DE4040788A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur phasenempfindlichen gleichrichtung einer amplitudenmodulierten traegerschwingung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur phasenempfindlichen Gleichrichtung einer amplitudenmodulierten Träger­ schwingung, bei dem, den Amplitudenwerten einer Träger­ schwingung entsprechende Gleichspannungswerte durch Aus­ tastung von Amplitudenwerten der Trägerschwingung in defi­ nierten Zeitabschnitten gebildet werden, insbesondere zur phasenempfindlichen Gleichrichtung einer, in einer Brückenschaltungsanordnung eines Wegmeßsystems für aktive Magnetlager amplitudenmodulierten Trägerschwingung sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind eine Reihe von Verfahren und Schaltungsanordnungen zur phasenempfindli­ chen Demodulation oder Gleichrichtung amplitudenmodulier­ ter Signale bekannt. Dabei liefern analog arbeitende Ver­ fahren und Schaltungsanordnungen relativ wellige Ausgangs­ spannungen, die eine besondere Glättung dieser Ausgangs­ spannungen erfordern. Dadurch verringert sich die Grenz­ frequenz des demodulierten Signales. Ein großes Verhältnis zwischen Trägerfrequenz und Signalfrequenz ist dabei er­ forderlich.

Mit der in der deutschen Offenlegungsschrift 27 34 377 be­ schriebenen Erfindung ist eine Lösung bekannt, bei der über einen im Takt der Trägerfrequenz gesteuerten Schalter ausgetastete Amplitudenspannungswerte periodisch an einen Kondensator gelegt werden. Die Bedingung einer geringen Restwelligkeit bei hoher Grenzfrequenz ist damit nicht realisierbar.

Digital arbeitende Verfahren und Schaltungsanordnungen, wie in der deutschen Offenlegungsschrift 38 16 568 beschrie­ ben, sind schaltungstechnisch sehr aufwendig. Die Grenz­ frequenzen werden hier durch die Rechengeschwindigkeiten und die Umsetzzeiten der AD-Wandler bestimmt.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren zur phasenempfindlichen Gleichrich­ tung einer amplitudenmodulierten Trägerschwingung zu schaffen sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens, bei denen mit wenigen Verfahrensschritten und geringem schaltungstechnischen Aufwand mittels be­ kannten Grundschaltungselementen eine geringe Welligkeit des demodulierten Signals und damit eine gute Unter­ drückung der Trägerschwingung bei geringem Frequenzabstand zwischen Trägerschwingung und Signalschwingung sowie ein schnelles Ansprechen des demodulierten Signales auf Ände­ rungen der Amplitude der Trägerschwingung erreichbar sind.

Erfindungsgemäß wird dieses bei einem Verfahren eingangs genannter Art dadurch erreicht, daß zu einer ersten Trä­ gerschwingung eine zweite, in ihrer Phase zur ersten Trä­ gerschwingung um eine halbe Periodendauer verschobene zweite Trägerschwingung erzeugt wird und jeweils während der Zeitdauer der geringsten Änderungen der Amplitudenwer­ te der ersten Trägerschwingung und der Amplitudenwerte der zweiten Trägerschwingung über der Zeit für einen ersten Zeitabschnitt die Amplitudenwerte der ersten Träger­ schwingung sowie für einen zweiten Zeitabschnitt die Amplitudenwerte der zweiten Trägerschwingung ausgetastet und jeweils über eine Zeitdauer, die der halben Periodendauer der ersten und zweiten Trägerschwingung entspricht, als erster Gleichspannungswert und zweiter Gleichspannungswert so gehalten werden, daß sich ein den Amplitudenwerten entsprechender treppenförmiger Gleichspannungsverlauf bil­ det, wobei der Beginn der ersten und zweiten Zeitab­ schnitte durch die Nulldurchgänge einer, in ihrer Phasen­ lage zur ersten Trägerschwingung verschiedenen und in ihrer Phasenverschiebung einstellbaren Synchronschwingung bestimmt ist. Dabei entspricht die zweite Trägerschwingung in ihrer Periodendauer und ihren Amplitudenwerten der ersten Trägerschwingung. Die Zeitabschnitte nehmen eine Dauer von einem Bruchteil der halben Periodendauer der ersten und zweiten Trägerschwingung ein und sind vorteilhafterweise von gleicher Dauer. Entsprechend der Nulldurchgänge der Synchronschwingung wird ein Flankenan­ stieg und Flankenabfall einer Rechteckspannung für den Beginn der Zeitabschnitte gebildet. Die Periodendauer der Synchronschwingung entspricht der Periodendauer der ersten und zweiten Trägerschwingung.

Erfindungsgemäß ist eine Schaltungsanordnung zur Durch­ führung des Verfahrens so aufgebaut, daß neben einem ersten Schalter ein zweiter Schalter vorgesehen ist, dessen Ausgang wie der Ausgang des ersten Schalters mit einem Kondensator verbunden ist, wobei jeweils dem ersten Schalter ein erster nichtinvertierender Verstärker und dem zweiten Schalter ein zweiter invertierender Verstärker vorgeschaltet ist, die eingangsseitig miteinander ge­ koppelt sind und der erste Schalter mit einem ersten Ausgang einer Steuerschaltung sowie der zweite Schalter mit einem zweiten Ausgang der Steuerschaltung verbunden sind.

Vorteilhafterweise besitzen der erste und zweite Verstär­ ker niederohmige Ausgänge. Dabei können diese Verstärker als Operationsverstärker mit betragsmäßig gleicher Ver­ stärkung ausgeführt sein. Bei Verwendung von Operations­ verstärkern mit TRISTATE-Verhalten für den ersten und zweiten Verstärker können die Ausgänge dieser direkt am Kondensator anliegen, wobei dann jeweils der erste und zweite Ausgang der Steuerschaltung mit dem jeweils ersten und zweiten Verstärker gekoppelt ist.

In einer vorteilhaften Ausführung ist die Schaltungsanord­ nung im einzelnen so aufgebaut, daß der erste Operations­ verstärker, an dessen erstem Eingang die erste amplituden­ modulierte Trägerschwingung anliegt, ausgangsseitig über einen ersten Widerstand mit dem zweiten invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers und dem Eingang des ersten Schalters verbunden ist, wobei der zweite Ein­ gang des ersten Operationsverstärkers über einen zweiten Widerstand mit seinem Ausgang und über einen dritten Wi­ derstand mit dem Massepotential und dem ersten Eingang des zweiten Operationsverstärkers verbunden ist und dessen Ausgang mit dem Eingang des zweiten Schalters und über einen vierten Widerstand mit seinem zweiten Eingang ge­ koppelt ist. Dabei können bidirektionale Schalter für den ersten und zweiten Schalter eingesetzt werden.

Die Steuerschaltung besitzt eingangs einen Phasenschieber, dem ein dritter, als Komparator arbeitender Operationsver­ stärker nachgeschaltet ist, an dessen Ausgang ein erster, den zweiten Schalter ansteuernder monostabiler Multivibra­ tor und über einen Negator ein zweiter, den ersten Schal­ ter ansteuernder monostabiler Multivibrator angeordnet sind.

Im weiteren ist vorteilhafterweise dem gemeinsamen Ausgang der Schalter und dem Kondensator zur Entkopplung ein Impe­ danzwandler, bestehend aus einem vierten Operationsver­ stärker, dessen nichtinvertierender Eingang über einen fünften Widerstand am Massepotential anliegt und der aus­ gangsseitig mit seinem invertierenden Eingang gekoppelt ist, nachgeschaltet.

Mit der beschriebenen Erfindung ist ein nach dem Träger­ frequenzverfahren arbeitendes Wegmeßsystem für ein aktives Magnetlager aufbaubar, bei dem der Amplitudenwert der Trägerschwingung ein Maß für den Weg, insbesondere für die Auslenkung einer Welle aus der Mittellage ist. Dabei sind positive und negative Auslenkungen der Welle an der Pha­ senlage der Trägerschwingung erkennbar und durch die pha­ senempfindliche Gleichrichtung auswertbar. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist ein schnelles Folgen des ausgangsseitigen Gleichspannungsverlaufes als Wegmeßsignal auf den tatsächlich zurückgelegten Weg möglich. Dabei wird eine sehr geringe Restwelligkeit des Gleichspannungsverlaufes bei entsprechend hoher Grenzfrequenz erreicht, was sich günstig vorzugsweise auf die Beeinflussung eines aktiven Magnetlagers auswirkt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Kurven und der Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsformen der Schal­ tungsanordnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Trägerschwingungs-, Synchronschwingungs- und Spannungsverläufe,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Schaltungsanord­ nung,

Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau einer Schaltungsanord­ nung bei Verwendung von Operationsverstärkern mit TRISTATE-Verhalten und

Fig. 4 eine vorteilhafte im einzelnen ausgeführte Form der Schaltungsanordnung.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung zur pha­ senempfindlichen Gleichrichtung der amplitudenmodulierten Trägerschwingung f₁ ist prinzipiell so aufgebaut, daß neben dem ersten gesteuerten Schalter 1 ein zweiter ge­ steuerter Schalter 2 vorgesehen ist, und die Ausgänge Z1, Z2 beider Schalter 1, 2 gemäß Fig. 2 und 4 gemeinsam am Kondensator 3 anliegen. Dem Schalter 1 ist ein Verstärker 4 vorgeschaltet, der die gleichzurichtende Träger­ schwingung f₁ empfängt. Der dem Schalter 2 vorgeschaltete Verstärker 5 erhält durch eine geeignete Kopplung der Eingänge der beiden Verstärker 4, 5 die Trägerschwingung f₁ an seinem invertierenden Eingang. Bei betragsmäßig glei­ cher Verstärkung beider Verstärker und invertierender Verstärkung der Trägerschwingung f₁ durch den zweiten Verstärker 5 liegt am Ausgang des ersten Verstärkers die Trägerschwingung f₁ mit den in der Fig. 1 dargestellten Amplitudenwerten U₁ und am Ausgang des zweiten Verstär­ kers 5 die zur Trägerschwingung f₁ um eine halbe Perioden­ dauer der Periodendauer T₁ verschobene Trägerschwingung f₂ mit den Amplitudenwerten U₂ an.

Wird der Schalter 1 über den, den Scheitelwerten ent­ sprechenden Ampitudenwerten U₁ der Trägerschwingung f₁ um den Zeitabschnitt T₃ geöffnet, lädt der Kondensator 3 sich auf den Gleichspannungswert U₃ auf. Nach Ablauf des Zeit­ abschnittes T₃ hält der Kondensator 3 diesen Gleich­ spannungswert über die Zeitdauer T₅, das heißt, bis zum öffnen des zweiten Schalters 2. Der Kondensator 3 über­ nimmt dann den Gleichspannungswert U₄, der den Scheitel­ werten und damit den Amplitudenwerten U₂ der zweiten Trägerschwingung f₂ während des Zeitabschnittes T₄, in der der Schalter 2 geöffnet ist, entspricht.

Die Zeitdauer T₅ entspricht der halben Periodendauer der Perioden T₁, T₂.

Durch niederohmige Ausgänge der Verstärker 4, 5 wird der Kondensator 3 schnell auf die Gleichspannungswerte U₃, U₄, die den ausgetasteten Scheitelwerten der Amplitudenver­ läufe der Trägerschwingungen f₁, f₂ entsprechen, aufgeladen oder entladen. Bei geöffneten Schaltern 1, 2 kann sich der Kondensator 3 nur über seinen Leckwiderstand und den am Eingang des als Impedanzwandler wirkenden Operationsver­ stärkers 18 liegenden hochohmigen Widerstand 19 entladen, so daß sich die am Kondensator 3 gespeicherten Gleich­ spannungswerte U₃, U₄ über den Zeitraum T₅ praktisch nicht ändern.

Der Beginn der Zeitabschnitte T₃, T₄ wird durch die Null­ durchgänge der in Fig. 1 aufgezeigten um eine Phasenver­ schiebung Δϕ verschiebbaren Synchronschwingung f₅ festge­ legt, deren Periodendauer gleich der Periodendauer der Trägerschwingung f₁ ist. Die Phasenverschiebung erfolgt mittels eines Phasenschiebers 13 in der Steuerschaltung 6, dem die Synchronschwingung f_S zugeführt wird.

Bei der genannten Anwendung in einem Wegmeßsystem, daß nach dem Trägerfrequenzverfahren arbeitet, wäre dabei die Synchronschwingung f_s die Brückenspeisespannung einer Maxwell-Brücke, deren Brückenausgangsspannung die Träger­ schwingung f₁ ist. Mit Hilfe des Phasenschiebers 13 der Steuerschaltung 6 lassen sich die Synchronimpulse in zeit­ liche Übereinstimmung mit den Scheitelwerten der Träger­ schwingungen f₁, f₂ bringen, auch dann, wenn die Brückene­ lemente der nicht weiter dargestellten Maxwell-Brücke zwischen Brückenspeisespannung und Brückenausgangsspannung selbst eine Phasenverschiebung bewirken.

Die Zuordnung der Phasenlage der Trägerschwingung f₁ zur Polarität der Ausgangsspannung U wird dadurch bestimmt, welcher der Schalter 1, 2 zu welcher Halbperiode geöffnet wird.

Mittels der in Fig. 4 ausgeführten Steuerschaltung 6 werden die für das öffnen der Schalter 1, 2 erforderlichen Steuerimpulse erzeugt. Hierzu ist dem Phasenschieber 13 ein Operationsverstärker 14 nachgeschaltet, an dessen Ausgang einmal direkt und einmal über einen Negator 16 je ein monostabiler Multivibrator 15, 17 angeordnet ist. Bei Erhalt eines Flankenanstieges der Rechteckspannung U_R an ihren Eingängen TR1, TR2 bestimmen sie an ihren Ausgängen Q1, Q2 die Zeitabschnitte T₃, T₄ für das Öffnen der Schalter 1, 2, wozu sie mit den Steuereingängen X1, X2 der Schalter 1, 2, die vorteilhafterweise bidirektional arbeitende Schal­ ter sein können, gekoppelt sind und die Eingänge Y1, Y2 dieser bidirektionalen Schalter 1, 2 ausführungsgemäß je­ weils mit den Ausgängen der Operationsverstärker 7, 8 ver­ bunden sind sowie die Ausgänge Z1, Z2 der bidirektionalen Schalter 1, 2 gemeinsam am Kondensator 3 anliegen. Die Widerstände 9, 10, 11, 12 dienen der dimensionierten Kopplung der beiden Operationsverstärker 7, 8. Der dem Kon­ densator 3 nachgeschaltete Operationsverstärker 18 dient als Impedanzwandler zur Auskopplung der Ausgangsgleich­ spannung U, die bei Eingabe einer Trägerschwingung f₁ mit konstanter Amplitude als eine praktisch glatte Gleich­ spannung angesehen werden kann, mit einer Welligkeit, die kleiner 0,5% ist. Bei sich ändernden Amplitudenwerten U₁ der Trägerschwingung f₁ wird diese Gleichspannung U nach jeder halben Periode T₁ und damit nach jeder Zeitdauer T₅ aktualisiert, so daß eine im Idealfall treppenförmige Gleichspannung U mit den entsprechenden Spannungswerten U₃, U₄ am Ausgang des Operationsverstärkers 18 zur weiteren Verarbeitung anliegt.

Werden für die Verstärker 4, 5 Operationsverstärker mit TRISTATE-Verhalten eingesetzt, können gemäß Fig. 3 die Schalter 1, 2 entfallen, wobei dann die Steuerschaltung 6 über die Ausgänge Q1, Q2 der monostabilen Multivibratoren 15, 17 direkt mit den Verstärkern 4, 5 gekoppelt ist.

Claims (15)

1. Verfahren zur phasenempfindlichen Gleichrichtung einer amplitudenmodulierten Trägerschwingung, bei dem, den Amplitudenwerten einer Trägerschwingung entsprechende Gleichspannungswerte durch Austastung von Amplitudenwerten der Trägerschwingung in definierten Zeitabschnitten gebil­ det werden, dadurch gekennzeichnet, daß zu der ersten Trägerschwingung (f₁) eine zweite, in ihrer Phase zur ersten Trägerschwingung (f₁) um eine halbe Periodendauer (T₁) verschobene zweite Trägerschwingung (f₂) erzeugt wird und jeweils während der geringsten Änderungen der Amplituden (U₁) der ersten Trägerschwingung (f₁) und der Amplitudenwerte (U₂) der zweiten Trägerschwingung (f₂) über der Zeit (t) für einen ersten Zeitabschnitt (T₃) die Amplitudenwerte (U₁) der ersten Trägerschwin­ gungen (f₁) sowie für einen zweiten Zeitabschnitt (T₄) die Amplitudenwerte (U₂) der zweiten Trägerschwingung (f₂) ausgetastet und jeweils über eine Zeitdauer (T₅), die der halben Periodendauer (T₁; T₂) der ersten und zweiten Trägerschwingungen (f₁; f₂) entspricht, als erster Gleichspannungswert (U₃) und zweiter Gleich­ spannungswert (U₄) so gehalten werden, daß sich ein den Amplitudenwerten (U₁; U₂) entsprechender treppenför­ miger Gleichspannungsverlauf (U) bildet, wobei der Be­ ginn der ersten und zweiten Zeitabschnitte (T₃; T₄) durch die Nulldurchgänge einer, in ihrer Phasenlage zur ersten Trägerschwingung (f₁) verschiedenen und in ihrer Phasenverschiebung (Δϕ) einstellbaren Synchronschwingung (f_S) bestimmt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Trägerschwingung (f₂) in ihrer Periodendauer (T₂) und ihren Amplitudenwerten (U₂) der ersten Trä­ gerschwingung (f₁) entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitabschnitte (T₃; T₄) eine Dauer von einem Bruch­ teil der halben Periodendauer (T₁; T₂) der ersten und zweiten Trägerschwingungen (f₁; f₂) einnehmen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zeitabschnitte (T₃; T₄) von gleicher Dauer sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend der Nulldurchgänge der Synachronschwingung (f_S) ein Flankenanstieg und Flankenabfall einer Recht­ eckspannung (U_R) als Steuersignal für den Beginn der Zeitabschnitte (T₃; T₄) gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauer der Synchronschwingung (f_S) der Pe­ riodendauer (T₁) der ersten Trägerschwingung (f₁) entspricht.

7. Schaltungsanordnung zur phasenempfindlichen Gleich­ richtung einer amplitudenmodulierten Trägerschwingung, bei der ein gesteuerter Schalter mit einem Kondensator ge­ koppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem ersten Schalter (1) ein zweiter Schalter (2) vorgesehen ist, dessen Ausgang wie der Ausgang des ersten Schalters (1) mit dem Kondensator (3) verbunden ist, wobei jeweils dem ersten Schalter (1) ein erster nichtinvertierender Ver­ stärker (4) und dem zweiten Schalter (2) ein zweiter invertierender Verstärker (5) vorgeschaltet sind, die eingangsseitig miteinander gekoppelt und der erste Schal­ ter (1) mit einem ersten Ausgang einer Steuerschaltung (6) sowie der zweite Schalter (2) mit einem zweiten Ausgang der Steuerschaltung (6) verbunden sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verstärker (4; 5) niederohmige Aus­ gänge besitzen.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste und zweite Verstärker (4; 5) je ein erster und zweiter Operationsverstärker (7; 8) mit betragsmäßig gleicher Verstärkung sein kann.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste und zweite Verstärker (4; 5) je ein erster und zweiter Operationsverstärker mit aus­ gangsseitigem TRISTATE-Verhalten sein kann.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge des ersten und zweiten Verstärkers (4; 5) direkt an dem ersten Kondensator (3) anliegen, wobei jeweils der erste und zweite Ausgang der Steuerschaltung (6) mit dem jeweils ersten und zwei­ ten Verstärker (4; 5) gekoppelt ist.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 und 9, dadurch gekennzeichent, daß der erste Operationsverstärker (7), an dessen ersten Eingang eine amplitudenmodulierte Träger­ schwingung anliegt, ausgangsseitig über einen ersten Wi­ derstand (9) mit dem zweiten invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers (8) und dem Eingang des ersten Schalters (1) verbunden ist, wobei der zweite Eingang des ersten Operationsverstärkers (7) über einen zweiten Widerstand (10) mit seinem Ausgang und über einen dritten Widerstand (11) mit dem Massepotential und dem ersten Eingang des zweiten Operationsverstäsrkers (8) verbunden ist und dessen Ausgang mit dem Eingang des zweiten Schalters (2) und über einen vierten Widerstand (12) mit seinem zweiten Eingang gekoppelt ist.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste und zweite Schalter (1; 2) bidirektionale Schalter sind.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die, eine Synchronschwingung erhaltende Steuerschaltung (6) eingangs einen Phasenschieber (13) besitzt, dem ein dritter Operationsverstärker (14) nachgeschaltet ist, an dessen Ausgang ein erster, den zweiten Schalter (2) ansteuernder monostabiler Mul­ tivibrator (15) und über einen Negator (16) ein zwei­ ter, den ersten Schalter (1) ansteuernder monostabiler Multivibrator (17) angeordnet sind.

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem gemeinsamen Ausgang der Schalter (1; 2) und dem ersten Kondensator (3) zur Entkopplung ein Impedanzwandler, bestehend aus einem vierten Operati­ onsverstärker (18), dessen nichtinvertierender Eingang über einen fünften Widerstand (19) am Massepotential anliegt und der ausgangsseitig mit seinem invertierenden Eingang gekoppelt ist, nachgeschaltet ist.