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Dokumentenidentifikation DE102006028655A1 03.01.2008
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzermittlung
Anmelder Qimonda AG, 81739 München, DE
Erfinder Hoelzle, Josef, 86825 Bad Wörishofen, DE
DE-Anmeldedatum 22.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006028655
Offenlegungstag 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse G01R 23/175(2006.01)A, F, I, 20060622, B, H, DE
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren und Vorrichtung zur Frequenzermittlung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst: eine Verzögerungseinrichtung zum Erzeugen eines zeitlich verzögerten zweiten Signals, eine Verknüpfungseinrichtung zum Verknüpfen des ersten Signals mit dem zweiten Signal, um ein drittes Signal zu erzeugen, eine Einrichtung zum Filtern eines Gleichspannungsanteils des dritten Signals und eine Einrichtung zum Ermitteln der Frequenz des ersten Signals auf der Basis des Gleichspannungsanteils.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Frequenzermittlung von Signalen und insbesondere von Hochfrequenzsignalen.

Integrierte Schaltungen insbesondere weisen sehr hohe Betriebsfrequenzen auf. Beispielsweise, sollen Oszillatorschaltungen oder PLL-Schaltungen deren nominale Frequenz jederzeit einhalten. Daher sollte ein Schaltungsentwickler oder Designer die Möglichkeit haben, eine Betriebsfrequenz einer Gesamtschaltung oder einer Teilschaltung zu erhalten. Die Kenntnis über den Wert der Signalfrequenz kann entweder während des Betriebes der Schaltung von Interesse sein oder während der Entwicklung bzw. Testphase der integrierten Schaltung.

Oszillatoren sind Teilschaltungen von integrierten Schaltungen beispielsweise die intern auf dem Silziumsubstrat der Schaltung integriert wurden. Da beispielsweise die Oszillatorschaltung nicht direkt zu Messzwecken erreicht werden kann, mussten bisher bestimmte Signale bzw. Signalleitungen zu so genannten Testgins herausgeführt werden. Dies entspricht einem zusätzlichen Schaltungsaufwand.

Ein anderes Verfahren zur Bestimmung der Signalfrequenz ist das Beobachten der Steuerspannung bestimmter Schaltungen. Das heißt beispielsweise das Beobachten der Steuerspannung eines spannungsgesteuerten Oszillators. Jedoch weisen nicht alle Oszillatoren eine Steuerspannung auf oder der Zusammenhang zwischen Steuerspannung und Frequenz kann ebenfalls fehlerhaft sein. Dies würde zu falschen Ergebnissen führen und somit zu falschen Angaben über die Signalfrequenz bzw. Betriebsfrequenz dieser bestimmten integrierten Schaltung beispielsweise.

Auch die Verwendung von Testgins bringt Nachteile mit sich, da die Hochfrequenzsignale zu den Testgins über lange Pfade umgeleitet werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Frequenzmessvorrichtung und ein Messverfahren bereitzustellen, die geeignet sind, genaue und zuverlässige Frequenzwerte von Signalen mit wenig Aufwand zu ermitteln.

Dieses Problem wird durch eine Frequenzmessvorrichtung sowie ein Verfahren zum Ermitteln einer Frequenz gemäß der unabhängigen Ansprüche 1 und 10 gelöst.

Dabei weist die Frequenzmessvorrichtung:

eine Verzögerungseinrichtung, eine Verknüpfungseinrichtung, eine Einrichtung zum Filtern, und eine Einrichtung zum Ermitteln der Frequenz. Die Verzögerungseinrichtung ist derart eingerichtet, dass sie ein zeitlich verzögertes zweites Signal erzeugt auf der Basis des ersten Signals. Die Verknüpfungseinrichtung verknüpft das erste Signal mit dem verzögerten zweiten Signal und generiert bzw. erzeugt ein drittes Signal. Die Filtereinrichtung empfängt das dritte Signal und filtert bzw. erzeugt den Gleichspannungsanteil des dritten Signals. Weiterhin enthält die Frequenzmessvorrichtung eine Einrichtung zum Ermitteln der Frequenz des ersten Signals auf der Basis des Gleichspannungsanteils.

Typischerweise kann die Verzögerungseinrichtung als Verzögerungsglied realisiert werden. Sie kann beispielsweise aus einer in Reihe geschalteten Inverteranordnung bestehen. Somit verzögert die Verzögerungseinrichtung das erste Signal um einen bestimmten Zeitwert. Die Verknüpfungseinrichtung erzeugt wiederum ein drittes Signal, welches einen frequenzabhängigen Anteil hat und einen Gleichspannungsanteil bzw. Offset-Anteil. Der Gleichspannungsanteil ist abhängig von der Frequenz des Eingangssignals der Frequenzmessvorrichtung, d.h. ist abhängig vom ersten Signal.

Das dritte Signal bzw. das verknüpfte Signal wird an eine Einrichtung zum Filter weitergeleitet. Diese Filtereinrichtung filtert den Gleichspannungsanteil und leitet diesen Wert an eine Einrichtung zum Ermitteln der Frequenz weiter. Der Grundgedanke der Erfindung ist die Verwendung des Gleichspannungsanteils zur Bestimmung bzw. zur Ermittlung der Frequenz des Eingangssignals.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Frequenzmessvorrichtung eine Speichereinrichtung. Diese Speichereinrichtung ist derart eingerichtet, dass sie zumindest einen Wert des Gleichspannungsanteils speichern kann. Somit können ein bestimmter oder mehrere bestimmte Gleichspannungsanteilswerte in die Speichereinrichtung gespeichert werden und zur späteren Verwendung abgerufen werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Speichereinrichtung als Look-Up-Tabelle realisiert werden. Diese Look-Up-Tabelle ist derart eingerichtet, dass sie zumindest einen Gleichspannungsanteilwert speichern kann. Durch die Verwendung einer Look-Up-Tabelle als Speichereinrichtung ergibt sich der Vorteil, dass eine schnelle Suche bzw. ein schneller Vergleich in der Tabelle stattfinden kann. Somit kann anhand des Wertes des Gleichspannungsanteiles schnell ein Frequenzwert ermittelt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Frequenzmessvorrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen von nominalen Signalen, wobei die nominalen Signal Referenzfrequenzen aufweisen. Somit kann ein Eichbetrieb oder Kalibrierungsbetrieb der Frequenzmessvorrichtung eingerichtet werden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Frequenzmessvorrichtung eine Schalteinrichtung. Diese Schalteinrichtung kann zum Zuschalten der nominalen Signale verwendet werden. Somit kann ein Kalibrierungsbetrieb eingerichtet werden. Im so genannten Kalibrierungsbetrieb wird die Frequenzmessvorrichtung im so genannten nominalen Betrieb betrieben.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Verzögerungszeit der Verzögerungseinrichtung einstellbar sein. Somit entsteht ein flexibler Betrieb der Frequenzmessvorrichtung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Verknüpfungseinrichtung ein Mischer.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Verknüpfungseinrichtung eine Multipliziereinrichtung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Verknüpfungseinrichtung als Gilbert-Zelle realisiert.

Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Frequenz eines ersten Signals bereitgestellt. Nachdem das erste Signal empfangen wurde, wird dieses Signal um eine vorherbestimmte Verzögerungszeit verzögert. Als nächstes wird das erste Signal mit dem jeweiligen verzögerten Signal verknüpft, wobei ein verknüpftes Signal erzeugt wird. Des Weiteren wird das verknüpfte Signal gefiltert, um den Gleichspannungsanteilwert des verknüpften Signals zu bestimmen. Anhand des Gleichspannungsanteilwertes wird nach erfolgter Kalibrierung die Frequenz des ersten Signals bestimmt. Das heißt, die Basis der Bestimmung bzw. Ermittlung der Frequenz wird durch den Gleichspannungsanteil gebildet.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht der Schritt des Verknüpfens einem Multiplizieren von zumindest zwei Signalen. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Verfahren ein Speichern des gefilterten Gleichspannungsanteilwertes bzw. des Offset-Wertes. Durch das Speichern des Wertes wird ein späteres Zugreifen auf diesen bestimmten Wert ermöglicht.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ein Erzeugen eines nominalen Signals wobei das nominale Signal eine Referenzfrequenz aufweist, ein Verwenden des nominalen Signals als erstes Signal, um einen Kalibrierungsbetrieb zu starten, und ein Speichern eines gefilterten Gleichspannunganteilwertes des nominalen Signals.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ein Ausgeben der ermittelten Frequenz. Die somit ausgegebene ermittelte Frequenz kann weiterverarbeitet werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ein Vergleichen des gefilterten Gleichspannungswertes mit dem gespeicherten nominalen Gleichspannungsanteilswert. Somit können die aktuellen Gleichspannungsanteilswerte mit den nominalen Werten, welche in der Speichereinrichtung beispielsweise gespeichert wurden, verglichen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

1 eine Frequenzmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

2 eine Frequenzmessvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

3 eine Ausführungsform der Verknüpfungseinrichtung,

4 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung,

5 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und

6 eine schematische Darstellung des Zählbereichs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt eine Frequenzmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Frequenzmessvorrichtung weist einen Eingang S1 auf (nicht gezeigt) welcher ein zu messendes Signal empfängt. Der Dateneingang ist mit einem Eingang der Verknüpfungseinrichtung 120 und mit einem Eingang der Verzögerungseinrichtung 110 gekoppelt. Weiterhin ist ein Ausgang der Verzögerungseinrichtung 110 mit einem zweiten Eingang der Verknüpfungseinrichtung 120 verknüpft. Ein Ausgang der Verknüpfungseinrichtung 120 ist mit einem Eingang der Filtereinrichtung 130 gekoppelt. Ein Ausgang der Filtereinrichtung 130 ist mit einem Eingang einer Speichereinrichtung 140 gekoppelt. Gemäß dieser Ausführungsform ist ein Ausgang der Speichereinrichtung 140 mit der Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln des Frequenzwertes 150 gekoppelt. Ein Ausgang der Ermittlungseinrichtung 150 ist mit einem Signalausgang um ein Ausgeben des ermittelten Frequenzwertes zu ermöglichen.

Im Betrieb wird dem Dateneingang das Signal S1 zugeführt, welches zunächst an die Verzögerungseinrichtung weitergeführt wird. Die Verzögerungseinrichtung bewirkt, dass das Signal um eine bestimmte Zeit verzögert wird. Dieses phasenverschobene Signal bzw. zeitlich verzögertes Signal wird mit dem zweiten Eingang, gemäß dieser Ausführungsform, der Verknüpfungseinrichtung 120 verbunden. Am ersten Eingang empfängt die Verknüpfungseinrichtung 120 das unverfälschte Eingangssignal S1. Die entsprechende Eingangssignale am Eingang der Verknüpfungseinrichtung 120 werden multipliziert bzw. verknüpft. Durch die Multiplikation entsteht ein drittes Signal S3 welches ein Gleichspannungsanteilwert bzw. ein Offset-Anteil und einen frequenzabhängigen Anteil aufweist. Der Offset-Anteil des dritten Signals S3 ist abhängig von der Frequenz des Eingangssignals S1. Der frequenzabhängige Signalanteil des dritten Signals S3 wird mit Hilfe der Filtereinrichtung 130 herausgefiltert. Die Filtereinrichtung 130 kann einem Tiefpass entsprechen aber auch eine andere Schaltung mit entsprechender Funktionsweise kann verwendet werden. Der Tiefpassfilter 130 ist derart eingerichtet, dass die Oberwellen des dritten Signals S3 entfernt werden. Das nun resultierende Signal entspricht einem Mittelwert des dritten Signals S3. Dieser Mittelwert ist der Offset-Anteil des dritten Signals S3. Das heißt, dass das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 130 im direkten Zusammenhang mit der Frequenz des Eingangssignals S1 steht. Der Tiefpassfilter 130 muss so dimensioniert werden, dass das Ausgangssignal des Tiefpassfilters genau dem Offset-Anteil bzw. Gleichspannungsanteil des dritten Signals S3 entspricht. Als Tiefpassfilter kann ein einfaches RC-Filter mit einer Zeitkonstanten von beispielsweise größer gleich zehn mal der Periodendauer der zu messenden Frequenz eingesetzt werden.

Gemäß dieser Ausführungsform kann der Offset-Wert des dritten Signals bei der Kalibrierung in einer Speichereinrichtung 140 gespeichert werden. Das Speichern in der Speichereinrichtung 140 ermöglicht einen späteren Zugriff auf den bereits gefilterten Wert.

Die Ermittlungseinrichtung 150 kann den Gleichspannungswert direkt von der Filtereinrichtung 130 erhalten, oder die Ermittlungseinrichtung 150 greift auf die Speichereinrichtung 140 zu. Innerhalb der Ermittlungseinrichtung 150 wird die Frequenz des Eingangssignals S1 bestimmt. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Ermittlungseinrichtung auf bereits gespeicherte Werte des Gleichspannungsanteiles zugreifen. Diese gespeicherten Werte können sich innerhalb der Speichereinrichtung 140 befinden. Diese bereits gespeicherten Gleichspannungsanteilwerte können nominalen Frequenzen zugeordnet werden. Das heißt die Ermittlungseinrichtung kann anhand bekannter Offset-Anteile bzw. Gleichspannungsanteile entscheiden in welchem Frequenzbereich sich die Frequenz des aktuellen Eingangssignals S1 befindet.

Es ist denkbar, dass die Frequenzmessvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform innerhalb einer integrierten Schaltung beispielsweise integriert werden kann oder auch als externe Frequenzmessvorrichtung realisiert werden kann. Der Vorteil einer integrierten Ausführungsform der Frequenzmessvorrichtung wäre, dass die zu testende Schaltung bzw. das zu testende Signal bereits innerhalb der integrierten Schaltung gekoppelt werden kann und die ermittelte Frequenz kann vorteilhaft als Gleichspannung direkt an Testgins oder an andere dedizierten Anschlüssen weitergeleitet werden. Somit kann ein direktes Messen eines Hochfrequenzsignals vermieden werden und die Messung wird in eine einfache Gleichspannungsmessung bzw. eine Messung des Gleichspannungsanteiles transformiert.

2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Frequenzmessvorrichtung. Die Frequenzmessvorrichtung 100, die in 2 gezeigt ist, unterscheidet sich von der Frequenzmessvorrichtung 100 die in 1 gezeigt ist, dadurch dass sie eine Vorrichtung zum Erzeugen von nominalen Signalen 200 enthält und eine Schaltvorrichtung 210 zum Zuschalten der Vorrichtung 200. Die Schalteinrichtung 210 ist derart eingerichtet, dass sie zwischen einem Kalibrierungsbetrieb und einem Nominalbetrieb hin und her schalten kann. Der Kalibrierungsbetrieb bedeutet, dass die Frequenzmesseinrichtung mit nominalen Signalen betrieben wird. D.h. die Schaltung arbeitet entweder im Mess- oder Kalibrierbetrieb.

Im Messbetrieb kann eine unbekannte Frequenz angelegt werden, während im Kalibrierbetrieb eine oder im Falle der Look-up-table mehrere Referenzfrequenzen zugeschaltet werden können.

Die nominalen Signale weisen Referenzfrequenzen auf und somit ist es möglich, einer bekannten bzw. Referenzfrequenz einen bestimmten Gleichspannungsanteilwert zuzuordnen.

Im so genannten Kalibrierungsbetrieb kann beispielsweise eine Referenzfrequenz von 500 MHz angelegt werden und dementsprechend ein Offset-Wert bzw. Gleichspannungsanteilwert von 500 mV gemessen werden. D.h., die Frequenz von 500 MHz entspricht einem Offset-Wert von 500 mV. Im Normalbetrieb wird das Signal S1 mit Hilfe der Schalteinrichtung 210 erneut hinzugeschaltet. Falls das Eingangssignal S1 ebenfalls eine Frequenz von 500 MHz aufweisen soll, entspricht dies der Tatsache, dass der jetzt gemessene Offset-Wert ebenfalls 500 mV aufweisen soll. Falls der im Normalbetrieb gemessene Offset-Wert nicht 500 mV entspricht, kann die Aussage getroffen werden, dass das Eingangssignal nicht die geforderten 500 MHz aufweist. Anhand der Variation des Offset-Wertes kann nun entschieden werden, ob die Frequenz des Signals höher als die Referenzfrequenz liegt oder niedriger. Durch Hinzuschalten von mehreren Referenzsignalen im Kalibrierungsbetrieb kann eine beliebig feine Einstellung der Frequenzmessvorrichtung 100 erreicht werden.

Somit wird aus einer komplizierten Frequenzmessung eine einfache Messung eines Spannungswertes. Anhand des ermittelten Gleichspannungswertes kann die Frequenz des Eingangssignals bestimmt werden.

3 zeigt eine Ausführungsform der Verknüpfungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Verknüpfungseinrichtung kann beispielsweise als eine Gilbert-Zelle realisiert werden. Die Gilbert-Zelle bzw. Verknüpfungseinrichtung weist zwei Eingänge auf IN2 und IN1 und einen Ausgang OUT. Gemäß dieser Ausführungsform entspricht das Ausgangssignal OUT dem Multiplikationssignal der zwei Eingangssignale IN2 und INj. Die Eingangssignale der Verknüpfungseinrichtung aus der 3 können den Signalen S1 und S2 entsprechen, welche in 1 dargestellt sind. Somit multipliziert die Gilbert-Zelle aus der 3 das Eingangssignal S1 mit dem zeitlich verzögerten Signal S2. Das Ausgangssignal der Gilbert-Zelle OUT entspricht dem Ausgangssignal S3 aus der Figur F1. Es ist denkbar, dass auch andere Verknüpfungseinrichtungen als eine Gilbert-Zelle eingesetzt werden können, die dieselbe Aufgabe erfüllen. Der Hauptzweck der Verknüpfungseinrichtung ist, zwei Eingangssignale IN2, IN1 zu einem Ausgangssignal OUT zu verknüpfen. In diesem Fall erfüllt die Gilbert-Zelle die Aufgabe eines Multiplizierers bzw. eines Mischers.

Gemäß dieser Ausführungsform kann die Gilbert-Zelle aus der 3 in Bipolartechnik realisiert werden. Zusätzlich zu den Bipolartransistoren enthält die Gilbert-Zelle zwei Widerstände 311, 312 und eine Stromquelle 313.

Prinzipiell besteht die Gilbert-Zelle aus der 3 aus drei Differenzverstärkern. Der erste Differenzverstärker wird aus den Bipolartransistoren 303 und 304 gebildet. Der zweite Differenzverstärker besteht aus den Transistoren 305 und 306 die ähnlich den Transistoren 303 und 304 geschaltet sind. Die Ströme, die zum Betrieb des ersten und des zweiten Differenzverstärkers benötigt werden, werden von einem dritten Differenzverstärker geliefert. Der dritte Differenzverstärker, ähnlich geschaltet wie die ersten zwei Differenzverstärker, wird aus den Transistoren 301 und 302 gebildet. Wie aus der 3 zu entnehmen ist, wird die Spannung IN1 bzw. Eingangsspannung IN1 zwischen den jeweiligen Basiseingängen der Transistoren 301 und 302 geschaltet. Analog wird die zweite Eingangsspannung IN2 zwischen den Basiseingängen der Transistoren 303 und 304 geschaltet. Zusätzlich wird ein Pol der Eingangsspannung IN2 mit der Basis des Bipolartransistors 305 verbunden.

Im Folgenden wird der Betrieb der Gilbert-Zelle gemäß der Ausführungsform der 3 beschrieben.

Falls die Eingangsspannung IN1 0 ist, stellen sich die Ströme durch die Transistoren 301 und 302 auf einen Wert ein, der jeweils der Hälfte des Stromes durch Stromquelle 313 entspricht. D.h. die Ströme können maximal den Wert des Stromes durch den Transistor 313 annehmen. Durch den symmetrischen Aufbau der Schaltung, sind somit die Ströme, die sich durch die Widerstände 311 und 312 einstellen werden, gleich Dies bedeutet, dass die Ausgangsspannung OUT die als Spannungsdifferenz abgegriffen wird, immer Null ist, unabhängig von der Spannung die am zweiten Eingang IN2 geschaltet wird. Die Widerstände 311 und 312 werden auch Arbeitswiderstände genannt.

Im umgekehrten Fall, falls die zweite Eingangsspannung IN2 Null ist, werden sich identische Ströme jeweils durch die Transistoren 303 und 304 bzw. 305 und 306 einstellen. Da durch die Arbeitswiderstände 311 und 312 die Summe je eines dieser beiden Ströme fließt, sind die Ströme durch die Widerstände 311 und 312 gleich (siehe oben), und es wird sich wieder eine gleiche Ausgangsspannung mit dem Wert Null einstellen. Dieser Wert, der in diesem Fall Null ist, wird sich unabhängig von der ersten Eingangsspannung einstellen. In diesem Fall liefert die Gilbert-Zelle bei einer Multiplikation mit Null den erwarteten Wert Null aus.

Im normalen Betrieb der Gilbert-Zelle werden an den jeweiligen Eingängen IN2 und INj zwei Spannungen angelegt, die ungleich Null sind. Die am Eingang IN1 angelegte Eingangsspannung, bewirkt dass die Ströme durch die Transistoren 301 bzw. 302 unterschiedlich groß sind. Da die Ströme durch die Transistoren 301 und 302 jeweils als Speiseströme für die ersten zwei Differenzverstärker benutzt werden, ist die Ausgangsspannung proportional zu der Differenz dieser jeweiligen Ströme. Folglich ist das Ausgangssignal OUT proportional zum Produkt der beiden Eingangsspannungen IN1 und IN2.

4 ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. In einem ersten Schritt 400 wird ein erstes Signal empfangen. Dieses Signal kann beispielsweise einem Oszillatorsignal oder einem Testsignal entsprechen. Es soll somit die Frequenz dieses Testsignals bzw. Oszillatorsignals bestimmt werden. Gemäß dem Verfahren wird das erste Signal um eine vorherbestimmte Verzögerungszeit verzögert werden. Diese Verzögerung kann beispielsweise mit einem Verzögerungsglied bzw. Delay realisiert werden. Falls das erste Signal ein harmonisches Signal ist, kann es in seiner allgemeinen Form als sin &ohgr;t dargestellt werden. Nach der Verzögerung wird das verzögerte Signal in mathematischer Form sin &ohgr;(t ± &Dgr;t) &Dgr;t entspricht der Verzögerungszeit, die mit Hilfe des Verzögerungsgliedes eingestellt werden kann und &ohgr; = 2&pgr;f, wobei f der Frequenz des Eingangssignals entspricht.

In einem nächsten Schritt S420 wird das erste Signal mit einem verzögerten Signal verknüpft. Das verzögerte Signal und das Eingangssignal sind oben gemäß deren mathematischen Formeln dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Form werden die zwei Signale miteinander multipliziert.

wobei der erste Term dem DC-Offset bzw. Gleichspannungsanteil entspricht, und der zweite Term entspricht dem hochfrequenten Anteil, der im Weiteren herausgefiltert wird.

Somit, falls die Frequenz f konstant bleibt, ändert sich der DC-Offset nicht. Das Offset ist somit ein Maß für die Frequenz. Folglich, eine indirekte Frequenzmessung kann über das DC-Offset durchgeführt werden.

Dieser Multiplikationsschritt S420 kann mittels einer Gilbert-Zelle oder eines anderen Multiplizierers durchgeführt werden.

Das aus der Multiplikation resultierende Signal besitzt einen Gleichspannungsanteilwert und einen hochfrequenten Anteil. Dieser hochfrequente Anteil ist für den Verlauf des Verfahrens nicht von Bedeutung. In einem nächsten Schritt S430 wird das resultierende bzw. verknüpfte Signal gefiltert um den Gleichspannungsanteilwert bzw. die Offset-Werte zu bestimmen.

In einem Schritt S460 kann der nun ermittelte Gleichspannungsanteilwert in einer Speichereinrichtung bzw. Look-Up-Tabelle gespeichert werden. Die Look-Up-Tabelle kann zur effektiven Suche eines bestimmten Gleichspannungsanteilwertes verwendet werden. Alternativ kann in einem Schritt S440 die Frequenz des ersten Signals basierend auf den Gleichspannungsanteilwert ermittelt werden. Nachdem der Frequenzwert ermittelt wurde, kann das Verfahren in einem Schritt S450 beendet werden. Auch ist es denkbar, dass das Verfahren iterativ mit Anlegen eines anderen Eingangssignals erneut gestartet werden kann. Ferner kann das erste Signal ein Nominalsignal sein. Das heißt, dass die Frequenz dieses Signals bekannt ist. Somit kann ein direkter Zusammenhang zwischen der Frequenz und dem sich einstellenden Gleichspannungsanteilwert hergeleitet werden.

Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Ausgebens der ermittelten Frequenz enthalten.

Das Verfahren kann auch zur Bestimmung der Verzögerungszeiten bzw. Delays von Verzögerungsgliedern angewendet werden. Diese Verzögerungsglieder werden beispielsweise benötigt, um eine Phasenverschiebung von Signalen zu erreichen. Durch Einspeisung eines Signals mit der Normfrequenz lässt sich gemäß der obigen Formel die Verzögerungszeit bestimmen.

Mit Hilfe des bei der Kalibrierung mit einer Normfrequenz erhaltenen Wertes liegt der Wert &Dgr;t gemäß der oben aufgeführten Formel fest. Anhand der obigen Formel kann anschließend aus dem Messwert und dem bekannten &Dgr;t die Frequenz bestimmt werden. D.h. es muss vorteilhafter Weise nur ein Wert gespeichert werden.

Ferner kann die vorliegende Erfindung zur Realisierung eines f/U (Frequenz/Spannung) Umsetzers angewendet werden. Wie bevorstehend erwähnt besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Phasenverschiebung gemäß dem Faktor &ohgr;·&Dgr;T. Somit ändert sich das DG-Offset gemäß dem Faktor cos(&ohgr;·&Dgr;T). Bezogen auf den Frequenzwert treten mit einem Frequenzhub von &Dgr;f = 1/&Dgr;T die gleichen DC-Offsetwerte auf. Beispielsweise, bei 200 Mhz und einer Verzögerung (Delay) von 5 ns beträgt die Phasenverschiebung 360 Grad, bei 400 MHz 720 Grad, bei 600 MHz 1080 Grad usw. Der Ausdruck für die effektive Phasenverschiebung lautet: f mod (200 MHz)·360 Grad, wobei mod dem Modulo-Operator entspricht. Somit wiederholt sich die DC-Spannung mit dem Wert cos(effektive Phasenverschiebung) mit einem Frequenzhub von &Dgr;f = 200 MHz.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Erweiterung eines Messbereichs einer Messvorrichtung realisiert werden. Dies wird gelöst, indem die Nulldurchgänge des DC-Offsetsignals gezählt werden. Gemäß einer Ausführungsform kann der Verlauf des DC-Offsets als Taktsignal für einen Digitalzähler verwendet werden. Falls z.B. der Digitalzähler den Wert 3 aufweist entspricht dies einem DC-Offsetwert von 60 Grad. Somit weist das zu messende Signal anhand der zugrunde gelegten Werte eine Frequenz entsprechend (3 + 60/360)·200 MHz = 633 MHz auf. Somit kann ein unendlicher Messbereich implementiert werden.

Im Falle des f/U Wandlers, lässt sich mit Hilfe des digitalen Zählers eine Look-Up-Tabelle, eine Speichereinrichtung auslesen oder eine andere kombinatorische Schaltung ansteuern. Die auf diese Weise generierten Werte lassen sich als Verstärkung interpretieren, um die das Originaleingangssignal verändert wird. Über das einstellbare Verzögerungsglied &Dgr;T lässt sich über Stufen jeder beliebige Verlauf der f/U-Kurve realisieren.

5 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der eine Schaltung zur Frequenz- und Phasenmessung dargestellt ist. Die Vorrichtung aus 5 empfängt eingangsseitig drei Signale: ein Originalsignal 500, ein phasenverschobenes Originalsignal 503 und ein Auswahlsignal 501. Das Auswahlsignal 501 und das phasenverschobene Originalsignal 503 werden einem Multiplexer 520 zugeführt. Zusätzlich empfängt der Multiplexer 520 ein zeitlich verzögertes Originalsignal 505. Über das Auswahlsignal 501 lassen sich zwei Betriebsmodi der Vorrichtung einstellen, Frequenz- bzw. Phasenmessung.

Das Ausgangssignal des Multiplexers 520 wird zusammen mit dem Originalsignal 500 an einen Multiplizierer 120 weitergeleitet. Die Funktionsweise und Wirkung des Multiplizierers 120 sind oben näher erläutert. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 120 wird einer Filtereinrichtung 130 zugeführt, die das DC-Offset herausfiltert.

Das gefilterte Signal wird einerseits einer Analogauswerteeinheit 510 und einem digitalen Zähler 580 zugeführt. Der Zählerstand, der dem Ausgang des digitalen Zählers 580 entspricht, wird an eine Einrichtung zur Bestimmung der Frequenz 550 weitergeleitet. Die Einrichtung 550 empfängt ebenfalls das Ausgangssignal der Analogauswerteeinheit 550. Die Einrichtung zur Bestimmung der Frequenz 550 kann eine Look-Up-Tabelle 140 umfassen. Die Tabelle 140 kann zur Bestimmung eines Einstellwerts, der für den nachfolgenden Verstärker 560 als Stellgröße dient. Das Ausgangssignal 590 entspricht dem Ausgangssignal 590 des Verstärkers 560.

6 zeigt die Verstärkung des Verstärkers 560, die auf der Basis des Zählerstands eingestellt wird. Die x-Achse zeigt den entsprechenden Zählerstand und die dazugehörige Frequenz in MHz (untere Zahlenreihe).

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Verfahren auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.


Anspruch[de]
Messvorrichtung (100) zum Messen einer Frequenz eines ersten Signals (S1), umfassend:

eine Verzögerungseinrichtung (110) zum Erzeugen eines zeitlich verzögerten zweiten Signals (S2) auf der Basis des ersten Signals (S1);

eine Verknüpfungseinrichtung (120) zum Verknüpfen des ersten Signals mit dem zweiten Signal (S2), um ein drittes Signal (S3) zu erzeugen;

eine Einrichtung zum Filtern (130) eines Gleichspannungsanteils des dritten Signals (S3); und

eine Einrichtung zum Ermitteln (150) der Frequenz des ersten Signals auf der Basis des Gleichspannungsanteils.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend: eine Speichereinrichtung (140) zum Speichern zumindest eines Wertes des Gleichspannungsanteils. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Speichereinrichtung eine Look-Up-Tabelle ist, die eingerichtet ist, zumindest einen Gleichspannungsanteilwert zu speichern. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Einrichtung (200) zum Erzeugen von nominalen Signalen, wobei die nominalen Signale Referenzfrequenzen aufweisen. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Schalteinrichtung (210) zum Zuschalten der nominalen Signalen, um einen Kalibrierungsbetrieb der Vorrichtung (100) einzurichten. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Verzögerungszeit der Verzögerungseinrichtung (110) einstellbar ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Multipliziereinrichtung/Verknüpfungseinrichtung ein Mischer ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Multipliziereinrichtung/Verknüpfungseinrichtung eine Multipliziereinrichtung ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verknüpfungseinrichtung eine Gilbert-Zelle ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend einen Digitalzähler, der Art eingerichtet, die Gleichspannungsanteilswerte zu empfangen. Verfahren zum Ermitteln einer Frequenz eines ersten Signals, umfassend:

Empfangen (S400) des ersten Signals;

Verzögern (S410) des ersten Signals um eine vorherbestimmte Verzögerungszeit;

Verknüpfen (S420) des ersten Signals mit dem verzögerten Signal, wobei ein verknüpftes Signal erzeugt wird;

Filtern (S430) des verknüpften Signals zum Bestimmen eines Gleichspannungsanteilswertes des verknüpften Signals; und Ermitteln (S440) der Frequenz des ersten Signals auf der Basis des Gleichspannungsanteilswertes.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Verknüpfens ein Multiplizieren von zumindest zwei Signalen ist. Verfahren nach Anspruch 11, weiter umfassend:

Speichern (S460) des gefilterten Gleichspannungsanteilswertes.
Verfahren nach Anspruch 11, weiter umfassend:

Erzeugen eines nominalen Signals, wobei das nominale Signal eine Referenzfrequenz aufweist;

Verwenden des nominalen Signals als erstes Signal um einen Kalibrierungsbetrieb zu starten; und

Speichern eines gefilterten Gleichspannungsanteilswertes des nominalen Signals.
Verfahren nach Anspruch 11, weiter umfassend ein Ausgeben der ermittelten Frequenz. Verfahren nach den Ansprüchen 11 bis 14, weiter umfassend:

Vergleichen des gefilterten Gleichspannungswertes mit dem gespeicherten nominalen

Gleichspannungsanteilswert.
Vorrichtung zum Ermitteln einer Frequenz eines ersten Signals, umfassend:

Mittel zum Empfangen des ersten Signals;

Mittel zum Verzögern des ersten Signals um eine vorherbestimmte Verzögerungszeit;

Mittel zum Verknüpfen des ersten Signals mit dem verzögerten Signal, wobei ein verknüpftes Signal erzeugt wird;

Mittel zum Filtern des verknüpften Signals zum Bestimmen eines Gleichspannungsanteilswertes des verknüpften Signals; und

Mittel zum Ermitteln der Frequenz des ersten Signals auf der Basis des Gleichspannungsanteilswertes.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Mittel zum Verknüpfen ein Multiplizierer mit zumindest zwei Eingängen ist. Vorrichtung nach Anspruch 17, weiter umfassend:

Mittel zum Speichern des gefilterten Gleichspannungsanteilswertes.
Vorrichtung nach Anspruch 17, weiter umfassend:

Mittel zum Erzeugen eines nominalen Signals, wobei das nominale Signal eine Referenzfrequenz aufweist;

Mittel zum Verwenden des nominalen Signals als erstes Signal um einen Kalibrierungsbetrieb zu starten; und

Mittel zum Speichern eines gefilterten Gleichspannungsanteilswertes des nominalen Signals.
Vorrichtung nach Anspruch 17, weiter umfassend Mittel zum Ausgeben der ermittelten Frequenz. Vorrichtung nach den Ansprüchen 18 bis 21, weiter umfassend:

Mittel zum Vergleichen des gefilterten Gleichspannungswertes mit dem gespeicherten nominalen Gleichspannungsanteilswert.






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