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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Frequenzermittlung von Signalen und insbesondere von Hochfrequenzsignalen.
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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.
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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.
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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
fehler haft sein. Dies würde zu
falschen Ergebnissen führen
und somit zu falschen Angaben über
die Signalfrequenz bzw. Betriebsfrequenz dieser bestimmten integrierten
Schaltung beispielsweise.
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Auch
die Verwendung von Testgins bringt Nachteile mit sich, da die Hochfrequenzsignale
zu den Testgins über
lange Pfade umgeleitet werden müssen.
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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.
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Dieses
Problem wird durch eine Frequenzmessvorrichtung sowie ein Verfahren
zum Ermitteln einer Frequenz gemäß der unabhängigen Ansprüche 1 und
10 gelöst.
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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.
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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.
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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.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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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.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die Speichereinrichtung als Look-Up-Tabelle
reali siert 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.
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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.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die Verzögerungszeit der Verzögerungseinrichtung
einstellbar sein. Somit entsteht ein flexibler Betrieb der Frequenzmessvorrichtung.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Verknüpfungseinrichtung ein Mischer.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Verknüpfungseinrichtung eine Multipliziereinrichtung.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die Verknüpfungseinrichtung als Gilbert-Zelle
realisiert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen näher
erläutert.
Dabei zeigen
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1 eine
Frequenzmessvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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2 eine
Frequenzmessvorrichtung gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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3 eine
Ausführungsform
der Verknüpfungseinrichtung,
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4 ein
Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung,
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5 eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und
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6 eine
schematische Darstellung des Zählbereichs
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
eine Frequenzmessvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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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.
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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 her ausgefiltert.
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
Messbetrieb kann eine unbekannte Frequenz angelegt werden, während im
Kalibrierbetrieb eine oder im Falle der Look-up-table mehrere Referenzfrequenzen zugeschaltet
werden können.
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Die
nominalen Signale weisen Referenzfrequenzen auf und somit ist es
möglich,
einer bekannten bzw. Referenzfrequenz einen bestimmten Gleichspannungsanteilwert
zuzuordnen.
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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.
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Somit
wird aus einer komplizierten Frequenzmessung eine einfache Messung
eines Spannungswertes. Anhand des ermittelten Gleichspannungswertes
kann die Frequenz des Eingangssignals bestimmt werden.
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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.
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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.
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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.
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Im
Folgenden wird der Betrieb der Gilbert-Zelle gemäß der Ausführungsform der 3 beschrieben.
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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.
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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 die sem Fall liefert
die Gilbert-Zelle bei einer Multiplikation mit Null den erwarteten
Wert Null aus.
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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.
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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 ωt dargestellt
werden. Nach der Verzögerung
wird das verzögerte
Signal in mathematischer Form sin ω(t ± Δt)Δt entspricht
der Verzögerungszeit,
die mit Hilfe des Verzögerungsgliedes
eingestellt werden kann und ω =
2πf, wobei
f der Frequenz des Eingangssignals entspricht.
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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.
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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.
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Dieser
Multiplikationsschritt S420 kann mittels einer Gilbert-Zelle oder
eines anderen Multiplizierers durchgeführt werden.
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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.
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In
einem Schritt S460 kann der nun ermittelte Gleichspannungsanteilwert
in einer Speichereinrichtung bzw. Look-Up-Tabelle gespeichert werden. Die Look-Up-Tabelle
kann zur ef fektiven 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.
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Ferner
kann das Verfahren einen Schritt des Ausgebens der ermittelten Frequenz
enthalten.
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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.
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Mit
Hilfe des bei der Kalibrierung mit einer Normfrequenz erhaltenen
Wertes liegt der Wert Δt gemäß der oben
aufgeführten
Formel fest. Anhand der obigen Formel kann anschließend aus
dem Messwert und dem bekannten Δt
die Frequenz bestimmt werden. D.h. es muss vorteilhafter Weise nur ein
Wert gespeichert werden.
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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 ω·ΔT. Somit ändert sich
das DG-Offset gemäß dem Faktor
cos(ω·ΔT). Bezogen
auf den Frequenzwert treten mit einem Frequenzhub von Δf = 1/ΔT 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 Δf
= 200 MHz.
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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.
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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 ΔT lässt sich über Stufen
jeder beliebige Verlauf der f/U-Kurve realisieren.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
