1.

Eine solche Sendeanlage besteht zumeist aus einer Oszillatorbaugruppe, die auf einer Frequenz Schwingungen ausführt und somit das Ausgangssignal liefert. Als zweite Baugruppe sind Elemente vorgesehen, die eine beispielsweise eine ASK-Modulation zur Informationsübertragung durchführen. Ein mögliches, dem Stand der Technik gemäßes Ausführungsbeispiel ist ein Oszillatorbauelement, welches ein reines Sinussignal liefert. Hierbei könnte es sich um einen klassischen Quarzoszillator handeln. Eine zweite anschließende Baugruppe verändert den Pegel des Sinussignals je nach vorliegendem binären Zustand zwischen dem minimalen und maximalen Ausgangspegel und erzeugt somit eine ASK-Modulation.

Ein solches vorgestellte Konzept wie auch andere gängige Konzepte besitzen jedoch je nach Ausführungsform spezifische Nachteile, wie beispielsweise die mangelnde Eignung eines diskontinuierlichen Betriebs durch lange Einschwingzeit oder ein hoher Leistungsverbrauch unter anderem durch zusätzliche Baugruppen wie Abgleichnetzwerke oder Schaltkreise zur Modulation des Oszillatorsignals.

Bei vielen Konzepten verbrauchen auch die Verstärkungselemente des Oszillators einen großen Teil der Leistung, so daß ein solcher bei einer sehr geringen zur Verfügung stehenden Energiemenge nicht geeignet ist.

Bei einer langen Einschwingzeit läßt sich eine hohe Modulationsrate nur durch eine zusätzliche Schaltung zur Modulation des Signals erzeugen, was weitere Herstellkosten zur Folge hat und dem Strom- und Platzverbrauch erhöht.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sendeanlage vorzusehen, die mit einem geringen Energiebedarf arbeitet und mit einfachen Mitteln herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die angegebene Lösung erlaubt es mit möglichst geringem Energieaufwand einen HF-Oszillator zu betreiben, der direkt kleine Datenmengen mit hoher ASK-Modulationsrate durch einen diskontinuierlichen Betrieb übermittelt und somit vor allem für den mobilen Einsatz mit geringen zur Verfügung stehenden Energiemengen geeignet ist.

So zeigt:
1 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel.
2 ein Ersatzschaltbild der Verstärkeranordnung aus 1
In 1 ist ein HF-Oszillator bestehend aus einem Verstärkerelement 1 und einem Rückkopplungsnetzwerk 2 dargestellt, der gezielt durch die Steuerspannung 3 mit einem Überschuß an Energie versorgt wird. Durch die Rückkopplung beginnt der Resonator 4 innerhalb des Rückkopplungsnetzwerks 2 zu schwingen und das Signal kann am Ausgang 5 abgegriffen werden. Wegen der kurzen Einschwingzeit des Gesamtsystems kann ein möglicher Modulationsinhalt direkt auf die Steuerspannungsquelle 3 gegeben werden. Ein möglicher binärer Zustand wird damit durch komplettes Einschalten, der andere durch komplettes Ausschalten realisiert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme der 1 anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Darin besteht das Verstärkerelement aus zwei einzelnen Verstärkern 6 und 7, die über einen Koppelkondensator 8 miteinander verbunden sind. Während der Verstärker 6 den Großteil der Gesamtverstärkung für den Resonator 4 übernimmt, stellt der Verstärker 7 genügend Energie für den Auskoppelpunkt bereit.
Wie ersichtlich besitzt die Spannungsquelle 3 keine parallel geschaltete Kapazität, da als Modulationsgröße nicht die Spannung, sondern nur der Strom, der durch beide Transistoren fließt, von Bedeutung ist. Die beiden Widerstände 9 und 10 lassen sich, wie in 2 skizziert, durch spannungsgesteuerte Stromquellen ersetzen. Zusätzlich ergeben sich bei Verwendung von Widerständen steilere Signalflanken.
Dadurch ist die kapazitive Belastung der Spannungsquelle 3 sehr klein und es sind schnelle Steuerflanken möglich. Desweiteren fehlen RC-Kombinationen an den Emitterausgängen der Transistoren. Diese werden normalerweise zur Arbeitspunktstabilisierung eingesetzt, erhöhen jedoch die Redaktionszeit der Verstärker aufgrund von Speichereffekten.
Zum Einschaltzeitpunkt erhält man einen sehr hohen Verstärkungswert von ≥ 20dB zwischen den Punkten 13 und 14, was das schnelle Anschwingen des Resonators 4 ermöglicht. Im eingeschwungenen Zustand ist die Verstärkung in der Größe der Dämpfung des Rückkopplungsnetzwerks 2.
Selbiges besteht aus einem Resonator 4, welcher im dargestellten Ausführungsfall als Zwei-Tor SAW-Resonator realisiert ist. Ein solches Bauelement besitzt in normaler Einbauweise einen Phasensprung von typischerweise Pi bei seiner Resonanzfrequenz zwischen dem Eingangstor und dem Ausgangstor. Um einen solchen Phasensprung zu verhindern, ist wie im Ausführungsbeispiel zu sehen ein Anschlußpaar 11 verkehrt herum anzuschließen. Desweiteren enthält das Rückkopplungsnetzwerk noch ein Element zur Phasendrehung, Phasenschiebernetzwerk 12 genannt. Dieses dreht das Ausgangssignal des SAW-Resonators nochmal um den Beitrag 0,4 × Pi. Der Grund für die Notwendigkeit eines solchen Elements liegt in der Phasendrehung zwischen den Punkten 13 und 14. Die Verstärkerbaugruppen besitzen während des Einschaltzeitpunktes eine Phasenverschiebung von ca. 1,6 × Pi, die zusätzlich zu dem 0,4 × Pi eine Gesamtphasenverschiebung von 2 × Pi ergeben. Zusätzlich wird durch das Phasenschieber-Netzwerk eine Anpaßtransformation des Ein gangswiderstandes des Resonators auf den Ausgangswiderstand des Verstärkers durchgeführt.
Der im Ausführungsbeispiel erwähnte SAW-Resonator zeichnet sich vor allem durch seine spektrale Reinheit aus, da er ausschließlich mit einer Frequenz Schwingungen ausführt und somit die zur Informationsübertragung zur Verfügung stehende Energie optimal ausnutzt.
Ferner eignet er sich wegen seiner geringen Anstiegs- und Abfallszeiten von 1 μsek besonders gut für die direkte ASK-Modulation. Dies wird vor allem durch die Eigenschaft der RF-Leistung des Lastwiderstandes 5 unterstrichen. Sie besitzt in Abhängigkeit der Steuerspannung 3 nur zwei Zustände. Grund für dieses Verhalten ist eine hohe Kreisverstärkung von ca. 14 dB im Oszillator zum Zeitpunkt des Einschwingens. Dadurch lassen sich durch Anlegen eines Rechteckssignal an die Steuerspannung 3, die so den Modulationsinhalt repräsentiert, das Gesamtsystem auf der durch den Resonator vorgegebenen Frequenz zur Schwingung anregen, welche einer ASK-Modulation äquivalent ist.
Eine weitere vorteilhafte Gestaltung ist durch den Einsatz eines SAW-Resonators gegeben, denn diese führen auch nach dem kompletten Abschalten wegen ihrer geringen Dämpfung für kurze Zeit Restschwingungen aus. Bei geeigneter Wahl der Modulationsrate ist es möglich, den Oszillator nicht aus dem Rauschen anschwingen zu lassen, sondern bevorzugt in der Phase mit den Restschwingungen des letzten übertragenen Signals. Dadurch lassen sich die Einschwingzeiten weiter drastisch verkürzen und Datenraten von > 100 KHz realisieren.
Eine andere mögliche Ausgestaltung liegt in der Verwendung eines lambda/4-Resonators als Bauelement des Oszillators.

1: Verstärkerbaugruppe
2: Rückkopplungsnetzwerk
3: Steuerspannungsquelle
4: Resonatorbaugruppe
5: Ausgangswiderstand
6: Verstärker
7: Verstärker
8: Koppelkondensator
9: Widerstand
10: Widerstand
11: Verdreht angeschlossenes Anschlußpaar
12: Phasenschiebernetzwerk
13: Anschlusspunkt
14: Anschlusspunkt

Claims

Eine binäre Sendeanlage bestehend bestehend aus einem HF-Oszillator der eine Verstärkerbaugruppe und einem Rückkopplungsnetzwerk zur Übertragung binärer Daten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein binärer Zustand durch vollständiges Einschalten, der andere binäre Zustand durch vollständiges Ausschalten des gesamten Oszillators übertragen wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Rückkopplungsnetzwerk ein SAW-Element als Zweitor-Resonator verwendet wird, welches mit einem Anschlußpaar verdreht angeschlossen wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator ein direkt betriebener ASK-Modulator ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine fest eingestellte Betriebsfrequenz verwendet wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ausnutzung einer Restschwingung des SAW-Resonators eine kürzere Einschwingzeit phasenstarr zur letzten ausgeführten Schwingung erreicht wird.