ES2639476B1 - CIRCUIT AND METHOD FOR DEMODULAR SIGNALS THROUGH A DIGITAL TIMER - Google Patents

CIRCUIT AND METHOD FOR DEMODULAR SIGNALS THROUGH A DIGITAL TIMER Download PDF

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Abstract

Circuito y método para demodular señales mediante un temporizador digital.#La presente invención se refiere a un circuito y a un método para la demodulación de señales moduladas en amplitud mediante un temporizador digital, sin emplear ningún rectificador, mezclador, filtro paso bajo ni convertidor analógico-digital. La señal modulada se asume con una frecuencia de portadora en el rango de los kilohertzios, tal y como ocurre en circuitos de acondicionamiento para sensores capacitivos e inductivos. Se propone que la señal modulada actúe como una interferencia superpuesta a la tensión umbral utilizada para medir el periodo de una señal triangular conocida. De esta manera, la desviación estándar de un conjunto de N medidas de periodo sujetas a los efectos de la señal modulada contiene información sobre la amplitud.Circuit and method for demodulating signals by means of a digital timer. # The present invention relates to a circuit and a method for the demodulation of signals modulated in amplitude by means of a digital timer, without using any rectifier, mixer, low pass filter or analog converter. digital. The modulated signal is assumed with a carrier frequency in the kilohertz range, as occurs in conditioning circuits for capacitive and inductive sensors. It is proposed that the modulated signal act as an interference superimposed on the threshold voltage used to measure the period of a known triangular signal. Thus, the standard deviation of a set of N period measurements subject to the effects of the modulated signal contains information about the amplitude.

Description

CIRCUITO Y MÉTODO PARA DEMODULAR SEÑALES MEDIANTE UN TEMPORIZADOR DIGITAL CIRCUIT AND METHOD FOR DEMODULAR SIGNALS THROUGH A DIGITAL TIMER

Sector de la técnica: Technical sector:

5  5

La presente invención se refiere a un circuito y a un método para la demodulación de señales moduladas en amplitud mediante un temporizador digital. El sector de la técnica al que se refiere es el de la instrumentación electrónica. The present invention relates to a circuit and a method for demodulation of amplitude modulated signals by means of a digital timer. The sector of the technique to which it refers is that of electronic instrumentation.

Estado de la técnica: 10 State of the art: 10

En el campo de la instrumentación electrónica, la lectura de determinados sensores se lleva a cabo mediante circuitos electrónicos de acondicionamiento que excitan el sensor con una señal alterna, siendo ésta generalmente sinusoidal o cuadrada. Por ejemplo, la lectura de sensores capacitivos e inductivos (que son 15 utilizados para medir desplazamiento, posición, distancia, presión y nivel) precisa una excitación alterna. Algunos sensores resistivos (por ejemplo, sensores electrolíticos) también precisan una excitación alterna con el fin de evitar la electrólisis. Un circuito de acondicionamiento común para estos sensores es el circuito tipo puente excitado en alterna, también conocido como puente de alterna. 20 En la literatura podemos encontrar distintos puentes de alterna y sus modificaciones mediante amplificadores operacionales (para obtener una respuesta lineal y minimizar los efectos de los componentes parásitos) pensados para sensores capacitivos e inductivos, tales como el puente de Wien, Maxwell-Wien [1], Maxwell con inductancias [2, 3], y Hay. 25 In the field of electronic instrumentation, the reading of certain sensors is carried out by means of electronic conditioning circuits that excite the sensor with an alternating signal, this being generally sinusoidal or square. For example, the reading of capacitive and inductive sensors (which are used to measure displacement, position, distance, pressure and level) requires an alternating excitation. Some resistive sensors (for example, electrolytic sensors) also require an alternating excitation in order to avoid electrolysis. A common conditioning circuit for these sensors is the alternating excited bridge type circuit, also known as the alternating bridge. 20 In the literature we can find different alternating bridges and their modifications through operational amplifiers (to obtain a linear response and minimize the effects of parasitic components) designed for capacitive and inductive sensors, such as the Wien bridge, Maxwell-Wien [1 ], Maxwell with inductances [2, 3], and Hay. 25

En el caso que la excitación del sensor sea sinusoidal, la frecuencia (fe) de la señal de excitación generalmente vale unidades de kilohertzios para sensores inductivos [1-3], y decenas [4] o centenas [5-6] de kilohertzios para sensores capacitivos. La señal de salida del circuito de acondicionamiento es también 30 sinusoidal con una portadora a la frecuencia fe y una amplitud modulada según la magnitud física a medir. La demodulación de esta señal puede implementarse con: (a) un demodulador asíncrono (o detector de envolvente) que incorpora un rectificador y un filtro paso bajo que proporciona el valor medio de la señal In the event that the sensor excitation is sinusoidal, the frequency (faith) of the excitation signal is generally worth units of kilohertz for inductive sensors [1-3], and tens [4] or hundreds [5-6] of kilohertz for capacitive sensors The output signal of the conditioning circuit is also sinusoidal with a carrier at the frequency fe and an amplitude modulated according to the physical quantity to be measured. The demodulation of this signal can be implemented with: (a) an asynchronous demodulator (or envelope detector) that incorporates a rectifier and a low-pass filter that provides the average value of the signal

rectificada [2,6], o (b) un demodulador síncrono (o coherente) que incorpora un mezclador y un filtro paso bajo [4-5]. Si la señal modulada no presenta una supresión de portadora, se puede aplicar tanto la demodulación asíncrona como síncrona, teniendo en cuenta que la segunda ofrece una mayor capacidad de rechazo a interferencias a expensas de una mayor complejidad de diseño. En 5 cambio, si la señal modulada presenta una supresión de portadora y es necesario detectar cambios de fase, solamente es posible aplicar la demodulación síncrona. Una vez realizada la demodulación (sea asíncrona o síncrona) en el dominio analógico, la señal resultante de baja frecuencia es digitalizada mediante un convertidor analógico-digital. Por lo tanto, la lectura de la señal modulada precisa 10 un rectificador o un mezclador, más un filtro paso bajo y un convertidor analógico-digital. Las funciones de la demodulación síncrona (mezclado y filtraje) también pueden implementarse en el dominio digital utilizando en primer lugar un convertidor analógico-digital que trabaje a mayor frecuencia de muestreo [3]. rectified [2,6], or (b) a synchronous (or coherent) demodulator that incorporates a mixer and a low pass filter [4-5]. If the modulated signal does not have a carrier suppression, both asynchronous and synchronous demodulation can be applied, taking into account that the second offers a greater capacity to reject interference at the expense of greater design complexity. On the other hand, if the modulated signal has a carrier suppression and it is necessary to detect phase changes, only synchronous demodulation can be applied. Once the demodulation (whether asynchronous or synchronous) is performed in the analog domain, the resulting low frequency signal is digitized by an analog-digital converter. Therefore, the reading of the modulated signal requires a rectifier or a mixer, plus a low pass filter and an analog-digital converter. The functions of synchronous demodulation (mixing and filtering) can also be implemented in the digital domain using first an analog-digital converter that works at a higher sampling rate [3].

15  fifteen

En el caso que la excitación del sensor sea cuadrada, tal y como ocurre en un oscilador de relajación [7], la señal de salida del circuito de acondicionamiento presenta una modulación en el dominio temporal, por ejemplo: una señal cuyo periodo (o frecuencia) varía con la magnitud física a medir. La demodulación de estas señales puede realizarse directamente con un temporizador digital (por 20 ejemplo, integrado en un microcontrolador) sin utilizar un convertidor analógico-digital ya que la información de interés no se encuentra en la amplitud de la señal. La medida de periodo mediante un temporizador digital se basa en el siguiente principio de funcionamiento. Cuando la señal de entrada cruza una determinada tensión umbral, el temporizador digital empieza a contar pulsos de alta frecuencia 25 procedentes de un oscilador de referencia. Después de un periodo de la señal de entrada, ésta cruza de nuevo la tensión umbral con el mismo flanco y el temporizador digital se detiene. Por consiguiente, el periodo de la señal de entrada se puede calcular como el número de cuentas registrado en el temporizador multiplicado por el periodo de la señal del oscilador de referencia. 30 In the event that the excitation of the sensor is square, as occurs in a relaxation oscillator [7], the output signal of the conditioning circuit has a modulation in the temporal domain, for example: a signal whose period (or frequency) ) varies with the physical quantity to be measured. The demodulation of these signals can be done directly with a digital timer (for example, integrated in a microcontroller) without using an analog-digital converter since the information of interest is not in the amplitude of the signal. The period measurement by means of a digital timer is based on the following operating principle. When the input signal crosses a certain threshold voltage, the digital timer starts counting high frequency pulses 25 from a reference oscillator. After a period of the input signal, it crosses the threshold voltage again with the same edge and the digital timer stops. Therefore, the period of the input signal can be calculated as the number of accounts registered in the timer multiplied by the period of the reference oscillator signal. 30

Según el estudio teórico y experimental documentado en [8], la medida de periodo de una señal no cuadrada (es decir, con una velocidad de cambio lenta) es susceptible a interferencias sinusoidales superpuestas tanto a la señal de entrada According to the theoretical and experimental study documented in [8], the period measurement of a non-square signal (that is, with a slow rate of change) is susceptible to sinusoidal interference superimposed on both the input signal

como a la tensión umbral. Esta interferencia provoca que los instantes de inicio y fin de la temporización sean erróneos y, por lo tanto, la medida de periodo tiene una variabilidad. Esta variabilidad (cuantificada a partir de la desviación estándar de las medidas) incrementa proporcionalmente con la amplitud de la interferencia y depende de la relación que haya entre la frecuencia de la interferencia (fi) y la 5 frecuencia de la señal de entrada (f0). Los efectos de la interferencia son nulos cuando fi = k·f0, mientras que son máximos cuando fi = (k + 0.5)·f0, siendo k cualquier número entero positivo incluyendo el cero. Este comportamiento es similar al que presenta un convertidor analógico-digital integrador que es capaz de rechazar completamente interferencias superpuestas a la señal analógica de 10 entrada siempre que el periodo de la interferencia sea un submúltiplo del tiempo de integración del convertidor. as at the threshold voltage. This interference causes the timing of the start and end of the timing to be wrong and, therefore, the period measurement has a variability. This variability (quantified from the standard deviation of the measurements) increases proportionally with the amplitude of the interference and depends on the relationship between the frequency of the interference (fi) and the frequency of the input signal (f0) . The effects of the interference are null when fi = k · f0, while they are maximum when fi = (k + 0.5) · f0, where k is any positive integer including zero. This behavior is similar to that presented by an integrating analog-digital converter that is capable of completely rejecting interference superimposed on the analog input signal as long as the interference period is a submultiple of the converter integration time.

[1] S. Chattopadhyay, S.C. Bera, “Modification of the Maxwell-Wien bridge for accurate measurement of a process variable by an inductive transducer”, IEEE 15 Trans. Instrum. Meas. 59 (9) (2010) 2445-2449. [1] S. Chattopadhyay, S.C. Bera, "Modification of the Maxwell-Wien bridge for accurate measurement of a process variable by an inductive transducer", IEEE 15 Trans. Instrum Meas. 59 (9) (2010) 2445-2449.

[2] S.C. Bera, N. Mandal, R. Sarkar, “Study of a pressure transmitter using an improved inductance bridge network and Bourdon tube as transducer”, IEEE Trans. Instrum. Meas. 60 (4) (2011) 1453-1460. [2] S.C. Bera, N. Mandal, R. Sarkar, "Study of a pressure transmitter using an improved inductance bridge network and Bourdon tube as transducer", IEEE Trans. Instrum Meas. 60 (4) (2011) 1453-1460.

[3] P.Kumar, B. George, J. Kumar, “A simple signal conditioning scheme for 20 inductive sensors”, Int. Conf. Sensing Technology (2013) 512-515. [3] P. Kumar, B. George, J. Kumar, “A simple signal conditioning scheme for 20 inductive sensors”, Int. Conf. Sensing Technology (2013) 512-515.

[4] W.Q. Yang, “A self-balancing circuit to measure capacitance and loss conductance for industrial transducer applications”, IEEE Trans. Instrum. Meas. 45 (6) (1996) 955-958. [4] W.Q. Yang, "A self-balancing circuit to measure capacitance and loss conductance for industrial transducer applications", IEEE Trans. Instrum Meas. 45 (6) (1996) 955-958.

[5] C. Kolle, P.O. Leary, “Low-cost, high-precision measurement system for 25 capacitive sensors”, Meas. Sci. Technol. 9 (1998) 510-517. [5] C. Kolle, P.O. Leary, “Low-cost, high-precision measurement system for 25 capacitive sensors”, Meas. Sci. Technol. 9 (1998) 510-517.

[6] J.C. Lötters, W. Olthuis, P.H. Veltink, P. Bergveld, “A sensitive differential capacitance to voltage converter for sensor applications,” IEEE Trans. Instrum. Meas. 48 (1) (1999) 89-96. [6] J.C. Lötters, W. Olthuis, P.H. Veltink, P. Bergveld, “A sensitive differential capacitance to voltage converter for sensor applications,” IEEE Trans. Instrum Meas. 48 (1) (1999) 89-96.

[7] E.G. Bakhoum, M.H.M. Cheng, “High-sensitivity inductive pressure sensor”, 30 IEEE Trans. Instrum. Meas. 60 (8) (2011) 2960-2966. [7] E.G. Bakhoum, M.H.M. Cheng, “High-sensitivity inductive pressure sensor”, 30 IEEE Trans. Instrum Meas. 60 (8) (2011) 2960-2966.

[8] F. Reverter, M. Gasulla, R. Pallàs-Areny, “Analysis of interference effects on period-to-digital conversions”, Meas. Sci. Technol. 16 (2005) 2261-2264. [8] F. Reverter, M. Gasulla, R. Pallàs-Areny, "Analysis of interference effects on period-to-digital conversions", Meas. Sci. Technol. 16 (2005) 2261-2264.

Descripción de la invención: Description of the invention:

El circuito y el método propuestos en la presente invención tienen por objetivo demodular señales moduladas en amplitud mediante circuitos propios de la demodulación de señales moduladas en el dominio temporal, es decir: un 5 temporizador digital. La señal modulada en amplitud se asume sin supresión de portadora y con una frecuencia fe en el rango de los kilohertzios, tal y como ocurre en circuitos de acondicionamiento para sensores capacitivos e inductivos. El circuito propuesto no precisa los bloques típicos de una demodulación en amplitud (tales como un rectificador o un mezclador, y un filtro paso bajo) ni un convertidor 10 analógico-digital, ya que la demodulación y la digitalización son ambas implementadas mediante el temporizador digital, obteniendo así un circuito demodulador de bajo coste y bajo consumo. The circuit and method proposed in the present invention are intended to demodulate amplitude modulated signals by means of circuits specific to the demodulation of modulated signals in the time domain, that is: a digital timer. The amplitude modulated signal is assumed without carrier suppression and with a frequency faith in the kilohertz range, as occurs in conditioning circuits for capacitive and inductive sensors. The proposed circuit does not require the typical blocks of an amplitude demodulation (such as a rectifier or mixer, and a low pass filter) or an analog-digital converter 10, since demodulation and digitization are both implemented by the digital timer , thus obtaining a low cost and low consumption demodulator circuit.

El método propuesto utiliza la señal modulada en amplitud como una interferencia 15 en la medida de periodo de una señal triangular conocida. Los efectos (inicialmente considerados adversos) de una señal sinusoidal superpuesta a la tensión umbral durante la medida de periodo de una señal conocida son aquí explotados para extraer el valor de la amplitud. Para ser precisos, la amplitud de la señal modulada es cuantificada mediante la desviación estándar (DE) de un 20 conjunto de N medidas de periodo de la señal triangular. Asumiendo que fe es conocida, la frecuencia (f0) de la señal triangular debe ajustarse para cumplir la relación f0 = fe /(k + 0.5). De esta manera, se obtiene un valor de DE máximo que incrementa con la amplitud de la señal modulada. Por ejemplo, si el circuito electrónico presenta una excitación con una frecuencia fe = 1 kHz, la señal 25 triangular a temporizar debería tener una f0 igual a 2 kHz, 666 Hz, 400 Hz,… que corresponden a k igual a 0, 1, 2,… respectivamente. La principal limitación de este método es el tiempo de medida ya que es necesario medir N veces el periodo de la señal triangular para extraer posteriormente la desviación estándar. Para reducir este tiempo de medida, el caso k = 0 que da lugar a una f0 superior 30 es el más apropiado. Para el ejemplo anterior y asumiendo una N = 100, el tiempo de medida es de 50 ms, que es aceptable para aplicaciones industriales. The proposed method uses the amplitude modulated signal as an interference 15 in the period measurement of a known triangular signal. The effects (initially considered adverse) of a sinusoidal signal superimposed on the threshold voltage during the period measurement of a known signal are exploited here to extract the amplitude value. To be precise, the amplitude of the modulated signal is quantified by the standard deviation (SD) of a set of N period measurements of the triangular signal. Assuming that faith is known, the frequency (f0) of the triangular signal must be adjusted to meet the relation f0 = fe / (k + 0.5). In this way, a maximum DE value is obtained which increases with the amplitude of the modulated signal. For example, if the electronic circuit has an excitation with a frequency fe = 1 kHz, the triangular signal 25 to be timed should have an f0 equal to 2 kHz, 666 Hz, 400 Hz,… corresponding to k equal to 0, 1, 2 , ... respectively. The main limitation of this method is the measurement time since it is necessary to measure N times the period of the triangular signal to subsequently extract the standard deviation. To reduce this measurement time, the case k = 0 resulting in a higher f0 30 is the most appropriate. For the previous example and assuming an N = 100, the measurement time is 50 ms, which is acceptable for industrial applications.

Breve descripción de los dibujos: Brief description of the drawings:

La figura 1 presenta una realización preferente de la invención para demodular señales moduladas en amplitud mediante un temporizador digital. Figure 1 presents a preferred embodiment of the invention for demodulating amplitude modulated signals by a digital timer.

La figura 2 presenta las formas de onda de la tensión en las entradas (5) y (7), y 5 en la salida (9) del comparador de la figura 1 para una amplitud A1 de la señal modulada, asumiendo k = 0 y, por lo tanto, f0 = 2fe. Figure 2 shows the voltage waveforms at the inputs (5) and (7), and 5 at the output (9) of the comparator of Figure 1 for an amplitude A1 of the modulated signal, assuming k = 0 and , therefore, f0 = 2fe.

La figura 3 presenta las formas de onda de la tensión en las entradas (5) y (7), y en la salida (9) del comparador de la figura 1 para una amplitud A2 (> A1) de la señal modulada, asumiendo k = 0 y, por lo tanto, f0 = 2fe. 10 Figure 3 shows the voltage waveforms at the inputs (5) and (7), and at the output (9) of the comparator of Figure 1 for an amplitude A2 (> A1) of the modulated signal, assuming k = 0 and, therefore, f0 = 2fe. 10

Descripción de una realización preferente: Description of a preferred embodiment:

La presente invención propone demodular señales moduladas en amplitud mediante el circuito de la figura 1, donde se asume una alimentación unipolar a 15 partir de la tensión VDD. La señal sinusoidal modulada (1), con una frecuencia de portadora fe, se acopla en alterna a través del condensador (2) hacia un divisor de tensión formado por dos resistencias (3) y (4) del mismo valor. De esta manera, se obtiene una tensión (5) igual a VDD/2 (que actúa como tensión umbral en la medida de periodo) con la componente alterna de la señal (1) superpuesta. Por 20 otro lado, un oscilador (6) proporciona una señal triangular (7) comprendida entre 0 V y VDD, y con una frecuencia f0 = fe /(k + 0.5), siendo k un número entero positivo incluyendo el cero. Las señales (5) y (7) son posteriormente comparadas mediante un comparador (8), que proporciona a la salida (9) un nivel lógico alto (es decir, VDD) cuando (7) es superior a (5), y un nivel lógico bajo (es decir, 0 V) 25 cuando (5) es superior a (7). A continuación, el periodo de esta señal cuadrada generada en la salida (9) del comparador se mide mediante un temporizador digital (10) integrado, por ejemplo, en un microcontrolador. The present invention proposes to demodulate amplitude modulated signals by means of the circuit of Figure 1, where a unipolar supply is assumed from the VDD voltage. The modulated sinusoidal signal (1), with a carrier frequency fe, is alternately coupled through the capacitor (2) to a voltage divider formed by two resistors (3) and (4) of the same value. In this way, a voltage (5) equal to VDD / 2 (acting as a threshold voltage in the period measurement) is obtained with the alternating component of the signal (1) superimposed. On the other hand, an oscillator (6) provides a triangular signal (7) between 0 V and VDD, and with a frequency f0 = fe / (k + 0.5), where k is a positive integer including zero. The signals (5) and (7) are subsequently compared by means of a comparator (8), which provides the output (9) with a high logic level (i.e., VDD) when (7) is greater than (5), and a Logic level low (i.e. 0 V) 25 when (5) is greater than (7). Next, the period of this square signal generated at the output (9) of the comparator is measured by a digital timer (10) integrated, for example, in a microcontroller.

En el caso que la señal modulada (1) presente una amplitud igual a cero, la 30 tensión (5) está libre de interferencia y, por lo tanto, los instantes de inicio y fin de la temporización son correctos. En estas condiciones, la comparación entre (5) y (7) da lugar a una señal cuadrada con un periodo (T0) igual al de la señal triangular y con una variabilidad nula. Sin embargo, si la señal modulada (1) presenta una determinada amplitud (A1), la comparación entre (5) y (7) genera unos instantes de inicio y fin de la temporización erróneos, tal y como muestra la figura 2, obteniendo así una señal cuadrada con un periodo igual a T’0 en vez de T0. La medida de N periodos en estas condiciones da lugar a N valores de T’0 cuya DE es proporcional a la amplitud de la señal modulada (1). Obsérvese en la 5 Figura 3 como una mayor amplitud de la señal modulada (es decir, A2 > A1) provoca valores de T’0 más dispares y, en consecuencia, una mayor DE de las N medidas de periodo. In the event that the modulated signal (1) has an amplitude equal to zero, the voltage (5) is free from interference and, therefore, the timing of the start and end of the timing are correct. Under these conditions, the comparison between (5) and (7) results in a square signal with a period (T0) equal to that of the triangular signal and with zero variability. However, if the modulated signal (1) has a certain amplitude (A1), the comparison between (5) and (7) generates erroneous start and end times of the timing, as shown in Figure 2, thus obtaining a square signal with a period equal to T'0 instead of T0. The measurement of N periods under these conditions gives rise to N values of T’0 whose DE is proportional to the amplitude of the modulated signal (1). Note in Figure 3 how a larger amplitude of the modulated signal (ie A2> A1) causes more disparate T’0 values and, consequently, a greater DE of the N period measurements.

Claims (2)

1. Un circuito para demodular señales moduladas en amplitud mediante un temporizador digital caracterizado porque comprende: 1. A circuit to demodulate amplitude modulated signals by means of a digital timer characterized in that it comprises: - un oscilador que genera una señal triangular; 5 - an oscillator that generates a triangular signal; 5 - un circuito de acoplo en alterna que proporciona una tensión umbral con la señal modulada en amplitud superpuesta; - an alternating coupling circuit that provides a threshold voltage with the modulated signal in superimposed amplitude; - un comparador que compara las dos señales anteriores y que proporciona en la salida una señal cuadrada cuyo periodo contiene información sobre la amplitud de la señal modulada; y 10 - a comparator that compares the two previous signals and that provides at the output a square signal whose period contains information on the amplitude of the modulated signal; and 10 - un temporizador digital que mide el periodo de la señal cuadrada de la salida del comparador. - a digital timer that measures the period of the square signal of the comparator output. 2. Un método para demodular señales moduladas en amplitud mediante un temporizador digital caracterizado por 15 2. A method to demodulate amplitude modulated signals by a digital timer characterized by - emplear la señal modulada como una interferencia superpuesta a la tensión umbral al medir el periodo de una señal triangular conocida; - use the modulated signal as an interference superimposed on the threshold voltage when measuring the period of a known triangular signal; - utilizar una frecuencia de la señal triangular f0 = fe /(k + 0.5), siendo fe la frecuencia de portadora de la señal modulada y k un número entero positivo incluyendo el cero; y 20 - use a frequency of the triangular signal f0 = fe / (k + 0.5), being the carrier frequency of the modulated signal and k a positive integer including zero; and 20 - emplear la desviación estándar de un conjunto de N medidas de periodo de la señal triangular sujetas a los efectos de la señal modulada para cuantificar la amplitud. - use the standard deviation of a set of N measures of the triangular signal period subject to the effects of the modulated signal to quantify the amplitude.
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