DE202007006510U1

DE202007006510U1 - Circuit unit for a frequency-based sensor and frequency-based sensor

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Publication number: DE202007006510U1
Application number: DE200720006510
Authority: DE
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2017-05-09

Abstract

Schaltungseinheit (1) zur Ansteuerung und/oder Auswertung eines frequenzbasierten Sensors (14), umfassend
– einen steuerbaren Oszillator (2) zur Ausgabe eines Ausgangssignals (f_T),
– einen Referenzoszillator (6) zur Ausgabe eines Referenzsignals (f_ref),
– eine jeweils mit dem Ausgang des Oszillators (2) und des Referenzoszillators (6) eingangsseitig verbundene Regeleinheit (3) zur Einstellung der Frequenz (|f_T|) des Ausgangssignals (f_T) durch Vorgabe eines von einem Abgleich des Ausgangssignals (f_T) mit dem Referenzsignal (f_ref) abhängigen Steuersignals (U) an den Oszillator (2), und
– einen zur Steuerung mit der Regeleinheit (3) verbundenen Microcontroller (4),
wobei der Referenzoszillator (6) zur Taktgebung mit dem Microcontroller (4) verbunden ist.Circuit unit (1) for controlling and / or evaluating a frequency-based sensor (14), comprising
A controllable oscillator (2) for outputting an output signal (f _T ),
A reference oscillator (6) for outputting a reference signal (f _ref ),
- A respectively with the output of the oscillator (2) and the reference oscillator (6) input side connected control unit (3) for adjusting the frequency (| f _T |) of the output signal (f _T ) by specifying one of an adjustment of the output signal (f _T ) with the reference signal (f _ref ) dependent control signal (U) to the oscillator (2), and
A microcontroller (4) connected to the control unit (3) for control,
wherein the reference oscillator (6) is connected to the clock for the microcontroller (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungseinheit zur Ansteuerung und/oder Auswertung eines frequenzbasierten Sensors, sowie einen frequenzbasierten Sensor mit einer derartigen Schaltungseinheit.The The invention relates to a circuit unit for controlling and / or Evaluation of a frequency-based sensor, as well as a frequency-based Sensor with such a circuit unit.

Unter einem frequenzbasierten Sensor wird ein Sensor verstanden, der zur Ansteuerung ein Frequenzsignal benötigt, dessen Sensorsignal mittels eines Frequenzsignals auswertbar ist, und/oder dessen Messsignal selbst ein Frequenzsignal ist. Ein Sensor der erst genannten Art ist beispielsweise ein Oberflächenwellensensor, der zur Erzeugung und Einkopplung von Festkörperwellen ein Frequenzsignal benötigt. Auch das Messsignal dieses Sensors selbst ist ein Frequenzsignal, nämlich die Oberflächenwellen. Zur Auswertung wird die entlang einer Übertragungsstrecke erfolgte Dämpfung, eine Phasenveränderung oder eine Frequenzveränderung als Sensorsignal erfasst. Ein Sensor der zweiten Art ist insbesondere ein kapazitiver Sensor, der beispielsweise als ein berührungsloser Sensor die Annäherung eines Fremdkörpers durch eine Kapazitätsänderung detektiert. Zur Auswertung der Kapazitätsänderung wird als ein Frequenzsignal eine Wechselspannung benötigt. Eine Kapazitätsänderung wird dabei generell als eine Amplitudenänderung, als eine Phasenänderung oder als eine Frequenzverstimmung erfasst. Ein Sensor der dritten Art ist beispielsweise ein optischer Sensor, der ein Lichtsignal, also ein Frequenzsignal, entlang einer Übertragungsstrecke aussendet. Als Sensorsignal wird auch hier in der Regel eine Dämpfung, eine Phasenveränderung oder eine Frequenzveränderung erfasst.Under A frequency-based sensor is understood to be a sensor which is used for Control requires a frequency signal whose sensor signal means a frequency signal is evaluated, and / or its measurement signal itself is a frequency signal. A sensor of the former type is a surface wave sensor, for example, the generation and coupling of solid waves a frequency signal needed. Even the measurement signal of this sensor itself is a frequency signal, namely the surface waves. The evaluation is carried out along a transmission path Damping, a phase change or a frequency change detected as a sensor signal. A sensor of the second kind is in particular a capacitive sensor, for example, as a non-contact Sensor the approach a foreign body through a capacity change detected. To evaluate the capacitance change is called a frequency signal requires an alternating voltage. A capacity change is generally considered as an amplitude change, as a phase change or detected as a frequency detuning. A sensor of the third Art is for example an optical sensor, which is a light signal, So sends a frequency signal along a transmission path. As a sensor signal is also here usually a damping, a phase change or a frequency change detected.

Letztendlich beruht die Funktion eines frequenzbasierten Sensors darauf, dass ein Signal, welches über eine Übertragungsstrecke gesendet wird, beispielsweise ein optisches Signal, und/oder welches in einem dem Sensor zugeordneten Schaltkreis existiert, beispielsweise eine Wechselspannung, durch einen äußeren Einfluss im Überwachungsbereich des Sensors verändert wird, so dass auf eine gegebene Änderung oder gegebenenfalls auf die Ursache der Änderung geschlossen werden kann.At long last The function of a frequency-based sensor is based on the fact that a signal which over a transmission path is sent, for example, an optical signal, and / or which exists in a circuit associated with the sensor, for example an AC voltage, by an external influence in the surveillance area the sensor changed will, so on a given change or, if appropriate, the cause of the change can.

So wird beispielsweise bei einem optischen Sensor an einem Störobjekt im Überwachungsbereich des Sensors ein durch eine Emittereinheit ausgesandtes Lichtsignal reflektiert, gestreut oder absorbiert, so dass eine Veränderung gegenüber dem im ungestörten Zustand empfangenen Lichtsignal – welches auch ein Nullsignal sein kann – registriert wird. Wandelt eine Detektoreinheit das empfangene Lichtsignal in eine Wechselspannung um, so kann eine Amplitudenänderung und/oder eine Frequenzänderung und/oder eine Phasenverschiebung der Wechselspannung auftreten und registriert werden, und anhand derartiger Veränderungen kann die Anwesenheit des Störobjektes verifiziert und gegebenenfalls eine Reihe weiterer, beispielsweise geometrische Eigenschaften des Objektes ermittelt werden.So becomes, for example, an optical sensor on a faulty object in the surveillance area of the sensor emitted by an emitter unit light signal reflected, scattered or absorbed, making a change across from in the undisturbed State received light signal - which is also a zero signal can be - registered becomes. If a detector unit converts the received light signal into an alternating voltage, so may a change in amplitude and / or a change in frequency and / or a phase shift of the AC voltage occur and be registered, and by such changes, the presence of the disturbing object verified and optionally a number of others, for example geometric properties of the object are determined.

Im Falle eines kapazitiven Sensors wird durch ein störendes Objekt, welches in das Gebiet eines elektrischen Feldes eintritt, die Kapazität eines Kondensators oder eines Systems von Kondensatoren, mittels welchem bzw. welchen das Feld aufgebaut wird, beeinflusst und verändert. Befindet sich ein solcher Kondensator beispielsweise als Kapazitätselement in einem elektrischen Schwingkreis, so wird durch eine Kapazitätsänderung eine Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bedingt. Auch kann mittels einer aufmodulierten Wechselspannung beispielsweise über eine Meßbrückenschaltung eine Kapazitätsänderung des Meßkondensators gegenüber einem Referenzkondensator anhand einer Phasenverschiebung oder einer Amplitudenveränderung eines Spannungs- oder eines Stromsignals erfasst werden.in the Case of a capacitive sensor is caused by a disturbing object, which enters the field of an electric field, the capacitance of a capacitor or a system of capacitors, by means of which the field is built, influenced and changed. Is there such a Capacitor, for example, as a capacitance element in an electrical Oscillating circuit, so is a capacity change by a change the resonance frequency of the resonant circuit conditionally. Also can by means of a modulated AC voltage, for example via a measuring bridge a capacity change of the measuring capacitor across from a reference capacitor based on a phase shift or a amplitude change a voltage or a current signal are detected.

Einem frequenzbasierten Sensor ist üblicherweise ein steuerbarer Oszillator zugeordnet, durch welchen zur Ansteuerung und/oder zur Auswertung ein Signal mit konstanter Frequenz bereitgestellt wird. Ein solcher Oszillator erhält beispielsweise ein Spannungssignal als Steuersignal. Es ist hierbei bekannt, die Frequenz des Oszillators über eine Regeleinheit in zyklischen Wiederholungen genau einzustellen, indem die Frequenz mit einer vorgegebenen Referenzfrequenz verglichen wird. Ein solches Verfahren ist beispielsweise die insbesondere unter dem Begriff PLL (Phase Locked Loop) bekannte sogenannte phasengekoppelte Frequenzregelung, bei der die Frequenz mittels eines Phasenvergleichs mit der Referenzfrequenz eingestellt wird.a Frequency-based sensor is common a controllable oscillator associated by which for driving and / or provided for evaluation, a signal with a constant frequency becomes. Such an oscillator receives For example, a voltage signal as a control signal. It is known here the frequency of the oscillator over to set a control unit exactly in cyclic repetitions, by comparing the frequency with a given reference frequency becomes. Such a method is for example the particular known as phase-locked loop (PLL) Frequency control, in which the frequency by means of a phase comparison is set with the reference frequency.

Für eine Ansteuerung und/oder Auswertung eines frequenzbasierten Sensors sind neben der Frequenzregeleinheit eine Reihen weiterer elektrischer und elektronischer Bauelelemente etc. erforderlich. Je größer die Anzahl der benötigten Komponenten ist, desto komplizierter und kostspieliger wird der Aufbau der zur Ansteuerung und/oder Auswertung benötigte Schaltungseinheit.For a control and / or evaluation of a frequency-based sensor are in addition to the Frequency control unit a series of other electrical and electronic Bauelelemente etc. required. The larger the number of required components, the more complicated and costly is the structure of the control and / or evaluation needed Circuit unit.

Eine erste Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltungseinheit zur Ansteuerung und/oder Auswertung für einen frequenzbasierten Sensor anzugeben, welche möglichst präzise funktioniert und möglichst kostengünstig produzierbar ist.A The first object of the invention is a circuit unit for controlling and / or evaluating a frequency-based sensor indicate which, if possible precise works and if possible economical is producible.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen kostengünstigen und zuverlässig funktionierenden frequenzbasierten Sensor anzugeben.A Another object of the invention is a cost-effective and reliable indicate the functioning frequency-based sensor.

Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Schaltungseinheit zur Ansteuerung und Auswertung eines frequenzbasierten Sensors angegeben wird, umfassend einen steuerbaren Oszillator zur Ausgabe eines Ausgangssignals, einen Referenzoszillator zur Ausgabe eines Referenzsignals, eine jeweils mit dem Ausgang des Oszillators und des Referenzoszillators eingangsseitig verbundene Regeleinheit zur Einstellung der Frequenz des Ausgangssignals durch Vorgabe eines, von einem Abgleich des Ausgangssignals mit dem Referenzsignal abhängigen Steuersignals an den Oszillator, und einen zur Steuerung mit der Regeleinheit verbundenen Microcontroller, wobei der Referenzoszillator zur Taktgebung mit dem Microcontroller verbunden ist.The first object is achieved in that a circuit unit for control and evaluation of a frequency-based sensor is specified, comprising a controllable oscillator for outputting an output signal, a reference oscillator for outputting a reference signal, a respectively connected to the output of the oscillator and the reference oscillator input side control unit for adjusting the frequency of the output signal by specifying a, from a Matching the output signal with the reference signal dependent control signal to the oscillator, and connected to the control unit with the control unit microcontroller, wherein the reference oscillator is connected to the timing of the microcontroller.

Die Erfindung geht in einem ersten Schritt von der Überlegung aus, dass ein häufig zur Ansteuerung und/oder Auswertung eines insbesondere frequenzbasierten Sensors eingesetzter Microcontroller, d. h. ein spezifisch zu programmierender Kleinprozessor, eine Taktvorgabe benötigt. Hierzu wird in der Regel ein Schwingquarz oder dergleichen als Taktgeber eingesetzt.The In a first step, the invention starts from the consideration that one is frequently used for Control and / or evaluation of a particular frequency-based Sensors used microcontroller, d. H. one to be programmed specifically Small processor, one clock required. This is usually done a quartz crystal or the like used as a clock.

In einem zweiten Schritt erkennt die Erfindung, dass im Falle einer für einen frequenzbasierten Sensor eingesetzten Regeleinheit zur Frequenzregelung die durch den Referenzoszillator erzeugte Referenzfrequenz sowohl der Regeleinheit als auch dem Microcontroller als taktgebende Steuerungsfrequenz bereitgestellt werden kann. Auch in einer derartigen Regeleinheit dient beispielsweise ein Quartzoszillator dazu, ein Signal mit einer hoch konstanten Frequenz zu erzeugen.In In a second step, the invention recognizes that in the case of for one Frequency-based sensor used control unit for frequency control the reference frequency generated by the reference oscillator both the control unit and the microcontroller provided as the clocking control frequency can be. Also in such a control unit is for example a quartz oscillator to a signal with a highly constant To generate frequency.

Durch diese Vorgehensweise entfällt die Notwendigkeit, dem Microcontroller eine separate taktgebende Einheit zuzuordnen. Zugleich wird vermieden, dass es zu einer Verstimmung zwischen der taktgebenden Steuerungsfrequenz des Microcontrollers und der Referenzfrequenz für die Regeleinheit kommen kann, was bei zwei separaten taktgebenden Einheiten möglich ist. Bei verbesserter oder zumindest gleichbleibender Funktionalität des Sensors wird somit die Anzahl der erforderlichen Steuerungskomponenten reduziert. Die Schaltungseinheit wird insgesamt günstiger, was einen bedeutenden Kostenvorteil gerade in der Automobilbranche mit sich bringt. Da der Microcontroller gleichzeitig mit der Regeleinheit zur Steuerung der benötigten Ausgabefrequenz kommuniziert, ist eine weiterer Vorteil gegeben.By this procedure is omitted the need to give the microcontroller a separate clocking Assign unit. At the same time it is avoided that there is an upset between the clocking control frequency of the microcontroller and the reference frequency for the control unit may come, what with two separate clocking units possible is. With improved or at least consistent functionality of the sensor is thus reducing the number of required control components. The circuit unit is cheaper overall, which is a significant Cost advantage especially in the automotive industry brings. There the microcontroller simultaneously with the control unit for control the needed Output frequency communicates, another advantage is given.

Zur Synchronisation der korrespondierenden Taktfrequenzen bietet sich an, die Taktfrequenzen als ganzzahlige Vielfache zueinander aus dem Referenzoszillator abzuleiten. Vorteilhafterweise umfasst daher die Regeleinheit der Schaltungseinheit neben einem Phasendiskriminator und gegebenenfalls einem Tiefpass einen ersten und einen zweiten Frequenzteiler.to Synchronization of the corresponding clock frequencies lends itself on, the clock frequencies as integer multiples of each other Derive the reference oscillator. Advantageously, therefore the control unit of the circuit unit in addition to a phase discriminator and optionally a low pass a first and a second Frequency divider.

Dabei sind in einer bevorzugten Ausgestaltung der erste Frequenzteiler mit dem Ausgang des Oszillators und der zweite Frequenzteiler mit dem Ausgang des Referenzoszillators verbunden. Durch Ansteuerung mittels des Microcontrollers werden die Frequenzteiler nun derart eingestellt, dass das eingestellte Ausgangssignal des Oszillators und das Referenzsignal so skaliert werden, dass beide Signalfrequenzen einander entsprechen. Geeigneterweise wird mit ganzzahligen Faktoren skaliert, also mit solchen ganzzahligen Faktoren multipliziert oder durch solche geteilt, da die Frequenzvervielfachung oder -teilung mit ganzzahligen Faktoren technisch wesentlich einfacher und genauigkeitserhaltender realisierbar ist als bei der Vorgabe von beliebigen Skalierungskoeffizienten.there In a preferred embodiment, the first frequency divider with the output of the oscillator and the second frequency divider with connected to the output of the reference oscillator. By control by means of the microcontroller, the frequency divider become such adjusted that the adjusted output signal of the oscillator and the reference signal are scaled so that both signal frequencies correspond to each other. Suitably, using integer factors scaled, that is, multiplied by such integer factors or divided by such as the frequency multiplication or division with integer factors technically much easier and more accurate is feasible than in the specification of arbitrary scaling coefficients.

Von dem ersten Frequenzteiler und von dem zweiten Frequenzteiler ist jeweils ausgangsseitig eine Verbindung zu einem Phasendiskriminator eingerichtet. Über diese Verbindungen wird das skalierte Ausgangssignal des Oszillators bzw. das skalierte Referenzsignal dem Phasendiskriminator zugeführt, in welchem beide Signale zur Ermittlung einer Phasenverschiebung zwischen den Signalen miteinander verglichen werden. In Abhängigkeit von der Phasenverschiebung wird ein Ausgabesignal – insbesondere eine Regelspannung – zur Korrektur der Schwingungsfrequenz des Oszillators erzeugt, bis das skalierte Ausgangssignal des Oszillators phasengleich zum skalierten Referenzsignal ist. Durch eine derartige Regelung ergibt sich eine hochgenaue Einstellung der Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators.From the first frequency divider and the second frequency divider each output side a connection to a phase discriminator set up. about these connections will be the scaled output of the oscillator or the scaled reference signal supplied to the phase discriminator, in which both signals for determining a phase shift between the signals are compared with each other. Dependent on from the phase shift becomes an output signal - in particular a control voltage - to Correction of the oscillation frequency of the oscillator generated until the scaled output signal of the oscillator in phase with the scaled Reference signal is. Such a regulation results in a highly accurate adjustment of the frequency of the output signal of the oscillator.

Weicht die Frequenz des Ausgangssignals nur noch geringfügig von der Referenzfrequenz ab, so kann durch eine Nachkorrektur die Frequenz des Oszillators überkorrigiert werden, so dass eine erneute Nachkorrektur erforderlich wird. Durch eine schnelle Abfolge der Nachkorrekturen und durch die endliche Laufgeschwindigkeit des Ausgabesignals zum Oszillator kann hierbei ein positiver Rückkoppelungseffekt bedingt werden, so dass das Ausgabesignal des Phasendiskriminators in Resonanz gerät. Zur Vermeidung einer solchen positiven Rückkoppelung ist dem Phasendiskriminator und dem Oszillator ein Tiefpass zwischengeschaltet, der hohe Korrekturfrequenzen unterdrückt. Hierzu ist der Phasendiskriminator ausgangsseitig mit dem Tiefpass verbunden, und der Tiefpass ist ausgangsseitig zur Übermittlung eines frequenzgefilterten Signals als Steuersignal mit dem Oszillator verbunden.differs the frequency of the output signal only slightly from the reference frequency, so can by a post-correction the frequency of the oscillator overcorrected so that a new correction is required. By a fast succession of post-corrections and the finite ones Running speed of the output signal to the oscillator can here a positive feedback effect conditionally so that the output signal of the phase discriminator resonates. to Avoiding such positive feedback is the phase discriminator and the oscillator interposed a low pass, the high correction frequencies suppressed. For this purpose, the phase discriminator is the output side with the low pass connected, and the low-pass is the output side for the transmission of a frequency-filtered signal as a control signal to the oscillator connected.

Es wird ersichtlich, dass sich mit einer derartigen Ausgestaltung eine eingangs genannte PLL-Schaltung zur Ausgabe eines bezüglich der Frequenz hochgenauen Ausgangssignals verwirklichen lässt.It can be seen that with such a configuration, an initially mentioned PLL circuit for outputting a high-precision with respect to the frequency output signal realize leaves.

Bevorzugterweise ist zumindest eine Komponente der Regeleinheit auf einem digitalen Halbleiterbaustein, insbesondere auf einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltungseinheit, ausgebildet. Durch die Integration verschiedener Funktionalitäten auf einem digitalen Halbleiterbaustein als funktional übergeordnete Einheit wird die Anzahl der separat ausgebildeten und zusammenfügbaren Einzelkomponenten reduziert, womit die Herstellungskosten weiter reduziert werden können. Dabei ist als Halbleiterbaustein insbesondere eine anwendungsspezifische integrierte Schaltungseinheit, ein sogenannter Application Specific Integrated Circuit (ASIC), geeignet. Eine solche anwendungsspezifische integrierte Schaltungseinheit ist eine elektronische Schaltung, die – anders als ein Prozessor oder Microcontroller – schon von der Herstellung her als Hardware auf die Erfüllung bestimmter Funktionen konzipiert ist. Somit geling es, multifunktionale Abläufe, die sonst von speziell für ihre jeweilige Aufgabe separat konstruierten Schaltungen aus Mikroprozessoren, Logikbausteinen und weiteren digitalen Schaltungskomponenten erfüllt werden, durch jeweils einen für die Massenproduktion geeigneten, integralen Baustein zu erfüllen. Weiterhin stehen anwendungsspezifische integrierte Schaltungseinheiten zur Verfügung, auf welchen zusätzlich zu digitalen Komponenten auch analoge Bauelemente funktional integriert werden können. Solche Schaltungseinheiten sind als sogenannte Mixed-Signal Bausteine bekannt.preferably, is at least one component of the control unit on a digital Semiconductor device, in particular on an application-specific integrated circuit unit, formed. Through the integration various functionalities on a digital semiconductor device as a functionally superior Unit is the number of separately formed and joinable individual components reduced, whereby the manufacturing costs are further reduced can. In this case, a semiconductor component is in particular an application-specific integrated circuit unit, a so-called Application Specific Integrated Circuit (ASIC), suitable. Such an application-specific integrated circuit unit is an electronic circuit, the - different as a processor or microcontroller - already from the manufacturing forth as hardware on the fulfillment certain functions. Thus, it succeeds, multifunctional processes, otherwise of specially for their respective task separately constructed circuits from microprocessors, Logic modules and other digital circuit components are met, by one for each mass production suitable, integral component to meet. Farther are application-specific integrated circuit units for available on which additional to digital components and analog components functionally integrated can be. Such circuit units are called mixed-signal modules known.

Alternativ zu einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltungseinheit kann auch eine Anzahl programmierbarer Halbleiterbausteine, die beispielsweise in einem Array miteinander verschaltet sind, verwendet werden. Ein solcher Array von Halbleiterbausteinen, auch bekannt als Field Programmable Gate Array (FPGA), wird durch eine spezifische Software auf die Erfüllung eines bestimmten Funktionsablaufs programmiert und ist durch den Anwender rekonfigurierbar, im Gegensatz zu einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, die vom Hersteller vorgefertigt ist.alternative to an application specific integrated circuit unit also a number of programmable semiconductor devices, for example are interconnected in an array. One such array of semiconductor devices, also known as Field Programmable Gate Array (FPGA), is powered by a specific software to meet one programmed by a specific function and is by the user reconfigurable, as opposed to an application-specific integrated Circuit, which is prefabricated by the manufacturer.

Weiterhin sind auch anwendungsspezifische integrierte Schaltungseinheiten verwendbar, die zusätzlich zur ihrer herstellungsbedingten Hardware-Spezifizierung für zusätzliche funktionale Spezifizierungen programmierbar sind.Farther are also application-specific integrated circuit units usable, in addition for their manufacturing hardware specification for additional functional specifications are programmable.

Desweiteren ist die Schaltungseinheit vorzugsweise dahingehend ausgebildet, dass der erste und der zweite Frequenzteiler und der Phasendiskriminator auf dem digitalen Halbleiterbaustein ausgebildet sind. Der Oszillator und der Referenzoszillator sind dann ausgangsseitig zur Übermittlung des Ausgangssignals bzw. des Referenzsignals mit dem Halbleiterbaustein verbunden, und der Tiefpass als analoges Element ist eingangsseitig zum Erhalt des für die Bildung des Steuersignals für den Oszillator zu frequenzfilternden Ausgabesignals mit dem Halbleiterbaustein verbunden.Furthermore is the circuit unit preferably designed to that the first and the second frequency divider and the phase discriminator are formed on the digital semiconductor device. The oscillator and the reference oscillator are then the output side for transmission the output signal or the reference signal with the semiconductor device connected, and the low pass as an analog element is the input side to receive the for the formation of the control signal for the oscillator to frequency-filtering output signal to the semiconductor device connected.

Der Microcontroller fungiert als Steuereinheit für die Regeleinheit und wird von dem Referenzoszillator als taktgebende Einheit mit der hoch konstanten Referenzfrequenz versorgt. Da die Grundfrequenz des Microcontrollers im allgemeinen nicht mit der Referenzfrequenz identisch ist, ist zweckmäßigerweise ein dritter Frequenzteiler vorgesehen, welcher zur Skalierung der Frequenz des Referenzsignals auf die Grundfrequenz des Microcontrollers eingangsseitig mit dem Referenzoszillator zum Erhalt und zur Skalierung des Referenzsignals, sowie ausgangsseitig mit dem Microcontroller zur Übermittlung des skalierten Referenzsignals verbunden ist. Hierbei ist geeigneterweise die Grundfrequenz des Microcontrollers durch ein ganzzahliges Vielfaches der Referenzfrequenz gegeben, oder umgekehrt, da die Frequenzvervielfachung oder -teilung mit ganzzahligen Faktoren technisch wesentlich einfacher und genauigkeitserhaltender realisierbar ist als mit beliebigen Skalierungsfaktoren.Of the Microcontroller acts as a control unit for the control unit and will from the reference oscillator as a clock unit with the high supplied constant reference frequency. Because the fundamental frequency of the microcontroller is generally not identical to the reference frequency is expediently third frequency divider provided which for scaling the frequency the reference signal to the fundamental frequency of the microcontroller input side with the Reference oscillator for obtaining and scaling the reference signal, as well as the output side with the microcontroller for transmission the scaled reference signal is connected. Here it is appropriate the fundamental frequency of the microcontroller by an integer multiple given the reference frequency, or vice versa, since the frequency multiplication or division with integer factors technically much easier and accuracy-preserving is feasible than with any Scaling factors.

Der Microcontroller ist zweckdienlicherweise über einen seriellen Datenbus mit dem ersten und dem zweiten Frequenzteiler zur Ansteuerung und Kontrolle der Regeleinheit verbunden. Über den Microcontroller können damit insbesondere die Skalierungsfaktoren für die Skalierung des Ausgangssignals und des Referenzsingnals vorgegeben werden.Of the Microcontroller is conveniently via a serial data bus with the first and the second frequency divider for activation and control connected to the control unit. about the microcontroller can in particular the scaling factors for the scaling of the output signal and the reference signal.

Geeigneterweise ist auch der Microcontroller selbst als eine Hardwarekomponente und/oder als Softwarekomponente auf dem digitalen Halbleiterbaustein implementiert. Hierfür ist insbesondere die Ausbildung des Halbleiterbausteins als anwendungsspezifische integrierte Schaltungseinheit geeignet, welche die Programmierung einzelner Spezifika durch Softwaremodule erlaubt. Insbesondere wird eine Realisierung des Microcontrollers auf dem Halbleiterbaustein die Ausbildung einer eigenständigen Prozessoreinheit auf dem Halbleiterbaustein umfassen, die von der Hardwarestruktur her im Wesenlichen mit einem separat realisierten Microcontroller übereinstimmt.suitably is also the microcontroller itself as a hardware component and / or as a software component on the digital semiconductor device implemented. Therefor is in particular the formation of the semiconductor device as application-specific integrated circuit unit suitable for programming single specifics allowed by software modules. In particular, a Realization of the microcontroller on the semiconductor chip the Formation of a stand-alone processor unit on the semiconductor device, that of the hardware structure in essence corresponds with a separately realized microcontroller.

Weitere vorteilsmäßige Ausbildungsvarianten der Schaltungseinheit betreffen die Schnittstelle der Schaltungseinheit zu einem anzusteuernden und/oder auszuwertenden frequenzbasierten Sensor.Further advantageous training variants the circuit unit relate to the interface of the circuit unit to a frequency-based to be addressed and / or evaluated Sensor.

Ein solcher Sensor umfasst zumindest eine Eingangsschaltungs zur Ansteuerung mittels eines Frequenzsignals bekannte Frequenz, Phase und/oder Amplitude, eine Emittereinheit zur Emission eines Signals mit einer bekannten Frequenz, Phase und/oder Amplitude, und/oder eine Detektoreinheit zur Erfassung des Sensorsignals, wobei in der Frequenz, der Phase und/oder der Amplitude eines das erfasste Sensorsignal repräsentierenden elektrischen Signals und insbesondere In Änderungen dieser Signalgrößen eine zu erfassende Information codiert ist.Such a sensor comprises at least one input circuit for driving by means of a frequency signal known frequency, phase and / or amplitude, an emitter unit for emission a signal having a known frequency, phase and / or amplitude, and / or a detector unit for detecting the sensor signal, wherein in the frequency, the phase and / or the amplitude of an electrical signal representing the detected sensor signal and in particular changes in these signal quantities capturing information is encoded.

Im Falle eines optischen Sensors oder eines Oberflächenwellensensors exisitert eine Emittereinheit und eine Detektoreinheit. Zwischen der Emittereinheit und der Detektoreinheit liegt zumindest eine Übertragungsstrecke innerhalb eines Überwachungsbereichs, in welchem ein zu erfassendes Ereignis stattfindet oder in welchen eine charakteristische Information über ein solches Ereignis übertragen wird. Ein so beschriebener Überwachungsbereich kann beispielsweise im direkten Sinne ein Raumbereich sein, in welchem Lichtsignale eines optischen Sensors oder Festkörperwellen, die sich entlang einer Übertragungsstrecke ausbreiten, durch zu detektierende Störobjekte beeinflusst werden. Aus einem Vergleich der Frequenz, Amplitude oder Phase des Sensorsignals gegenüber dem ausgegebenen Messsignal bzw. zwischen dem das Sensorsignal repräsentierenden elektrischen Eingangssignals und dem zur Ansteuerung des Sensors ausgegebenen Ausgangssignal kann dann auf ein Störobjekt geschlossen werden.in the Case of an optical sensor or a surface wave sensor exisitert an emitter unit and a detector unit. Between the emitter unit and the detector unit is at least one transmission path within a surveillance area, in which an event to be recorded takes place or in which transmit characteristic information about such an event becomes. A described monitoring area For example, in the direct sense, it may be a room area in which Light signals from an optical sensor or solid-state waves that propagate along a transmission link spread, be influenced by detected to be detected. From a comparison of the frequency, amplitude or phase of the sensor signal across from the output measurement signal or between the sensor signal representing electrical input signal and that for controlling the sensor output signal can then be closed to a faulty object.

Im Falle eines kapazitiven Sensors wird eine Änderung einer Messkapazität als ein Sensorsignal erfasst. Hierzu wird einer der Kapazität anliegenden Spannung entweder eine Wechselspannung aufmoduliert und eine Änderung der Phase, der Amplitude oder der Frequenz eines die Kapazität repräsentierenden Sensorsignals gegenüber einem Referenzsignal erfasst, oder es wird die Änderung der Kapazität mittels durch eine Schwingkreisverstimmung ermittelt. In beiden Fällen wird im Sinne des Ausgangssignals ein Wechselspannungssignal benötigt und ein Eingangssignal hierzu in Relation gesetzt, um auf ein Störobjekt zu schließen. Auch in diesem Fall wird demnach im übertragenen Sinne ein Ausgangssignal entlang einer Übertragungssstrecke geändert und messtechnisch das durch den Sensor geänderte Eingangssignal in Relation zum Ausgangssignal gesetzt. Die Übertragungsstrecke ist in diesem Fall diejenige Strecke, entlang derer das Ausgangssignal eine Änderung infolge des Sensorsignals erfährt, insbesondere durch ein das Sensorsignal repräsentierendes elektrisches Störsignal beeinflusst wird.in the In the case of a capacitive sensor, a change of a measuring capacity is considered to be Sensor signal detected. For this purpose, one of the capacitance applied voltage either an AC voltage modulated and a change the phase, the amplitude or the frequency of a capacitor representing Sensor signal opposite a reference signal is detected, or it is the change in capacity by means of determined by an oscillating circuit detuning. In both cases will in the sense of the output signal requires an AC signal and an input signal is related to an interfering object close. Also in this case, therefore, an output signal is transmitted in a figurative sense a transmission line changed and metrologically the relative to the input signal changed by the sensor set to the output signal. The transmission link in this case is the distance along which the output signal is a change as a result of the sensor signal, in particular by an electrical interference signal representing the sensor signal being affected.

Bevorzugterweise ist die Schnittstelle entsprechend dahingehend ausgebildet, dass die Schaltungseinheit einen Ausgang zur Übertragung des Ausgangssignals des Oszillators an einen frequenzbasierten Sensor aufweist, sowie einen Eingang zum Erhalt eines Sensorsignals, welches mit dem Ausgangssignal in Relation gebracht wird, aufweist. Dabei kann der Ausgang sowohl zur Ansteuerung des Sensors im Sinne einer Ankopplung an dessen Steuer- oder Betriebsschaltung als auch zur Auswertung des Sensors im Sinne einer Ankopplung an dessen Auswerteschaltung konzipiert sein. Auch kann der Ausgang für beides herangezogen werden bzw. konzipiert sein.preferably, the interface is accordingly designed such that the circuit unit has an output for transmitting the output signal of the oscillator to a frequency-based sensor, and an input for obtaining a sensor signal associated with the output signal is brought into relation. The output can be both for controlling the sensor in the sense of a coupling to the Control or operating circuit as well as for the evaluation of the sensor designed in the sense of a coupling to the evaluation circuit be. Also, the output for Both can be used or designed.

Ein entsprechender Ausgang ist geeigneterweise dem Oszillator unmittelbar zugeordnet und mit diesem verbunden. Dem Eingang zum Erhalt des Sensorsignals ist vorteilshafterweise eine Einheit zur Signalverstärkung zugeordnet. Eine solche Einheit ist beispielsweise durch eine analogen Amplitudenverstärker gegeben, welcher die Signalamplitude eines erfassten Sensorsignals vergrößert, so dass der Betrag der Signalamplitude im Wesentlichen der Größenordnung des Betrages der Ausgangssignalamplitude entspricht. Der Einheit zur Signalverstärkung ist weiterhin zweckmäßigerweise ein Schmitttrigger, auch bekannt als Kippstufe, nachgeordnet, durch welchen das zuvor amplifizierte Sensorsignal auf ein für die binäre Verarbeitung geeignetes Rechteckssignal transformiert wird. Auch kann eine weiterer Tiefpass zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses eingesetzt sein.One corresponding output is suitably directly to the oscillator assigned and connected to this. The input to receive the sensor signal is advantageously associated with a unit for signal amplification. Such a unit is given, for example, by an analogue amplitude amplifier, which increases the signal amplitude of a detected sensor signal, so that the amount of signal amplitude is substantially of the order of magnitude the amount of the output signal amplitude corresponds. The unit for signal amplification is still appropriate a Schmitt trigger, also known as flip-flop, followed by which the previously amplified sensor signal to a suitable for binary processing Rectangular signal is transformed. Also, another low pass be used to improve the signal / noise ratio.

Eine weiter bevorzugte Ausgestaltung der Schaltungseinheit umfasst eine Einheit zur vergleichenden Signalverarbeitung des Sensorsignals mit dem Ausgabesignal, welche Einheit dem Eingang zum Erhalt des Sensorsignals nachgeschaltet ist, und zum Erhalt des Ausgangssignals mit dem Oszillator verbunden ist. In dieser Einheit wird insbesondere die Phasen, Amplituden- und/oder Frequenzinformation beider Signale vergleichend ausgewertet.A Further preferred embodiment of the circuit unit comprises a Unit for comparative signal processing of the sensor signal with the output signal, which unit is the input for receiving the Sensor signal is followed, and to receive the output signal connected to the oscillator. In particular, this unit will the phases, amplitude and / or frequency information of both signals evaluated comparatively.

Alternativ dazu kann eine solche Einheit zur vergleichenden Signalverarbeitung auch dem Sensor selbst zugeordnet sein. Durch eine Zuordnung zu der Schaltungseinheit als übergeordnete und multifunktionale Einheit wird jedoch einerseits die Anzahl der separaten Einheiten mit Verarbeitungs- und/oder Auswertefunktion des Sensors selbst reduziert, andererseits kann in einer weiteren Ausgestaltungsvariante der Schaltungseinheit eine solche Einheit günstigerweise zusätzlich auf einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung mit integriert sein.alternative In addition, such a unit for comparative signal processing also be assigned to the sensor itself. By an assignment to the circuit unit as a parent and multifunctional unit, however, on the one hand the number of separate Units with processing and / or evaluation function of the sensor even reduced, on the other hand, in a further embodiment variant the circuit unit such a unit conveniently additionally an application-specific integrated circuit with integrated be.

Zweckmäßigerweise ist die Einheit zur vergleichenden Signalverarbeitung dem dritten Frequenzteiler zugeordnet. Hierdurch wird leicht ein Vergleich zwischen dem erhaltenen Eingangssignal und dem Ausgangssignal ermöglicht. Insbesondere können synchrone Start- und Stopimpulse zur Erfassung und zum Zählen von Impulsen des Eingangssignals zugeleitet werden.Conveniently, the unit for comparative signal processing is the third Assigned to frequency divider. This will easily make a comparison between allows the received input signal and the output signal. In particular, you can synchronous start and stop pulses for the detection and counting of Pulses of the input signal are fed.

In einer bevorzugten Ausbildung der Schaltungseinheit ist die analoge Einheit zur Signalverstärkung mit weiteren digitalen Funktionseinheiten der Schaltungseinheit auf einem Mixed-Mode-Baustein ausgebildet.In a preferred embodiment of the scarf Processing unit is the analog unit for signal amplification with further digital functional units of the circuit unit formed on a mixed-mode device.

In einer weiteren, zweckmäßigen Ausbildung der Schaltungseinheit ist auch der dritte Frequenzteiler auf einem digitalen Halbleiterbaustein oder zusammen mit analogen Funktionseinheiten auf einem Mixed-Mode-Baustein integriert.In a further, appropriate training of Circuit unit is also the third frequency divider on a digital Semiconductor device or together with analog functional units integrated on a mixed-mode device.

Je mehr Komponenten der Schaltungseinheit von dem digitalen Halbleiterbaustein oder dem Mixed-Mode-Baustein umfasst werden, desto einfacher und somit kostengünstiger wird der Gesamtaufbau aus Sensor und Schaltungseinheit. Dies kann bis zu einer Ein-Chip Realisierung der Schaltungseinheit auf einem Mixed-Mode-Baustein führen, auf welchem insbesondere der Oszillator selbst ausgebildet ist.ever more components of the circuit unit of the digital semiconductor device or the mixed-mode building block, the easier and easier thus cheaper becomes the total construction of sensor and circuit unit. This can up to a one-chip realization of the circuit unit on a Mixed-mode chip to lead, on which in particular the oscillator itself is formed.

Die zweite Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein frequenzbasierter Sensor zur Erfassung einer Signaländerung angegeben wird, insbesondere entlang einer Übertragungsstrecke, mit einer Schaltungseinheit der vorab beschriebenen Art.The second object is achieved in that a frequency-based sensor for detecting a signal change is given, in particular along a transmission path, with a Circuit unit of the type described above.

Vorzugsweise ist ein derartiger frequenzbasierter Sensor in Form eines kapazitiven Sensors, in Form eines optischen Sensors und/oder in Form eines Oberflächenwellensensors ausgebildet.Preferably is such a frequency-based sensor in the form of a capacitive Sensor, in the form of an optical sensor and / or in the form of a Surface acoustic wave sensor educated.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungseinheit anhand einer Zeichnung beschrieben. Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellungin the The following will be an embodiment of a Circuit unit according to the invention described with reference to a drawing. In each case show in a schematic presentation

1 ein Schaltbild einer Microcontroller-gesteuerten Schaltungseinheit, mit einem spannungsgesteuerten Oszillator, und mit einer partiell auf einem digitalen Halbleiterbaustein realisierten Regeleinheit, 1 a circuit diagram of a microcontroller-controlled circuit unit, with a voltage controlled oscillator, and with a partially realized on a digital semiconductor device control unit,

2 ein Schaltbild einer Microcontroller-gesteuerten und an einen Sensor angebundenen Schaltungseinheit, die partiell auf einem digitalen Halbleiterbaustein realisiert ist, und 2 a circuit diagram of a microcontroller-controlled and connected to a sensor circuit unit, which is partially realized on a digital semiconductor device, and

3 ein Schaltbild einer Microcontroller-gesteuerten und an einen Sensor angebundenen Schaltungseinheit entsprechend 2, die weitestgehend auf einem digitalen Halbleiterbaustein realisiert ist. 3 a circuit diagram of a microcontroller-controlled and connected to a sensor circuit unit accordingly 2 , which is largely realized on a digital semiconductor device.

In den Figuren sind einander entsprechende Objekte mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In The figures are corresponding objects with the same Provided with reference numerals.

In 1 ist ein Schaltbild einer Schaltungseinheit 1 dargestellt. Die Schaltungseinheit 1 umfasst einen spannungsgesteuerten Oszillator 2, eine Regeleinheit 3 zur Ansteuerung und Regulierung der Frequenz des Oszillators 2, einen Microcontroller 4, der über einen seriellen Datenbus 5 als Schnittstelle die Regeleinheit 3 steuert, sowie einen Referenzoszillator 6, der beispiesweise als Quartzoszillator realisiert ist. Die Regeleinheit 3 umfasst einen ersten Frequenzteiler 7, einen zweiten Frequenzteiler 8, einen Phasendiskriminator 9 und einen Tiefpass 10. Der Microcontroller 4 ist eingangsseitig mit einem dritten Frequenzteiler 11 verbunden. Der Oszillator 2 ist ausgangsseitig mit einer Ausgangseinheit 12 verbunden. Einige der funktional unterschiedlichen Bausteine der Schaltungseinheit 1, nämlich die Frequenzteiler 7 und 8 sowie der Phasendiskriminator 9 als Komponenten der Regeleinheit 3, sowie der dritte Frequenzteiler 11 und Teile des seriellen Datenbusses 5 sind auf einem digitalen Halbleiterbaustein 13 implementiert, der als anwendungsspezifische integrierte Schaltung vorgefertigt ist.In 1 is a circuit diagram of a circuit unit 1 shown. The circuit unit 1 includes a voltage controlled oscillator 2 , a control unit 3 for controlling and regulating the frequency of the oscillator 2 , a microcontroller 4 that is via a serial data bus 5 as interface the control unit 3 controls, as well as a reference oscillator 6 which is realized in the form of a quartz oscillator. The control unit 3 includes a first frequency divider 7 , a second frequency divider 8th , a phase discriminator 9 and a low pass 10 , The microcontroller 4 is input side with a third frequency divider 11 connected. The oscillator 2 is output side with an output unit 12 connected. Some of the functionally different components of the circuit unit 1 namely the frequency divider 7 and 8th as well as the phase discriminator 9 as components of the control unit 3 , as well as the third frequency divider 11 and parts of the serial data bus 5 are on a digital semiconductor device 13 implemented as an application-specific integrated circuit prefabricated.

Der spannungsgesteuerte Oszillator 2, auch VCO (voltage controlled oscillator) genannt, gibt ein Ausgangssignal f_T mit einer eingestellten Frequenz an die Ausgangseinheit 12. Zugleich wird das Ausgangssignal f_T an die Regeleinheit 3 übermittelt, welche in Abhängigkeit von der Frequenz |f_T| des Ausgangssignals f_T den Oszillator 2 zur Frequenzkorrektur ansteuert. Zugleich übermittelt der Referenzoszillator 6 ein Referenzsignal f_ref mit hochgradig konstanter Frequenz |f_ref| sowohl an die Regeleinheit 3 als auch als Steuersignal an den Microcontroller 4. Durch diesen bifunktionalen Einsatz des Referenzoszillators 6 kann auf ein weiteres taktgebendes Element für den Microcontroller 4 verzichtet werden.The voltage controlled oscillator 2 , also called VCO (voltage controlled oscillator), outputs an output signal f _T with a set frequency to the output unit 12 , At the same time, the output signal f _T to the control unit 3 which depends on the frequency | f _T | of the output signal f _T the oscillator 2 for frequency correction. At the same time, the reference oscillator transmits 6 a reference signal f _ref with a highly constant frequency | f _ref | both to the control unit 3 as well as a control signal to the microcontroller 4 , Through this bifunctional use of the reference oscillator 6 may point to another clocking element for the microcontroller 4 be waived.

Das Ausgangssignal f_T des Oszillators 2 wird an den ersten Frequenzteiler 7, und das Referenzsignal f_ref des Referenzoszillator 6 wird an den zweiten Frequenzteiler 8 übermittelt. Dort werden die Signale f_T, f_ref zunächst jeweils durch ganzzahlige Faktoren N₁ bzw. N₂ geteilt, so dass die Frequenzen |f_T|, |f_ref| der Signale f_T, f_ref einander entsprechen. Die skalierten Signale f'_T mit |f'_T| = |f_T|/N₁ und f'_ref mit |f'_ref| = |f_ref|/N₂ werden von dem ersten Frequenzteiler 7 bzw. von dem zweiten Frequenzteiler 8 an den Phasendiskriminator 9 übermittelt, der die Phasenverschiebung des skalierten Ausgangssignals f'_T, gegenüber dem skalierten Referenzsignal f'_ref ermittelt und in Abhängigkeit von dem Betrag der Phasenverschiebung ausgangsseitig eine Regelspannung U' zur Korrektur der Frequenz des Oszillators 2 ausgibt. Dies findet in zyklischen Wiederholungen statt, so dass die Frequenz |f'_T| des skalierten Ausgangssignals f'_T gegen die Frequenz |f'_ref| des skalierten Referenzsignals f'_ref strebt. Da dies zu hohen Schwankungsfrequenzen der Regelspannung U' mit einer positiven Rückkoppelung und schließlich zu einer Resonanz der Regelspannung U' führen kann, wird die Regelspannung U' eingangsseitig über einen Tiefpass 10 geleitet, durch welchen hohe Schwankungsfrequenzen der Regelspannung U' herausgefiltert werden. Die entsprechend frequenzgefilterte Regelspannung U wird dann als Steuersignal von dem Tiefpass 10 an den Oszillator 2 übermittelt, der in Abhängigkeit von dem Betrag der Regelspannung U zu einer Korrektur der Oszillationsfrequenz gezwungen wird. Auf diese Weise wird die Frequenz des Ausgangssignals f_T, bis auf ganzzahlige Vielfache auf die Frequenz des Referenzsignals f_ref geregelt.The output signal f _{T of} the oscillator 2 gets to the first frequency divider 7 , and the reference signal f _{ref of} the reference oscillator 6 gets to the second frequency divider 8th transmitted. There, the signals f _T , f _{ref are} first respectively divided by integer factors N ₁ and N ₂ , so that the frequencies | f _T |, | f _ref | the signals f _T , f _ref correspond to each other. The scaled signals f ' _T with | f' _T | = | f _T | / N ₁ and f ' _ref with | f' _ref | = | f _ref | / N ₂ are from the first frequency divider 7 or from the second frequency divider 8th to the phase discriminator 9 transmitted, which determines the phase shift of the scaled output signal f ' _T , relative to the scaled reference signal f' _ref and in response to the amount of phase shift on the output side, a control voltage U 'to correct the frequency of the oscillator 2 outputs. This takes place in cyclic repetitions such that the frequency | f ' _T | of the scaled output signal f ' _T against the frequency | f' _ref | the scaled reference signal f ' _ref strives. Since this can lead to high fluctuation frequencies of the control voltage U 'with a positive feedback and finally to a resonance of the control voltage U', the control voltage U 'on the input side via a low-pass 10 passed through which high fluctuation frequencies of the control voltage U 'are filtered out. The corresponding frequency-filtered control voltage U is then used as a control signal from the low-pass filter 10 to the oscillator 2 transmitted, which is forced in response to the amount of the control voltage U to correct the oscillation frequency. In this way, the frequency of the output signal f _T , up to an integer multiple to the frequency of the reference signal f _ref regulated.

Damit das Referenzsignal f_ref als taktgebendes Signal dem Microcontroller 4 verfügbar gemacht werden kann, wird in dem dritten Frequenzteiler 11, welcher eingangsseitig mit dem Referenzoszillator 6 verbunden ist, die Frequenz |f_ref| des Signals f_ref um einen ganzzahligen Faktor N₃ auf die Grundfrequenz |f_C| des Microcontrollers 4 heruntergeteilt. Das so erzeugte taktgebende Signal f_C wird dann an dem Microcontroller 4 übermittlet.So that the reference signal f _ref as a clock signal to the microcontroller 4 can be made available in the third frequency divider 11 , which input side with the reference oscillator 6 is connected, the frequency | f _ref | of the signal f _ref by an integer factor N ₃ to the fundamental frequency | f _C | of the microcontroller 4 divided down. The clock signal f _C thus generated is then applied to the microcontroller 4 übermittlet.

Der Microcontroller 4 steuert die Regeleinheit 3 über einen seriellen Datenbus 5, von welchem aus Steuerimpulse s₁ und s₂ an den ersten bzw. den zweiten Frequenzteiler 7 bzw. 8 der Regeleinheit 3 überstellt werden. Insbesondere werden durch die Steuerimpulse s₁ und s₂ die Skalierungsfaktoren N₁ bzw. N₂ eingestellt. Der Steuerimpuls s₅ stellt einen internen Steuerimpuls im Datenbus 5 dar.The microcontroller 4 controls the control unit 3 via a serial data bus 5 , from which control pulses s ₁ and s ₂ to the first and the second frequency divider 7 respectively. 8th the control unit 3 be transferred. In particular, the scaling factors N ₁ and N _{2 are} set by the control pulses s ₁ and s ₂ . The control pulse s ₅ represents an internal control pulse in the data bus 5 represents.

In 2 ist ein Schaltbild einer Schaltungseinheit 1 dargestellt, die mit Komponenten eines frequenzbasierten Sensors 14 verknüpft ist. Im Unterschied zu der Schaltungstopologie in 1 ist hier auch der Microcontroller 4 als Hardware- und/oder als Softwarekomponente auf dem Halbleiterbaustein 13 implementiert, wobei der Halbleiterbaustein 13 als anwendungsspezifische integrierte Schaltungseinheit realisiert ist und der Microcontroller 4 als Prozessoreinheit auf dieser Schaltungseinheit ausgebildet ist, die gegebenenfalls durch zusätzliche Softwaremodule zusatzspezifiziert ist. Weitere Details, die die Komponenten und die Verbindungen der Schaltungseinheit 1 betreffen, sind der Darstellung und der Beschreibung von 1 entnehmbar.In 2 is a circuit diagram of a circuit unit 1 shown with components of a frequency-based sensor 14 is linked. Unlike the circuit topology in 1 Here is also the microcontroller 4 as a hardware and / or as a software component on the semiconductor device 13 implemented, wherein the semiconductor device 13 realized as an application-specific integrated circuit unit and the microcontroller 4 is formed as a processor unit on this circuit unit, which is optionally specified by additional additional software modules. Further details of the components and the connections of the circuit unit 1 are the representation and the description of 1 removable.

Eine Verbindung der Schaltungseinheit 1 zu dem frequenzbasierten Sensor 14 ist über die Ausgangseinheit 12 gegeben, über welche das Ausgangssignal f_T des Oszillators 2 an eine Steuer/Auswerteeinheit 15 des Sensors 14 übermittelt wird. Die Steuer/Auswertereinheit 15 ist insbesondere als eine Emittereinheit ausgebildet und dazu vorgesehen, das Ausgangssignal f_T in ein Emissionssignal F_T des Sensors 14 zu transformieren. Als eine Steuer/Auswerteeinheit 15 kann beispielsweise eine optische Einheit zur Emission von Lichtsignalen, eine Einheit zur Emission von Wellen in einem Medium, oder auch eine Einheit zur Emission eines Wechselsignals in eine Schaltung gegeben sein. Das Emissionssignal F_T läuft über eine Übertragunsstrecke 16, und kann als Empfangssignal FR in einer Detektoreinheit 17 des Sensors detektiert und in ein Eingangssignal f_R umgewandelt werden, welches Eingangssignal f_R dann an eine Eingangseinheit 18 der Schaltungseinheit 1 übermittelt wird.A connection of the circuit unit 1 to the frequency-based sensor 14 is about the output unit 12 given, over which the output signal f _{T of} the oscillator 2 to a control / evaluation unit 15 of the sensor 14 is transmitted. The control / evaluation unit 15 is formed in particular as an emitter unit and provided to the output signal f _T in an emission signal F _{T of} the sensor 14 to transform. As a control / evaluation unit 15 For example, an optical unit for emitting light signals, a unit for emitting waves in a medium, or also a unit for emitting an alternating signal may be provided in a circuit. The emission signal F _T runs over a transmission path 16 , and may as a receiving signal FR in a detector unit 17 of the sensor are detected and converted into an input signal f _R , which input signal f _R then to an input unit 18 the circuit unit 1 is transmitted.

Die Eingangseinheit 18 ist ausgangsseitig mit einer analogen Einheit zur Amplitudenverstärkung 19 verbunden, die der Eingangseinheit 18 zugeordnet ist. In der Einheit 19 zur Amplitudenverstärkung wird das Einganssignal f_R zum amplifizierten Einganssignal f'_R verstärkt. Weiterhin ist die analoge Einheit 19 zur Amplitudenverstärkung ausgangsseitig mit einem Schmitttrigger 20 verbunden. In dem Schmitttrigger 20, der auch der Eingangseinheit 18 zugeordnet ist, wird das amplifizierte Einganssignal f'_R in ein binär verrechenbares Rechteckssignal f''_R transformiert. Dem Schmittrigger 20 ist weiter ein Tiefpass 21 zugeordnet. Der Schitttrigger 20 oder der Tiefpass 21 ist ausgangsseitig mit einer Einheit 22 zur vergleichenden Signalverarbeitung verbunden. Über diese letztgenannte Verbindung wird die Verbindung zwischen den seriell der Eingangseinheit 18 zugeordneten Einheiten 19, 20, 21 und dem digitalen Halbleiterbaustein 13, auf welchem die Einheit 22 zur vergleichenden Signalverarbeitung implementiert ist, realisiert.The input unit 18 is the output side with an analog unit for amplitude amplification 19 connected to the input unit 18 assigned. In the unit 19 for amplitude amplification, the input signal f _R is amplified to the amplified input signal f ' _R. Furthermore, the analog unit 19 for amplitude amplification on the output side with a Schmitt trigger 20 connected. In the Schmitt trigger 20 who is also the input unit 18 is associated with the amplified input signal is transformed f _'R into a binary billable square wave signal f'_'R. The Schmittrigger 20 is still a low pass 21 assigned. The Schitttrigger 20 or the low pass 21 is output side with a unit 22 connected for comparative signal processing. About this latter connection is the connection between the serial of the input unit 18 assigned units 19 . 20 . 21 and the digital semiconductor device 13 on which the unit 22 implemented for comparative signal processing implemented.

Ferner ist der Oszillator 2 ausgangsseitig zur Übermittlung des Ausgangssignals f_T mit der Einheit 22 zur vergleichenden Signalverarbeitung verbunden.Further, the oscillator 2 on the output side for the transmission of the output signal f _T with the unit 22 connected for comparative signal processing.

In der Einheit 22 zur vergleichenden Signalverarbeitung, die dem dritten Frequenzteiler 11 zugeordnet ist, wird der Frequenz- und Phasenunterscheid zwischen den Signalen f_T und f''_R erfasst und ausgewertet.In the unit 22 for comparative signal processing, the third frequency divider 11 is assigned, the frequency and phase difference between the signals f _T and f '' _{R is} detected and evaluated.

In 3 ist ein Schaltbild einer Schaltungseinheit 1 dargestellt, die mit Komponenten eines frequenzbasierten Sensors 14 verknüpft ist. Im Unterschied zu der Schaltungstopologie in 2 sind hier der Oszillator 2, die Ausgangseinheit 12, die Eingangseinheit 18, und alle der Eingangseinheit 18 zugeordneten Einheiten 19, 20, 21, sowie alle digitalen Einheiten, die in der Darstellung von 2 auf dem dort angezeigten digitalen Halbleiterbaustein 13 ausgebildet sind, auf einem sogenannten Mixed-Mode-Baustein 23 zusammengefasst. Der Mixed-Mode-Baustein 23 unterscheidet sich von dem rein digitalen Halbleiterbaustein 13 dahingehend, dass auf dem Mixed-Mode-Baustein 23 auch analoge Funktionseinheiten integriert werden können. Weitere Details, welche die Komponenten und die Verbindungen der Schaltungseinheit 1 betreffen, sind der Darstellung und der Beschreibung von 2 entnehmbar.In 3 is a circuit diagram of a circuit unit 1 shown with components of a frequency-based sensor 14 is linked. Unlike the circuit topology in 2 here are the oscillator 2 , the output unit 12 , the input unit 18 , and all of the input unit 18 assigned units 19 . 20 . 21 , as well as all digital units used in the representation of 2 on the digital semiconductor module displayed there 13 are formed on a so-called mixed-mode device 23 summarized. The mixed-mode building block 23 differs from the purely digital semiconductor device 13 to the effect that on the mixed-mode building block 23 Also analog functional units can be integrated. Further details of the components and the connections of the circuit unit 1 are the representation and the description of 2 removable.

11: Schaltungseinheitcircuit unit
22: Oszillatoroscillator
33: Regeleinheitcontrol unit
44: Microcontrollermicrocontrollers
55: serieller Datenbusserial bus
66: Referenzoszillatorreference oscillator
77: erster Frequenzteilerfirst frequency divider
88th: zweiter Frequenzteilersecond frequency divider
99: PhasendiskriminatorQuadrature
1010: Tiefpasslowpass
1111: dritter Frequenzteilerthird frequency divider
1212: Ausgangseinheitoutput unit
1313: digitaler Halbleiterbausteindigital Semiconductor device
1414: frequenzbasierter Sensorfrequency-based sensor
1515: Steuer/AuswerteeinheitControl / evaluation
1616: Übertragungsstrecketransmission path
1717: Detektoreinheitdetector unit
1818: Eingangseinheitinput unit
1919: analoge Einheit zur Amplitudenverstärkunganalog Amplitude amplification unit
2020: SchmitttriggerSchmitt trigger
2121: Tiefpasslowpass
2222: Einheit zur vergleichenden Signalverarbeitungunit for comparative signal processing
2323: Mixed-Mode-BausteinMixed-mode chip
UU: frequenzgefilterte Regelspannungfrequency filtered control voltage
U'U ': Regelspannungcontrol voltage
f_T f _T: Ausgangssignaloutput
f'_T f ' _T: skaliertes Ausgangssignalscaled output
f_ref f _ref: Referenzsignalreference signal
f'_ref f ' _ref: skaliertes Referenzsignalscaled reference signal
f_C f _C: taktgebendes Signal des MicrocontrollersDiplomatic imaging Signal from the microcontroller
F_T F _T: Emissionssignalemission signal
F_R F _R: Empfangssignalreceive signal
f_R f _R: Eingangssignalinput
f'_R f ' _R: amplifiziertes Eingangssignalamplified input
f''_R f '' _R: Rechteckssignalsquare wave
N₁ N ₁: Skalierungsfaktor des ersten Frequenzteilersscaling factor of the first frequency divider
N₂ N ₂: Skalierungsfaktor des zweiten Frequenzteilersscaling factor of the second frequency divider
N₃ N ₃: Skalierungsfaktor des dritten Frequenzteilersscaling factor of the third frequency divider
s₁ s ₁: Steuerimpuls an den ersten Frequenzteilercontrol pulse to the first frequency divider
s₂ s ₂: Steuerimpuls an den zweiten Frequenzteilercontrol pulse to the second frequency divider
s₅ s ₅: interner Steuerimpuls des Datenbussesinternal Control pulse of the data bus
|f_T|| f _T |: Frequenz des Ausgangssignalsfrequency the output signal
|f'_T|| f ' _T |: Frequenz des skalierten Ausgangssignalsfrequency the scaled output signal
|f_ref|| f _ref |: Frequenz des Referenzsignalsfrequency the reference signal
|f'_ref|| f ' _ref |: Frequenz des skalierten Referenzsignalsfrequency the scaled reference signal
|f_C|| f _C |: Grundfrequenz des Microcontrollersfundamental frequency of the microcontroller

Claims

Circuit unit ( 1 ) for controlling and / or evaluating a frequency-based sensor ( 14 ), comprising - a controllable oscillator ( 2 ) for outputting an output signal (f _T ), - a reference oscillator ( 6 ) for outputting a reference signal (f _ref ), - in each case with the output of the oscillator ( 2 ) and the reference oscillator ( 6 ) control unit connected on the input side ( 3 ) for adjusting the frequency (| f _T |) of the output signal (f _T ) by specifying a control signal (U) dependent on an adjustment of the output signal (f _T ) with the reference signal (f _ref ) to the oscillator ( 2 ), and - one for control with the control unit ( 3 ) connected microcontroller ( 4 ), the reference oscillator ( 6 ) for clocking with the microcontroller ( 4 ) connected is.

Circuit unit ( 1 ) according to claim 1, wherein the control unit ( 3 ) a first and a second frequency divider ( 7 respectively. 8th ), a phase discriminator ( 9 ) and in particular a low pass ( 10 ).

Circuit unit ( 1 ) according to claim 2, wherein - the first frequency divider ( 7 ) on the input side with the output of the oscillator ( 2 ) is connected to receive and to scale the output signal (f _T ), - the second frequency divider ( 8th ) on the input side with the output of the reference oscillator ( 6 ) for obtaining and scaling the reference signal (f _ref ), - the first and the second frequency divider ( 7 . 8th ) on the output side with the phase discriminator ( 9 ), the phase discriminator ( 9 ) is arranged to determine a phase shift between the scaled output signal (f ' _T ) and the scaled reference signal (f' _ref ), - the phase discriminator ( 9 ) on the output side for the transmission of an output signal (U ') with the low pass ( 10 ), and - the low pass ( 10 ) on the output side for the transmission of the frequency-filtered output signal (U) as a control signal with the oscillator ( 2 ) connected is.

Circuit unit ( 1 ) according to claim 3 or 4, wherein at least one component ( 7 . 8th . 9 ) of the control unit ( 3 ) on a digital semiconductor device ( 13 ), in particular on an application-specific integrated circuit unit, is formed.

Circuit unit ( 1 ) according to claim 4, wherein the first and the second frequency divider ( 7 respectively. 8th ) and the phase discriminator ( 9 ) on the digital semiconductor device ( 13 ) are formed.

Circuit unit ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, wherein a third frequency divider ( 11 ), which is used to scale the frequency (| f _ref |) of the reference signal (f _ref ) to the fundamental frequency (| f _C |) of the microcontroller ( 4 ) - on the input side with the output of the reference oscillator ( 6 ) for obtaining and scaling the reference signal (f _ref ), as well - on the output side with the microcontroller ( 6 ) is connected to transmit the scaled reference signal (f _C ).

Circuit unit ( 1 ) according to claim 6, wherein the microcontroller ( 4 ) via a data bus ( 5 ) with the first and the second frequency divider ( 7 . 8th ) for controlling the control unit ( 3 ) connected is.

Circuit unit ( 1 ) according to one of claims 4 to 7, wherein the microcontroller ( 4 ) as a hardware component and / or as a software component on the digital semiconductor device ( 13 ) is implemented.

Circuit unit ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, having an output ( 12 ) for transmitting the output signal (f _T ) to a frequency-based sensor ( 14 ), and with an input ( 18 ) to obtain a sensor signal (f _R ).

Circuit unit ( 1 ) according to claim 9, wherein the entrance ( 18 ) to obtain the sensor signal (f _R ) a unit ( 19 ) is assigned to the signal amplification.

Circuit unit ( 1 ) according to claim 9 or 10, wherein a unit ( 22 ) for the comparative signal processing of the sensor signal (f _R , f ' _R , f'' _R ) with the output signal (f _T ) - the input ( 18 ) to receive the sensor signal (f _R ) is connected downstream, and - to obtain the output signal (f _T ) with the output of the oscillator ( 2 ) connected is.

Circuit unit ( 1 ) according to claim 11, wherein the unit ( 22 ) for comparative signal processing the third frequency divider ( 11 ) assigned.

Circuit unit ( 1 ) according to one of claims 10 to 12, wherein the unit ( 19 ) for signal amplification on the digital semiconductor device ( 13 ) is integrated.

Circuit unit ( 1 ) according to one of claims 6 to 13, wherein the third frequency divider ( 11 ) on the digital semiconductor device ( 13 ) is integrated.

Frequency-based sensor ( 14 ) for detecting a signal change, in particular along a transmission path ( 16 ), with a circuit unit ( 1 ) according to one of claims 1 to 14.

Frequency-based sensor ( 14 ) according to claim 15, which is designed as a capacitive sensor, as an optical sensor and / or as a surface wave sensor.