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Dokumentenidentifikation DE19540139C2 02.06.1999
Titel Verfahren zur Einstellung der Mittenfrequenz eines Bandfilters
Anmelder Endress + Hauser GmbH + Co., 79689 Maulburg, DE
Erfinder Michalski, Bernhard, Dipl.-Ing. (FH), 79689 Maulburg, DE
Vertreter Prinz und Kollegen, 81241 München
DE-Anmeldedatum 27.10.1995
DE-Aktenzeichen 19540139
Offenlegungstag 30.04.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 02.06.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.06.1999
IPC-Hauptklasse H03J 5/00

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Mittenfrequenz eines Bandfilters, bei welchem das Bandfilter mit einem Verstärker verbunden wird, der so dimensioniert ist, daß er zusammen mit dem Bandfilter einen Oszillator bildet, der sich zu einer Schwingung mit seiner Eigenresonanzfrequenz erregt, die gleich der Mittenfrequenz des Bandfilters ist, die Frequenz der Oszillatorschwingung gemessen wird und die Mittenfrequenz des Bandfilters durch ein an einen Frequenzsteuereingang angelegtes Frequenzsteuersignal so eingestellt wird, daß die gemessene Frequenz der Oszillatorschwingung mit einem vorgegebenen Sollwert übereinstimmt.

Bei einem aus der EP 0 034 064 A2 bekannten Verfahren dieser Art erfolgt die Einstellung der Mittenfrequenz eines Bandsperrfilters entweder von Hand, bis die gemessene Oszillatorfrequenz mit dem Sollwert übereinstimmt, oder automatisch durch eine Regelschaltung, die die Oszillatorfrequenz mit der Frequenz eines Referenzsignals vergleicht und bei Feststellung einer Abweichung ein Frequenzsteuersignal erzeugt, das die Mittenfrequenz verstellt, bis die Abweichung beseitigt ist.

In der DE 32 36 162 A1 ist ein selbstabgleichender Schmalbandempfänger extrem hoher Güte bzw. geringer Bandbreite beschrieben, der eine resonanzfähige Schaltung enthält, die hinsichtlich der Resonanzfrequenz und der Güte elektrisch einstellbar ist, und bei dem ein Mikrocomputer ständig Frequenz und Bandbreite mißt und aufgrund dieser Meßergebnisse die elektrischen Stellgrößen für den Resonanzkreis so ausgibt, daß sich genau die gewünschte Frequenz und Bandbreite ergeben. Die resonanzfähige Schaltung ist dadurch gebildet, daß der Empfänger als Audion ausgebildet ist, dessen Mitkopplung zur Messung der Resonanzfrequenz in kleinen Schritten erhöht wird, bis die Eigenschwingung einsetzt.

Aus der DE 28 54 852 C2 ist eine elektronische Abstimmeinheit bekannt, die insbesondere für Fernseh-Empfangsgeräte bestimmt ist, um beliebig viele Eingangskreise des Tuners in jedem Kanal bei jeder Kanalneueinstellung automatisch exakt abzustimmen. Zu diesem Zweck ist jedem Eingangskreis ein Hilfsoszillator und ein Analogspeicher zugeordnet. Während des Abstimmvorgangs werden zunächst nacheinander die Eingangskreise durch die ihnen zugeordneten Hilfsoszillatoren kurzzeitig zum Schwingen gebracht, und die jeweilige Frequenz eines Kanals wird durch Einstellung eines entsprechenden Teilerverhältnisses in einem als Frequenznachregelschaltung dienenden PLL-System abgestimmt. Die sich ergebenden Abstimmspannungen für die Eingangskreise werden in den zugeordneten Analogspeichern gespeichert, von denen sie nach Beendigung des Abstimmvorgangs den Abstimmdioden der Eingangskreise zugeführt werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, das mit geringem Aufwand eine schnelle Einstellung der Mittenfrequenz eines Bandfilters ermöglicht.

Ausgehend von dem eingangs angegebenen Verfahren wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Einstellung der Mittenfrequenz des Bandfilters auf den vorgegebenen Sollwert ein Frequenzsteuersignal mit einem ersten Wert an den Frequenzsteuereingang des Bandfilters angelegt und die daraus resultierende erste Oszillatorfrequenz gemessen wird, daß dann ein Frequenzsteuersignal mit einem zweiten Wert an den Frequenzsteuereingang des Bandfilters angelegt und die daraus resultierende zweite Oszillatorfrequenz gemessen wird, daß durch Interpolation zwischen den beiden Wertepaaren der dem Sollwert der Mittenfrequenz zugeordnete Wert des Frequenzsteuersignals ermittelt wird, und daß ein Frequenzsteuersignal mit diesem ermittelten Wert an den Frequenzsteuereingang des Bandfilters angelegt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt keine Regelung der Mittenfrequenz des Bandfilters, sondern der für die Einstellung des Sollwerts der Mittenfrequenz erforderliche Wert des Frequenzsteuersignals wird aufgrund von nur zwei Frequenzmessungen bei zwei unterschiedlichen Werten des Frequenzsteuersignals durch Interpolation ermittelt und zur unmittelbaren Einstellung der Mittenfrequenz an den Frequenzsteuereingang des Bandfilters angelegt. Dieses Verfahren eignet sich besonders gut für eine digitale Signalverarbeitung, insbesondere durch ein in einem Mikrocomputer gespeichertes Programm.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Bandfilter, dessen Mittenfrequenz durch ein an einen Steuereingang angelegtes Steuersignal einstellbar ist, einem Schalter, der in einer Meßstellung das Bandfilter mit einem Verstärker verbindet, der so dimensioniert ist, daß er mit dem in seinem Rückkopplungskreis liegenden Bandfilter einen Oszillator bildet, der sich zu einer Schwingung mit der Mittenfrequenz des Bandfilters erregt, und mit einer Frequenzmeßschaltung zur Messung der Frequenz der Oszillatorschwingung enthält nach der Erfindung einen Mikrocomputer, der den von der Frequenzmeßschaltung gelieferten Frequenzmeßwert empfängt, diesen mit einem Sollfrequenzwert vergleicht und bei Feststellung einer Abweichung ein gespeichertes Programm ausführt, durch das zunächst das Frequenzsteuersignal auf einen ersten Wert eingestellt und die daraus resultierende erste Oszillatorfrequenz gemessen und gespeichert wird, dann das Frequenzsteuersignal auf einen zweiten Wert eingestellt und die daraus resultierende zweite Oszillatorfrequenz gemessen und gespeichert wird und schließlich durch Interpolation zwischen den beiden Wertepaaren der dem Sollwert der Mittenfrequenz zugeordnete Wert des Frequenzsteuersignals ermittelt wird und das Frequenzsteuersignal auf diesen Wert eingestellt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Analogschaltung und einer Einrichtung zur Ermittlung und Einstellung der Mittenfrequenz eines in der Analogschaltung enthaltenen Bandpaßfilters und

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der mit der Einrichtung von Fig. 1 vorgenommenen Einstellung der Mittenfrequenz des Bandpaßfilters.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt als Beispiel für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Analogschaltung 10 für die Verarbeitung des von dem Ultraschallwandler eines Ultraschall-Echolots gelieferten Empfangssignals. Die Analogschaltung 10 enthält hintereinander einen Vorverstärker 11, ein Bandpaßfilter 12, einen Gleichrichter 13, ein Tiefpaßfilter 14 und einen Niederfrequenzverstärker 15. Das Bandpaßfilter 12 dient zur Ausfilterung des Frequenzbereichs der Ultraschallimpulse des Echolots aus dem vom Vorverstärker 11verstärkten Empfangssignal. Der Gleichrichter 13 bewirkt die Gleichrichtung des verstärkten und gefilterten Empfangssignals und erzeugt zusammen mit dem zur Glättung dienenden Tiefpaßfilter 14 ein der Hüllkurve des Empfangssignals entsprechendes Hüllkurvensignal, das im Niederfrequenzverstärker 15 verstärkt wird.

Die Analogschaltung 10 wird zur Signalverarbeitung in Verbindung mit verschiedenen Ultraschallwandlern verwendet, deren Betriebsfrequenzen in einem großen Frequenzbereich liegen können, der beispielsweise von 15 kHz bis 95 kHz gehen kann. Innerhalb dieses Frequenzbereichs muß die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters 12 auf die Betriebsfrequenz des jeweils verwendeten Ultraschallwandlers abgestimmt sein. Das Bandpaßfilter 12 ist daher so ausgebildet, daß seine Mittenfrequenz durch ein elektrisches Steuersignal einstellbar ist. Da die Forderung besteht, daß die Leistungsaufnahme des Systems möglichst gering sein soll, verbietet sich die einfache Realisierung des Bandpaßfilters 12 in SC-Technik ("switched capacitors", Schalter-Kondensator-Filter). Es muß daher auf eine Technologie zurückgegriffen werden, die stärkeren Schwankungen bezüglich Temperaturen und Prozeßeinflüssen unterworfen ist; beispielsweise ist das Bandpaßfilter 12 als Aktivfilter ausgebildet. Bedingt durch eine solche Technologie ist es notwendig, die Filtermittenfrequenz ständig kontrollieren und gegebenenfalls neu einstellen zu können.

Der große einzustellende Frequenzbereich macht eine Aufteilung in mehrere Filterbereiche notwendig, die sich gegenseitig überlappen. Durch ein an einen Steuereingang 12a des Bandpaßfilters 12 angelegtes Bereichssteuersignal kann einer der vorgesehenen Filterbereiche ausgewählt werden. Der Filterbereich wird durch ein digitales Datenwort bestimmt, das in einem Filterbereichsregister 20 steht und einem Digital- Analog-Umsetzer 21 zugeführt wird, in dem es in ein analoges Bereichssteuersignal umgesetzt wird, das an den Steuereingang 12a angelegt wird.

Innerhalb des gewählten Filterbereichs wird die Mittenfrequenz durch ein Frequenzsteuersignal eingestellt, das an einen Steuereingang 12b des Bandpaßfilters 12 angelegt wird. Die Mittenfrequenz wird durch ein digitales Datenwort bestimmt, das in einem Frequenzsteuerregister 22 steht und einem Digital-Analog-Umsetzer 23 zugeführt wird, in dem es in ein analoges Frequenzsteuersignal umgesetzt wird, das an den Steuereingang 12b angelegt wird.

Das Bereichssteuersignal vom Ausgang des Digital-Analog- Umsetzers 21 wird auch an einen Steuereingang 14a des Tiefpaßfilters 14 angelegt, und das Frequenzsteuersignal vom Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers 23 wird auch an einen Steuereingang 14b des Tiefpaßfilters 14 angelegt. Das Tiefpaßfilter 14 ist in gleicher Technologie wie das Bandpaßfilter 12 mit einstellbarer Eckfrequenz ausgebildet; vorzugsweise sind die beiden Filter in dem gleichen Chip integriert. Die Eckfrequenz des Tiefpaßfilters 14 wird ständig in einem vorgegebenen Verhältnis zur Mittenfrequenz des Hochpaßfilters 12 eingestellt, damit der Signalrippel über den gesamten Frequenzbereich konstantgehalten wird. Beispielsweise beträgt die Tiefpaß-Eckfrequenz stets 1/10 der Bandpaß-Mittenfrequenz. Das an den Steuereingang 14a angelegte Bereichssteuersignal wählt den entsprechenden Frequenzbereich des Tiefpaßfilters 14 aus, und das an den Steuereingang 14b angelegte Frequenzsteuersignal stellt die Eckfrequenz des Tiefpaßfilters 14 innerhalb des ausgewählten Filterbereichs so ein, daß sie 1/10 der eingestellten Mittenfrequenz des Bandpaßfilters 12 beträgt.

Damit die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters 12 ermittelt werden kann, ist in die Verbindung zwischen dem Ausgang des Vorverstärkers 11 und dem Eingang des Bandpaßfilters 12 ein Umschalter 24 eingefügt, der normalerweise in der in der Zeichnung dargestellten Betriebsstellung steht, in der er den Ausgang des Vorverstärkers 11 mit dem Eingang des Bandpaßfilters 12 verbindet. Zur Messung der Mittenfrequenz wird der Umschalter 24 in die Meßstellung gebracht, in der er die Verbindung zwischen dem Vorverstärker 11 und dem Bandpaßfilter 12 unterbricht und den Eingang des Bandpaßfilters 12 mit dem Ausgang eines Verstärkers 25 verbindet, dessen Eingang an den Ausgang des Bandpaßfilters 12 angeschlossen ist. In der Meßstellung des Umschalters 24 besteht somit ein geschlossener Kreis vom Ausgang des Bandpaßfilters 12 über den Verstärker 25 zum Eingang des Bandpaßfilters 12, wobei das Bandpaßfilter 12 im Rückkopplungskreis des Verstärkers 25 liegt. Der Verstärker 25 ist so dimensioniert, daß dieser geschlossene Kreis einen Oszillator bildet, der sich zu Schwingungen mit seiner Eigenresonanzfrequenz erregt, die gleich der Mittenfrequenz des Bandpaßfilters 12 ist.

Der Ausgang des Verstärkers 25 ist mit einer Frequenzmeßschaltung 26 verbunden, in der die Frequenz des Ausgangssignals des Verstärkers 25 gemessen wird, die gleich der Mittenfrequenz des Bandpaßfilters 12 ist. Die Messung erfolgt beispielsweise durch Zählung der Perioden dieser Frequenz während einer vorgegebenen Zeitdauer, die durch einen als Referenz dienenden Taktgeber 27 konstantgehalten wird. Der gemessene Frequenzwert wird in ein Frequenzregister 28 eingegeben.

Der Ausgang des Frequenzregisters 28 ist mit einem Eingang eines Mikrocomputers 30 verbunden, an den auch die Eingänge des Filterbereichsregisters 20 und des Frequenzsteuerregisters 22 angeschlossen sind. Der Mikrocomputer 30 gibt in die Register 20 und 22 die Datenwörter ein, die den auszuwählenden Filterbereich und die einzustellende Mittenfrequenz bestimmen.

Infolge der zuvor erwähnten Temperatur- und Prozeßabhängigkeit des Bandpaßfilters 12 sowie auch infolge fertigungsbedingter Streuungen besteht kein eindeutig vorherbestimmbarer Zusammenhang zwischen dem im Frequenzsteuerregister 22 stehenden Datenwort und der im Bandpaßfilter 12 eingestellten Mittenfrequenz. Aus diesem Grund wird die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters 12 vom Mikrocomputer 30 in bestimmten Zeitabständen zur Kontrolle ermittelt und gegebenenfalls auf den Sollwert eingestellt.

Dies geschieht unter der Steuerung durch ein im Mikrocomputer 30 gespeichertes Programm, das wie folgt abläuft:

Der Mikrocomputer 30 bringt den Umschalter 24 in die Meßstellung, in der die Verbindung zum Ausgang des Vorverstärkers 11 unterbrochen und die Verbindung zum Ausgang des Verstärkers 25 hergestellt ist. Der vom Verstärker 25 und dem Bandpaßfilter 12 gebildete Oszillator beginnt mit der Mittenfrequenz des Bandpaßfilters 12 zu schwingen, und die Frequenz dieser Schwingung wird in der Frequenzmeßschaltung 26 gemessen. Der gemessene Frequenzwert wird in das Frequenzregister 28 eingegeben. Wenn der Mikrocomputer 30 feststellt, daß dieser Frequenzwert vom Sollwert abweicht, erfolgt die Einstellung der Mittenfrequenz des Bandpaßfilters 12 in folgenden Schritten:

  • 1. In das Frequenzsteuerregister 22 wird ein beliebiges erstes Datenwort eingegeben, das einen ersten Wert des an den Eingang 12b angelegten Frequenzsteuersignals bestimmt, und die daraus resultierende erste Bandpaßmittenfrequenz wird gemessen und zusammen mit dem Datenwort gespeichert.
  • 2. In das Frequenzsteuerregister 22 wird ein von dem ersten Datenwort verschiedenes zweites Datenwort eingegeben, das einen zweiten Wert des an den Eingang 12b angelegten Frequenzsteuersignals bestimmt, und die daraus resultierende zweite Bandpaßmittenfrequenz wird gemessen und zusammen mit dem zweiten Datenwort gespeichert.
  • 3. Durch Interpolation zwischen den beiden Wertepaaren wird der Wert des Frequenzsteuersignals ermittelt, der dem einzustellenden Sollwert der Mittenfrequenz zugeordnet ist, und das entsprechende Datenwort wird in das Frequenzsteuerregister 22 eingegeben.

Diese Interpolation wird anhand des Diagramms vom Fig. 2 erläutert. Auf der Abszisse des Diagramms sind die Werte des Frequenzsteuersignals und auf der Ordinate die daraus resultierenden Mittenfrequenzen aufgetragen. Beim ersten Wert S1 des Frequenzsteuersignals wird die erste Mittenfrequenz F1 gemessen, und beim zweiten Wert S2 des Frequenzsteuersignals wird die zweite Mittenfrequenz F2 gemessen. An der Geraden, die die durch die Koordinaten S1, F1 und S2, F2 definierten Punkte verbindet, kann abgelesen werden, daß dem Sollwert F0 der Mittenfrequenz der Wert S0 des Frequenzsteuersignals zugeordnet ist. Der Mikrocomputer 30 gibt daher in das Frequenzsteuerregister 22 das Datenwort ein, das den Wert S0 des Frequenzsteuersignals bestimmt. Dadurch wird die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters 12 auf den Sollwert F0 eingestellt.

Damit ist die Kontrolle und Einstellung der Bandpaß-Mittenfrequenz beendet, und der Mikrocomputer 11 bringt den Umschalter 24 wieder in die Betriebsstellung. Nun erfolgt die Signalverarbeitung mit dem auf die Mittenfrequenz F0 eingestellten Bandpaßfilter 12. Zugleich ist das Tiefpaßfilter 14 auf die Eckfrequenz F0/10 eingestellt worden.

Der Umschalter 24, der in Fig. 1 symbolisch durch einen mechanischen Umschaltkontakt dargestellt ist, ist natürlich in Wirklichkeit ein schneller elektronischer Umschalter, der durch ein vom Mikrocomputer 30 abgegebenes Steuersignal einstellbar ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Einstellung der Mittenfrequenz eines Bandfilters, bei welchem das Bandfilter mit einem Verstärker verbunden wird, der so dimensioniert ist, daß er zusammen mit dem Bandfilter einen Oszillator bildet, der sich zu einer Schwingung mit seiner Eigenresonanzfrequenz erregt, die gleich der Mittenfrequenz des Bandfilters ist, die Frequenz der Oszillatorschwingung gemessen wird und die Mittenfrequenz des Bandfilters durch ein an einen Frequenzsteuereingang angelegtes Frequenzsteuersignal so eingestellt wird, daß die gemessene Frequenz der Oszillatorschwingung mit einem vorgegebenen Sollwert übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Mittenfrequenz des Bandfilters auf den vorgegebenen Sollwert ein Frequenzsteuersignal mit einem ersten Wert an den Frequenzsteuereingang des Bandfilters angelegt und die daraus resultierende erste Oszillatorfrequenz gemessen wird, daß dann ein Frequenzsteuersignal mit einem zweiten Wert an den Frequenzsteuereingang des Bandfilters angelegt und die daraus resultierende zweite Oszillatorfrequenz gemessen wird, daß durch Interpolation zwischen den beiden Wertepaaren der dem Sollwert der Mittenfrequenz zugeordnete Wert des Frequenzsteuersignals ermittelt wird, und daß ein Frequenzsteuersignal mit diesem ermittelten Wert an den Frequenzsteuereingang des Bandfilters angelegt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es unter Steuerung durch ein in einem Mikrocomputer gespeichertes Programm durchgeführt wird.
  3. 3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Bandfilter, dessen Mittenfrequenz durch ein an einen Steuereingang angelegtes Steuersignal einstellbar ist, einem Schalter, der in einer Meßstellung das Bandfilter mit einem Verstärker verbindet, der so dimensioniert ist, daß er mit dem in seinem Rückkopplungskreis liegenden Bandfilter einen Oszillator bildet, der sich zu einer Schwingung mit der Mittenfrequenz des Bandfilters erregt, und mit einer Frequenzmeßschaltung zur Messung der Frequenz der Oszillatorschwingung, gekennzeichnet durch einen Mikrocomputer, der den von der Frequenzmeßschaltung gelieferten Frequenzmeßwert empfängt, diesen mit einem Sollfrequenzwert vergleicht und bei Feststellung einer Abweichung ein gespeichertes Programm ausführt, durch das zunächst das Frequenzsteuersignal auf einen ersten Wert eingestellt und die daraus resultierende erste Oszillatorfrequenz gemessen und gespeichert wird, dann das Frequenzsteuersignal auf einen zweiten Wert eingestellt und die daraus resultierende zweite Oszillatorfrequenz gemessen und gespeichert wird und schließlich durch Interpolation zwischen den beiden Wertepaaren der dem Sollwert der Mittenfrequenz zugeordnete Wert des Frequenzsteuersignals ermittelt wird und das Frequenzsteuersignal auf diesen Wert eingestellt wird.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Frequenzsteuerregister, in das vom Mikrocomputer ein digitales Datenwort eingegeben wird, das den Wert des Frequenzsteuersignals bestimmt, und durch einen Digital-Analog-Umsetzer, der das im Frequenzsteuerregister stehende digitale Datenwort in ein analoges Frequenzsteuersignal umsetzt, das an den Steuereingang des Bandfilters angelegt wird.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Frequenzbereich in mehrere Filterbereiche unterteilt ist, die durch ein an einen weiteren Steuereingang des Bandfilters angelegtes Bereichssteuersignal wählbar sind, daß ein Filterbereichsregister vorgesehen ist, in das vom Mikrocomputer ein digitales Datenwort eingegeben wird, das den zu wählenden Filterbereich bestimmt, und daß an das Filterbereichsregister ein Digital-Analog-Umsetzer angeschlossen ist, der das im Filterbereichsregister stehende digitale Datenwort in ein analoges Bereichssteuersignal umsetzt, das an den weiteren Steuereingang des Bandfilters angelegt wird.






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