DE4411693A1

DE4411693A1 - Schaltung und Verfahren zur Tiefpaßfilterung bei Mehrfachabtastung von Signalen

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Publication number: DE4411693A1
Application number: DE19944411693
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-04-06
Filing date: 1994-04-06
Publication date: 1995-10-12

Description

Es wird ein Verfahren vorgestellt, das die Bandbreite eines Signals beim Abtasten reduziert, damit ein Aliasing-Effekt vermieden wird. Das Verfahren ist insbeson dere geeignet, um höherfrequente Signalanteile (z. B. breitbandiges Rauschen) bei Mehrfachabtastung, z. B. Correlated-Double-Sampling-Verstärkern zu eliminieren.

Bei Correlated-Double-Sampling (kurz: CDS) wird die Differenz zweier Signal werte eines Eingangssignals aus zwei nacheinanderfolgenden Taktphasen verarbeitet. Damit kein Aliasing auftritt, d. h. das Abtasttheorem verletzt wird, muß das Ein gangssignal in geeigneter Weise bandbegrenzt werden. Eine passive Tiefpaßfilterung ist hierfür nicht geeignet, da das CDS-Prinzip in Verbindung mit energieumformen den Sensoren (z. B. Fotodiode, Meßbrücke), deren Versorgungsenergie periodisch und taktsynchron mit dem CDS-Verstärker variiert, angewandt wird. Gefordert wird je doch eine aktive Filterung, welche die taktunabhängige Signalkomponente aus der Signalquelle tiefpaßfiltert und zugleich die Signalkomponente, welche durch die takt synchrone und periodische Änderung der Versorgungsenergie des energieumformen den Sensors hervorgerufen wird, ungefiltert läßt.

Dies gelingt mit zwei oder ggf. mehreren getrennten RC-Tiefpässen, die aus einem festen, nichtgeschalteten Widerstand in der Signalleitung und zwei oder ggf. mehreren geschalteten Kapazitäten bestehen. Die Kapazitäten sind jeweils mit einer Elektrode an das Bezugspotential angeschlossen, mit der anderen Elektrode werden sie mittels eines taktgesteuerten Schalters für jeweils eine Taktphase des CDS-Verstärkers an dessen Signaleingang geschaltet. Falls bei dem CDS-Verstärker ein positiver und zugleich ein negativer Eingang Verwendung findet, dann können diejenigen Konden satorelektroden, welche für den Anschluß an das Bezugspotential vorgesehen waren, analog zu den anderen Kondensatorelektroden über taktgesteuerte Schalter mit dem zusätzlichen Signaleingang verbunden werden. Ggf. muß im zusätzlichen Signalpfad noch ein Widerstand eingesetzt werden.

Während des Betriebes verhält sich die Schaltung folgendermaßen: Wenn das Sensorsignal am Eingang des energieumformenden Sensors konstant ist, so stellen sich nach einer Einschwingzeit, die mehrere Taktperioden betragen kann, auf den Filterkapazitäten feste Spannungen ein, die den Signalamplituden während derjeni gen Taktphasen, bei denen die Kapazitäten jeweils dem Eingang zugeschaltet sind, entsprechen. Bei konstantem Sensorsignal hat die Filterung mit den geschalteten Ka pazitäten keinen Einfluß auf das Signal, so daß das CDS-Prinzip nicht beeinträchtigt wird. Bei einem zeitlich variablen Sensorsignal ermöglichen die geschalteten Kapa zitäten eine Tiefpaßfilterung, wobei für jede Taktphase mittels einer entsprechenden geschalteten Kapazität die Zeitkonstante separat eingestellt werden kann.

Eine Lichtschranke als Anwendungsbeispiel

Die Anwendung der Tiefpaßfilterung mit zwei geschalteten Kapazitäten, wie in den Ansprüchen, insbesondere den Ansprüchen 3 und 4, dargelegt, wird nachfolgend am Beispiel einer Lichtschranke erklärt.

Es ist bekannt, daß bei Lichtschranken die Trägerfrequenztechnik angewandt wird, um Einflüsse durch Streulicht zu eliminieren. Hier soll jedoch nicht diese Trägerfre quenztechnik, sondern das einfachere Correlated-Double-Sampling (CDS) eingesetzt werden.

Das System wird mit einem periodischen, sich nicht überlappenden Zwei-Phasen- Takt, wie in den Abb. 1 und 2 dargestellt, betrieben. Die Schalter tragen die Bezeichnung S1 bis S5, die Zahlen 1 bzw. 2 in den Klammern nach der Bezeichnung der Schalter weisen darauf hin, in welcher Taktphase der entsprechende Schalter geschlossen ist.

Das Wirkungsprinzip wird zunächst ohne die Tiefpaßfilterung anhand der Abb. 1 erläutert. In der Taktphase 1 ist der Sender ausgeschaltet (dunkel), der Schalter S2 ist geschlossen und auf der Kapazität C_a wird eine Spannung gespeichert, die dem Empfangssignal bei ausgeschaltetem Sender entspricht. Dies bedeutet, daß das mit der Fotodiode D2 des Empfängers aufgenommene Störlicht als Spannungs wert auf C_a zwischengespeichert wird. In der darauffolgenden Taktphase 2 wird der Sender eingeschaltet, der Schalter S2 wird geöffnet und der Schalter S3 wird geschlossen. Vom Empfänger wird das von der Sendediode D1 des Senders abge strahlte Licht und zugleich das Störlicht aufgenommen. Da der Schalter S2 in der Taktphase 2 offen ist, wird die Differenz aus dem in der Taktphase 2 und dem in der Taktphase 1 aufgenommenen Licht als Spannung um etwa C_a/C_r verstärkt auf der Kapazität C_h gespeichert. Aufgrund der Differenzbildung bei diesem CDS-Prinzip wird die Komponente des Störlichts eliminiert, so daß nur die dem Sendesignal äqui valente Signalspannung zum Ausgang V_out gelangt.

Die Eliminierung des Einflusses des Störlichts gelingt um so besser, je langsamer sich die Amplitude des Störlichts relativ zu der Taktperiodendauer des Taktes der Lichtschranke ändert. Ist die Amplitude des Störlichts konstant, so wird dieses völlig eliminiert. Hat das Störlicht die halbe Frequenz der Taktfrequenz der Lichtschranke, so kann eine Verdopplung der dem Störlicht entsprechenden Spannungsamplitude am Ausgang V_out entstehen. Höherfrequente Spektralanteile des Störlichts können auf grund der Abtastung in das Basisband, das ist der Bereich von f=0 Hz bis zur halben Taktfrequenz der Lichtschranke, gefaltet werden (Aliasing). Aus diesem Grund muß für eine geeignete Bandbegrenzung des Signals aus dem Störlicht gesorgt werden, ohne die Nutzsignalbandbreite über das erforderliche Maß hinaus einzuschränken und ohne das CDS-Prinzip aufgrund einer festen Filterkapazität parallel zu R_b zu verhindern.

Daher werden gemäß Abb. 2 zwei geschaltete Filterkapazitäten C_l1 und C_l2 verwendet. In der Taktphase 1 ist C_l1, in der Taktphase 2 ist C_l2 mit dem Eingangs knoten verbunden. Wenn sich das Übertragungsmedium nicht ändert, d. h. der Anteil der Lichts, der von der Sendediode D1 zur Empfangsdiode D2 gelangt, konstant bleibt, so stellen sich auf C_l1 und C_l2 nach mehreren Taktzyklen Spannungen ein, die den empfangenen Signalen bei ausgeschaltetem und bei eingeschaltetem Sender entsprechen.

Der Kleinsignalwiderstand der Fotodiode D2 und der parallele Lastwiderstand R_b ergeben zusammen mit einer Filterkapazität C_l1 oder C_l2, je nach der augenblickli chen Schalterstellung, einen RC-Tiefpaß, der die Bandbreite des Signals, das in den CDS-Verstärker gelangt, begrenzt. Da in den jeweiligen Taktphasen eigene Filter kapazitäten zugeschaltet werden, auf denen sich unterschiedliche Singalspannungen einstellen können, bleibt das CDS-Prinzip funktionsfähig.

Zusammenfassung

Mit dem dargelegten Verfahren läßt sich eine Übertragungsstrecke realisieren, die auf einer Zweifachabtastung (Correlated-Double-Sampling) als Alternative zur Träger frequenztechnik beruht. Hierbei wird eine Tiefpaßfilterung des empfangenen Signals mit geschalteten Kapazitäten durchgeführt, so daß ein Aliasing beim Abtasten ver mieden werden kann.

Claims

1. Ein Verfahren und eine Schaltung zur Tiefpaßfilterung des Signals an einem oder mehreren Eingängen einer Schaltung, die ein Autozeroverstärker oder eine Schaltung zur Durchführung von Mehrfachabtastung oder zur Durchführung von Correlated- Double-Sampling sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens zwei Kapazitäten mittels taktgesteuerter Schalter zu bestimmten und nicht identischen Taktphasen mit jeweils einer Elektrode an den Eingang der Schal tung angeschlossen werden,
daß die jeweils andere Elektrode dieser Kapazitäten entweder mit dem Bezugspotential oder, falls die Schaltung mehrere Eingänge besitzt, mittels taktgesteuerter Schalter an einen weiteren Eingang der Schaltung zu bestimmten Taktphasen angeschlossen wird,
daß sich im Signalpfad vor der Schaltung ein Widerstand befindet oder, falls die Schal tung mehrere Eingänge besitzt, sich in mehreren Signalpfaden Widerstände befinden,
daß auf Widerstände ganz oder teilweise verzichtet wird, falls die Schaltung ein Signal aus einer Signalquelle verarbeitet, die ganz oder teilweise eine ohmsche Impedanz aufweist.

2. Eine Verfahren und eine Schaltung nach Anspruch 1, angewandt auf eine Über tragungsstrecke unter Verwendung einer Zweifachabtastung, wobei die Übertra gungsstrecke aus einem Sender, einer eigentlichen Übertragungsstrecke, die das zu übertragende Signal verändern kann, einem Empfänger und einer Schaltung, die das empfangene Signal verarbeitet oder verändert, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen Empfänger und der signalverarbeitenden Schaltung eine Tiefpaßfilterung gemäß dem Hauptanspruch mit geschalteten Kapazitäten durchgeführt wird,
daß die Übertragungsstrecke unter Zuhilfenahme eines Taktes, der aus mindestens zwei Taktphasen besteht, betrieben wird, wobei in einer Taktphase der Sender ausgeschal tet ist und in einer anderen Taktphase eingeschaltet ist,
daß die Tiefpaßfilterung mit zwei oder mehreren geschalteten Kapazitäten durchgeführt wird, wobei auf mindestens einer Kapazität das Empfangssignal derjenigen Takt phase, in welcher der Sender ausgeschaltet ist, gespeichert bzw. gefiltert wird, und auf mindestens einer weiteren Kapazität das Empfangssignal derjenigen Taktphase, in welcher der Sender eingeschaltet ist, gespeichert bzw. gefiltert wird,
daß bei Auswertung des empfangenen Signals mindestens zwei Signale, jedes von einer anderen Kapazität, verarbeitet wird.

3. Eine Verfahren und eine Schaltung nach Anspruch 1 und 2, angewandt auf eine Lichtschranke oder eine Reflexlichtschranke, wobei als Reflektor die Umgebung oder beliebige Körper dienen können, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sender in einer Taktphase ausgeschaltet (d. h. dunkel) und in einer weiteren Takt phase eingeschaltet (d. h. hell) ist,
daß auf einer geschalteten Kapazität am Eingang der Schaltung, die das Empfangssignal verarbeitet, das Signal bei eingeschaltetem Sender, auf einer weiteren Kapazität das Signal bei ausgeschaltetem Sender gespeichert oder gefiltert oder gespeichert und zu gleich gefiltert wird,
daß in der Schaltung, die das Empfangssignal verarbeitet, die Differenz der Signale, die sich nach einem oder mehreren Taktzyklen auf den zwei Kapazitäten einstellen, ver arbeitet wird,
daß bei der Tiefpaßfilterung ganz auf den Widerstand verzichtet wird oder ein Widerstand verwendet wird, der kleiner ist als bei Verwendung eines Empfängers ohne ohmsche Ausgangsimpedanz, falls der Empfänger aus einer Fotodiode oder einem Fotowider stand oder einer Anzahl lichtempfindlicher Sensoren, falls erforderlich in Kombination mit einer Anzahl von Lastwiderständen, besteht.

4. Eine Schaltung nach einem oder mehreren Ansprüchen als den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
sowohl die Schalter für die geschalteten Kapazitäten zur Tiefpaßfilterung, als auch die Schaltung zur Verarbeitung des empfangenen Signals oder Teile dieser Schaltung, gegebenenfalls zusammen mit den geschalteten Kapazitäten und gegebenenfalls zu sammen mit einem Sensor als sogenannte monolithisch integrierte Schaltung oder als Hybrid-Schaltung oder als Kombination aus monolithisch und hybrid-integrierter Schaltung realisiert wird,
daß die Schalter für die geschalteten Kapazitäten mittels beliebiger Feldeffekttransistoren realisiert werden.