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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor mit einem Schaltregler zur Versorgung einer Empfängerschaltung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Optoelektronische Sensoren arbeiten häufig nach dem Prinzip, einen Lichtstrahl auszusenden, in einem Lichtempfänger zu registrieren und zu bewerten, ob das Empfangssignal eine Schaltschwelle überschreitet oder nicht. Bekannt sind Lichtschranken, die als Einweglichtschranken einen Sender und einen gegenüberliegenden Empfänger aufweisen, zwischen denen der Überwachungsbereich aufgespannt ist, oder die als Reflexionslichtschranken den Sender und Empfänger auf einen Reflektor ausrichten, so dass ein doppelter Lichtweg entsteht. Lichttaster funktionieren sehr ähnlich wie Reflexionslichtschranken mit dem Unterschied, dass kein Reflektor installiert ist, sondern das zu detektierende Objekt das Empfangslicht zurückwirft. Bei einem Lichtgitter werden effektiv mehrere dieser einstrahligen Sensoren parallel zueinander zusammengefügt, wobei dann natürlich Teile der Schaltelektronik von mehreren Strahlen gemeinsam genutzt werden können. Schließlich sind Laserscanner bekannt, die praktisch einem bewegten Lichttaster entsprechen, bei dem der Sendestrahl einen Überwachungsbereich mit Hilfe eines Drehspiegels oder eines Polygonspiegelrads periodisch überstreicht und so eine Objekterkennung in einer Ebene oder sogar im ganzen Raum ermöglicht.
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Ein wichtiges Anwendungsgebiet derartiger Sensoren ist die Sicherheitstechnik. Dabei wird der Zugang zu einer Gefahrenquelle, beispielsweise eine gefährliche Maschine, von dem Sensor überwacht, der bei unzulässigem Eingriff in definierte Schutzfelder einen Abschaltbefehl erzeugt oder die Gefahr auf andere Weise abwendet, etwa durch Verbringen in eine sichere Parkposition. Da von der Funktionsfähigkeit des Sensors Gesundheit und Leben von Personen abhängt, sind die Anforderungen für in der Sicherheitstechnik eingesetzte Sensoren sehr streng und normiert, beispielsweise in der EN13849 für Maschinensicherheit oder der Gerätenorm EN61496 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen.
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Die maximale Reichweite eines Sensors wird unter anderem durch die minimale Schaltschwelle bestimmt, mit der bei einer angenommenen typischen statistischen Verteilung des erwarteten hardwarebedingten Rauschverhaltens die gerade noch maximal zulässige, festgelegte Wahrscheinlichkeit für eine unsichere Fehlschaltung eingehalten wird. Es soll also nur im äußersten Ausnahmefall zu einem Schaltsignal kommen, das allein durch internes Rauschen und nicht durch detektiertes Licht verursacht ist. Die Schaltschwelle kann bei gegebener zulässiger Wahrscheinlichkeit umso kleiner gewählt werden, je weniger Rauschsignal effektiv in die Bewertung des Empfangssignals eingeht.
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Um verschiedene interne Spannungen zu erzeugen, welche Schaltungselemente des Sensors einschließlich der Empfängerschaltung mit einer geeigneten Betriebsspannung versorgen, werden Schaltregler eingesetzt, die eine äußere Gleichspannung in die benötigte Betriebsspannung umwandeln. Der Schaltregler erzeugt abhängig von seiner Schaltfrequenz ein Störsignal, das zum internen Rauschpegel erheblich beitragen kann.
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Schaltreglerbausteine verfügen über einen internen Oszillator, mit dem die Schaltfrequenz festgelegt wird. Dieser Oszillator ist in seiner Frequenzgenauigkeit nicht besonders zuverlässig und erlaubt lediglich die Vorgabe grober Frequenzbereiche, beispielsweise zwischen 600 und 800 kHz. Das entstehende Störsignal ist entsprechend variabel und hängt auch noch von Bauteilstreuungen, Temperatur und weiteren Größen ab. Der Einfluss des Störsignals auf die Bewertung des Empfangssignals ist daher schwer vorhersagbar. Schaltregler mit Synchronisationseingang für einen externen Oszillator werden bei den genannten Sensoren herkömmlich nicht eingesetzt, oder der Synchronisationseingang wird nicht genutzt.
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Es ist bekannt, bei Sensoren, deren Strahlbewertung die zeitdiskrete Abtastung des Empfangssignals beinhaltet, digitale Filter einzusetzen, beispielsweise um einen Gleichanteil beziehungsweise einen konstanten Offset zu entfernen, oder allgemein zur Rauschunterdrückung. Damit lässt sich aber nicht mehr zwischen internem Rauschen und dem eigentlichen Messsignal unterscheiden, so dass keine spezifische Wirksamkeit der Filter auf Störungen durch den Schaltregler erreichbar ist. Die
DE 103 55 008 beschreibt ein derartiges digitales Filter in einem Lichtgitter.
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Die
DE 20 2008 007 495 U1 offenbart einen optoelektronischen Sensor mit einem Schaltregler und einer Steuereinheit, welche bewirkt, dass die Schaltzeitpunkte in Zeitintervalle des Empfangssignals fallen, in denen keine Auswertung stattfindet. Die Störungen des Schaltreglers wirken sich deshalb nicht auf die Auswertung aus. Über größere Zeitbereiche betrachtet ist die Rauschstatistik dabei keineswegs verbessert. Dieses Vorgehen ist nur möglich, wenn es hinreichend lange Zeitintervalle gibt, in denen nicht ausgewertet wird, bis jeweils das Störsignal des Schaltreglers abgeklungen ist. Für häufige und schnelle Auswertungen, wie sie beispielsweise in einem Lichtgitter meist erforderlich sind, ist diese Art der Störunterdrückung zu langsam.
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Aus dem Bereich des Mobilfunks ist aus der
US 6,263,192 B1 bekannt, einen Schaltregler (DC-DC Converter) zu synchronisieren, so dass dessen Störfrequenzen außerhalb des Nutzbandes liegen. Dies ist nur bei einem relativ engen und genau zuvor bekannten Nutzband möglich, wie es im Mobilfunk gegeben ist, während das Empfangssignal eines optoelektronischen Sensors ein vergleichsweise breites und, weil es von einem zuvor unbekannten detektierten Objekt abhängt, nicht bekanntes Frequenzverhalten zeigt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Sensor mit Schaltregler anzugeben, der unempfindlicher gegenüber Störsignalen des Schaltreglers ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor nach Anspruch 1 gelöst. Dabei geht die Lösung von dem Grundgedanken aus, dass der Schaltregler eine signifikante Störquelle ist. Statt den Schaltregler als solchen rauschärmer auszulegen oder Auswertungszeitpunkte zu begrenzen, werden erfindungsgemäß die Störungen ganz gezielt in Frequenzbereiche gelegt, in denen sie ausgefiltert werden können.
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Dabei kann eine Abstimmung zwischen Schaltregler und Filter sowohl Anpassung der Schaltfrequenz an vorhandene Filtereigenschaften als auch umgekehrt Wahl der Filtereigenschaften für eine vorgegebene Schaltfrequenz als auch eine Mischform aus beidem bedeuten. Als Schaltartefakte werden diejenigen Störsignale bezeichnet, die durch den Schaltvorgang des Schaltreglers entstehen.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass der Rauscheinfluss des Schaltreglers auf das gefilterte, ausgewertete Empfangssignal erheblich reduziert ist. Damit verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis deutlich. Die maximale Reichweite des Sensor erhöht sich, weil schwächere Empfangssignale immer noch sicher von Rauschen unterscheidbar bleiben. Alternativ kann auch der Sendestrom eines Lichtsenders bei gleichbleibender Reichweite verringert werden, um den Stromverbrauch und damit die Verlustleistung des Sendeteils zu reduzieren.
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Der Schaltregler weist bevorzugt einen Synchronisationseingang zur externen Festlegung der Schaltfrequenz auf. Damit wird die Schaltfrequenz unabhängig von einem internen Oszillator des Schaltreglers und so wesentlich stabiler und genau vorgebbar.
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Die Auswertungseinheit steuert die Schaltfrequenz des Schaltreglers bevorzugt über den Synchronisationseingang. Somit ist die Schaltfrequenz von der Auswertungseinheit vorgebbar. Damit lässt sich auch die Abstimmung zwischen Schaltfrequenz und Filter wesentlich leichter und genauer realisieren.
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Die Auswertungseinheit ist bevorzugt auf einem digitalen Baustein, insbesondere einem Mikroprozessor, Mikrocontroller, FPGA (Field Programmable Gate Array), DSP (Digital Signal Processor), PLD (Programmable Logic Device) oder ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) implementiert. So ist die Auswertungseinheit kompakt und erlaubt alle erforderlichen Anpassungen. Die Erfindung umfasst neben den genannten Bausteinen auch ähnliche digitale Logikbausteine oder eine Kombination mehrerer derartiger Bausteine.
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Das Filter ist bevorzugt ebenfalls auf dem digitalen Baustein implementiert. Damit wird kein zusätzliches Bauteil benötigt. Die Auswertungseinheit kann das Filter parametrieren und hat sofort Zugriff auf das gefilterte Empfangssignal.
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Das Filter ist bevorzugt ein digitaler Filter, insbesondere ein FIR-Filter. Derartige Filter ermöglichen eine flexible Anpassung und erzeugen stabile, geglättete gefilterte Empfangssignale.
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Die Übertragungsfunktion des Filters weist bevorzugt bei einer Unterdrückungsfrequenz und deren ganzzahligen Vielfachen Nullstellen auf. Gerade digitale Filter haben oft mehrere Nullstellen im Frequenzbereich, d. h. ein Eingangssignal mit dieser Frequenz wird ideal unterdrückt und geht somit nicht in die Bewertung des gefilterten Empfangssignals ein. Wenn herkömmlich ein solcher Filter eingesetzt wird, werden die Frequenzanteile des Empfangssignals an den Nullstellen ohnehin nicht bei der Auswertung berücksichtigt. Durch die Unterdrückung der Schaltartefakte entsteht in dem Filter keinerlei zusätzlicher Informationsverlust. Mit Nullstellen sind auch kleinere Frequenzbereiche um die Unterdrückungsfrequenz herum gemeint, und statt idealer Unterdrückung genügt häufig eine besonders geringe, praktisch kaum relevante Durchlässigkeit des Filters an oder bei den Nullstellen. Vielfache der Unterdrückungsfrequenz, also deren Harmonische, sollten ebenfalls unterdrückt werden, um Oberwellen des Störsignals auszufiltern. Auch diese Eigenschaft bringen herkömmlich eingesetzte digitale Filter häufig bereits mit. Ein besonderes Vielfaches ist das Nullfache, also der Gleichanteil, der zwar nicht unbedingt von dem Schaltregler herrührt, aber dennoch meistens unterdrückt werden soll.
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Das Filter weist bevorzugt einen Filterkern mit zunächst einer Folge der Werte –1 und dann einer Folge der Werte +1 als Filterkoeffizienten auf, wobei die Anzahl der Werte –1 und +1 insbesondere untereinander gleich ist. Mit dieser Formulierung soll auch ein Filter mit umgekehrten Vorzeichen umfasst sein. Ein solcher Filterkern ist sehr effektiv bei einer Schwellbewertung eines Empfangspulses. Außerdem kann die Faltung zur Durchführung der Filterung wie bei einem gleitenden Mittelwert sehr schnell und ressourcensparend implementiert werden, da das Filter wie ein zweifacher gleitender Mittelwert betrachtet werden kann, nämlich einer für die negativen und einer für die positiven Filterkoeffizienten. Ein gleitender Mittelwert wiederum ist durch Subtraktion des ältesten und Addition des jüngsten Werts sehr einfach zu berechnen und insbesondere unabhängig von der Länge des Filterkerns, so dass die Anzahl der erforderlichen Rechenoperationen konstant und sehr klein ist. Weil es sich um einen symmetrischen Filterkern handelt, werden Gleichanteile eliminiert.
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Die Empfängerschaltung weist bevorzugt einen dem Lichtempfangselement nachgeordneten Verstärker auf. Damit wird das Signal des Lichtempfangselements vor der Filterung und Digitalisierung vorverstärkt. Der Schaltregler versorgt vorteilhafterweise auch den Verstärker mit dessen benötigter Betriebsspannung.
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Der Sensor weist bevorzugt einen Lichtsender insbesondere für das Aussenden von Lichtpulsen auf. Über Pulse kann eine Codierung zur sicheren Erkennung des eigenen Lichtsenders sowie ein abwechselndes Senden mehrerer Lichtsender realisiert werden, beispielsweise indem die Lichtsender eines Lichtgitters rotierend nacheinander aktiviert werden. Gepulste Lichtsender erlauben außerdem eine zeitliche Zuordnung, etwa um mit einem Lichtlaufzeitverfahren auch die Entfernung detektierter Objekte zu bestimmen, sofern die Pulse empfangsseitig schnell genug abgetastet werden.
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Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, das Empfangssignal mit einer Schaltschwelle zu bewerten und ein binäres Schaltsignal auszugeben, welches die Zustände „Licht empfangen” und „kein Licht empfangen” repräsentiert. Die Schaltschwelle kann erfindungsgemäß entsprechend dem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis herabgesetzt werden, um eine größere Reichweite zu erhalten. Das Schaltsignal „Licht empfangen” ist bei einer Lichtschranke oder einem Lichtgitter gleichbedeutend mit „Lichtweg frei” und insgesamt in der Praxis ein Objektfeststellungssignal. Die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Objektes festzustellen ist in vielen Anwendungen und gerade auch in der Sicherheitstechnik der Zweck der Überwachung mit dem Sensor.
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Der Sensor ist bevorzugt als Lichtschranke, Lichtgitter, Lichttaster oder Laserscanner ausgebildet. In allen diesen Sensortypen werden Schaltregler eingesetzt, und sie profitieren von der verbesserten Störunterdrückung.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors und eine Ausschnittsvergrößerung der Empfängerschaltung mit einem Schaltregler;
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2 einen beispielhaften Verlauf einer Empfangsamplitude über der Zeit zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Filterung; und
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3 eine beispielhafte Übertragungsfunktion eines Filters als Verlauf einer Signalstärke über der Frequenz zur Erläuterung von dem Filter stark unterdrückter Frequenzbereiche, die erfindungsgemäß für die Verringerung von Schaltartefakten genutzt werden.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines optoelektronischen Sensors 10, der als Einweglichtschranke ausgeführt ist. Die Erfindung wird zwar am Beispiels einer Einweglichtschranke beschrieben, umfasst aber auch andere optoelektronische Sensoren einschließlich der einleitend kurz erläuterten und an sich bekannten Reflexionslichtschranken, Lichtgitter, Lichttaster und Scanner. Ein Sendeteil 12 mit einer Lichtquelle 14, beispielsweise einer Halbleiterlichtquelle wie eine LED oder ein Laser, sendet über eine Sendeoptik 16 einen Lichtstrahl 18 aus. Auf der gegenüberliegenden Seite eines Überwachungsbereichs 20 wird der Lichtstrahl 18 in einem Empfangsteil 22 detektiert, indem eine Empfangsoptik 24 den Lichtstrahl 18 auf ein Lichtempfangselement 26 lenkt, das beispielsweise als Fotodiode ausgebildet ist. Das von dem Lichtempfangselement 26 aus einfallendem Licht erzeugte Empfangssignal wird von einer Auswertungseinheit 28 in Abhängigkeit davon, ob der Lichtstrahl 18 unterbrochen ist oder nicht, zu einem Objektfeststellungssignal verarbeitet, das an einem Ausgang 30 des Sensors 10 ausgegeben wird.
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Die Empfangs- und Auswertungselektronik mit der Auswertungseinheit 28 ist im oberen Teil der 1 nur sehr vereinfacht dargestellt und wird nun anhand der Ausschnittsvergrößerung im unteren Teil der 1 näher erläutert. Das Lichtempfangselement 26 wandelt einfallendes Licht in einen Photostrom um, der über einen Transimpedanzverstärker 32 als verstärktes Spannungssignal einem A/D-Wandler 34 zugeführt wird. Der A/D-Wandler 34 kann ein separates Bauteil sein, bevorzugt wird aber ein integrierter A/D-Wandler eines digitalen Logikbausteins 36 verwendet, der weiterhin ein digitales Filter 38 und die eigentliche Auswertungseinheit 28 aufweist.
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Zur Versorgung der Empfangselektronik 40 mit dem Lichtempfangselement 28 und dem Verstärker 32 ist ein Schaltregler 42 vorgesehen, der aus einer externen Spannungsquelle V0 von beispielsweise 24 V die erforderliche Betriebsspannung VB von beispielsweise 12 V erzeugt. Dabei wird die Schaltfrequenz des Schaltreglers 42 über einen Ausgang 44 des Logikbaustein 36 vorgegeben, der mit einem Synchronisationseingang 46 des Schaltreglers 42 verbunden ist. Alternativ besitzt der Schaltreger 42 einen ausreichend stabilen internen Oszillator zur Vorgabe der Schaltfrequenz, der passend ausgewählt oder parametriert wird. Ein weiterer Schaltregler 48 versorgt den Logikbaustein 36.
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Der Schaltregler 42 erzeugt Störsignale, deren Spektrum von der Schaltfrequenz abhängt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Schaltfrequenz und Filtereigenschaften des Filters 38 so aufeinander abzustimmen, dass diese Schaltartefakte möglichst vollständig unterdrückt werden. Dazu soll nun die Arbeitsweise des Filters 38 anhand der 2 und 3 näher erläutert werden.
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2 zeigt eine gegen die Zeit aufgetragene beispielhafte Empfangsamplitude des Empfangssignals, wie sie von dem Filter 38 an die Auswertungseinheit 28 übergeben wird. Das zugehörige Sendesignal ist ein kurzer, beispielsweise gaussförmiger oder rechteckiger Lichtpuls. Durch ein nicht dargestelltes Bandpassfilter von beispielsweise 375 kHz im Verarbeitungsweg zwischen Lichtempfangselement 26 und Filter 38 erhält dieser zunächst nur positive Puls eine negative Nachschwingung, so dass das ungefilterte Empfangssignal einer Sinusperiode ähnelt.
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Das Filter 38 ist in diesem Beispiel ein symmetrisches FIR-Filter (Finite Impulse Response) mit den normierten Filterkoeffizienten {–1, –1, –1, –1, –1, –1, –1, –1, +1, +1, +1, +1, +1, +1, +1, +1}, der unter Berücksichtigung der Vorzeichen wie ein gleitender Durchschnitt arbeitet. Ein solcher Filterkern sucht in erster Linie nach einem Vorzeichen- oder Richtungswechsel im Empfangssignal, da dies eine gegenüber variablen Bedingungen sehr robuste Eigenschaft ist. Bei einer Samplingfrequenz von ca. 4 MHz hat der Filterkern eine Länge von ca. 16·250 ns = 4 μs im Vergleich zu einer typischen Pulslänge der Sendepulse von 2–3 μs.
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Die Auswertungseinheit 28 stellt nun beispielsweise die Bedingung, dass das gefilterte Empfangssignal zunächst eine Schwelle 50 überschreiten muss, und nimmt als Empfangszeitpunkt dasjenige Sample 52 an, bei dem danach erstmals die Schwelle 50 wieder unterschritten wird. Diese Bedingung unterscheidet sehr robust von den durch den Rauschpegel bedingten Schwankungen, wie sie in der Umgebung des Pulses in 2 zu erkennen sind. Damit lässt sich nicht nur erkennen, ob ein ausgesandter Lichtstrahl 18 überhaupt empfangen wird, um daraus das Objektfeststellungssignal zu detektieren, sondern optional und bei genügender zeitlicher Auflösung auch der Zeitpunkt des Empfangs, der über die Lichtlaufzeit zu einer Entfernungsinformation verrechnet werden kann.
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3 zeigt eine beispielhafte Übertragungsfunktion des Filters 38 im Frequenzbereich. Wie durch Pfeile 54 angedeutet, weist die Übertragungsfunktion Nullstellen bei einer Frequenz von ca. 520 kHz und deren Vielfachen auf. Eine weitere Nullstelle, bedingt durch den symmetrischen Filterkern, liegt bei 0 kHz, die den Gleichanteil des Empfangssignals ausfiltert. Als Nullstelle sind hier Bereiche sehr starker oder sogar idealer Dämpfung bezeichnet.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, die Schaltfrequenz des Schaltreglers 42 gerade so zu wählen, dass Schaltartefakte und deren Oberwellen mit diesen Nullstellen 54 zusammenfallen. Durch diese Synchronisierung der Schaltfrequenz auf die Nullstellen 54 des Schaltreglers 42 werden die Störfrequenzen stark unterdrückt und im Idealfall vollständig aus der Bewertung des gefilterten Empfangssignals in der Auswertungseinheit 28 herausgefiltert. In gleicher Weise können auch mehrere Schaltregler behandelt werden, wenn mehr als ein Schaltregler 42 für die Erzeugung der internen Spannungen eingesetzt wird.
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Die Erfindung ist dabei nicht auf die oben angegebenen Filterkoeffizienten beschränkt. Es müssen sich lediglich Nullstellen oder Frequenzbereiche starker Dämpfung nach Möglichkeit samt ihrer Harmonischen in der Übertragungsfunktion des Filters ausbilden, wie dies bei symmetrischen, endlichen Filterkernen automatisch der Fall ist. Die Lage der Nullstellen und das Spektrum der Schaltartefakte sind durch geeignete Wahl der Filterkoeffizienten und/oder der Schaltfrequenz aufeinander abzustimmen.
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Wegen der effektiven Unterdrückung der Schaltartefakte kann anschließend auf Basis der neuen statistischen Verteilung des stark verringerten verbleibenden Rauschsignals bei gleichbleibender vorgegebener maximaler Wahrscheinlichkeit für eine unsichere Fehlschaltung eine neue, niedrigere Schaltschwelle festgelegt und damit die Reichweite erhöht oder die Sendeenergie gesenkt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10355008 [0007]
- DE 202008007495 U1 [0008]
- US 6263192 B1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- EN13849 [0003]
- Gerätenorm EN61496 [0003]
