DE69623896T2

DE69623896T2 - Digitaler Frequenzdemodulator

Info

Publication number: DE69623896T2
Application number: DE69623896T
Authority: DE
Inventors: Yves Robert Pierre Jean Guiffant; Joel Marc Vanoli
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Transmission Systems SAS
Priority date: 1995-08-30
Filing date: 1996-08-29
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: DE69623896D1; US5818881A; EP0762628B1; JPH09153742A; FR2738423B1; EP0762628A1; JP3272963B2; FR2738423A1

Description

Diese Erfindung betrifft einen digitalen Frequenzdemodulator. Die Erfindung ist zur Demodulation frequenzmodulierter Signale wie zum Beispiel von Geschwindigkeits-, Nähe- oder Bewegungsmesssignalen, die von Sensoren mit Foucaultschen Strömen abgegeben werden, anwendbar.
Die Demodulation eines frequenzmodulierten Signals erfolgt im Allgemeinen mittels eines Frequenzdetektors, der aus einem geschlossenen Schaltkreis besteht, einer sogenannten Phasenschleife mit einem Phasenvergleicher, einem Filter, einem Verstärker und, einem Oszillator mit variabler Frequenz (VCO). Das frequenzmodulierte Signal und das von dem Oszillator abgegebene Signal werden an den Eingang des Phasenvergleichers angelegt, der an seinem Ausgang ein zu der Phasendifferenz zwischen den Frequenzen der beiden Eingangssignale proportionales Signal abgibt. Nach Filtern und Verstärken wird das von dem Vergleicher abgegebene Signal verwendet, um den Oszillator mit variabler Frequenz dergestalt zu steuern, dass die Frequenz des Oszillators auf die Frequenz das frequenzmodulierten Signals geregelt wird. Jedoch sind die Demodulationskreise, die eine Regelschleife durchführen, analoge Einrichtungen, die schwierig einzustellen sind und leicht instabil werden. Die Ausgangsfrequenz des Oszillators VCO darf nicht zu weit von der Frequenz des zu demodulierenden Signals entfernt sein, damit die Regelschleife ausgelöst wird.
In der Schrift EP-A-0 734 138 ist ein Frequenzdemodulator beschrieben, der mit Frequenzmesser arbeitet. Bei dieser Funktionsweise wird beispielsweise die Anzahl der ansteigenden Flanken oder die Anzahl der Nulldurchgänge des frequenzmodulierten Signals gezählt. Dazu wird ein Referenztaktgeber verwendet, der eine größere Periode als die des frequenzmodulierten Signals hat. Die mit dieser Methode erreichte Messperiode ist klein. Daher eignet sich diese Methode gut für Signale, die durch ein hochfrequentes Signal moduliert sind, beispielsweise in der Größenordnung von MHz, jedoch kann mit ihr ein mit sehr niedriger Frequenz - in der Größenordnung von wenigen Hz-frequenzmoduliertes Signal nicht exakt und in einer vernünftigen Zeit gemessen werden, insbesondere wenn die Trägerwelle im Verlauf der Zeit schwankt.
Es ist Aufgabe dieser Erfindung, einen Frequenzdemodulator auszuführen, der die Nachteile der bekannten Demodulationsvorrichtungen nicht aufweist.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen vollkommen digitalen Frequenzdemodulator auszuführen, der sehr präzise und sehr stabil arbeitet und geringe Kosten und einen geringen Platzbedarf erfordert.
Zu diesem Zweck besteht die Erfindung darin, den Momentanwert und den Durchschnittswert der Periode des frequenzmodulierten Signals zu messen, die gemessenen Werte zu vergleichen und ein binäres Signal abzugeben, das jedes Mal, wenn das Ergebnis des Vergleichs das Vorzeichen ändert, seinen logischen Zustand ändert. Das Messen des Momentanwerts des frequenzmodulierten Signals erfolgt durch Zählen der Anzahl der Perioden eines Referenztaktgebers, die in einer Periode des frequenzmodulierten Signals enthalten sind.
Das Messen des Durchschnittswerts des frequenzmodulierten Signals erfolgt durch Zählen der Anzahl der Impulse eines Taktsignals mit einer N-fach niedrigeren Frequenz als die des Referenztaktgebers, die in N Perioden des frequenzmodulierten Signals enthalten sind. Das binäre Signal ändert also in dem Rhythmus der Veränderungen der Momentan-Periode des frequenzmodulierten Signals und mit der gleichen Frequenz wie das Modulationssignal seinen logischen Zustand.
Gemäß dieser Erfindung ist der digitale Frequenzdemodulator dadurch gekennzeichnet, dass er aufweist:
- einen ersten Zähler zum Messen des Momentanwerts der Periode des frequenzmodulierten Signals,
- einen zweiten Zähler zum Messen des Durchschnittswerts der Periode des frequenzmodulierten Signals,
- Mittel zum Vergleichen des gemessenen Momentanwerts und Durchschnittswerts und zur Wiederherstellung der Frequenz des Modulationssignals.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen näher aus der folgenden Beschreibung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erfolgt, wobei
Fig. 1 ein Schaltschema des erfindungsgemäßen Frequenzdemodulators zeigt, und
Fig. 2 ein Beispiel eines Steuerdiagramms zeigt, in dem schematisch für ein besonderes Taktsignal und ein besonderes frequenzmoduliertes Signal die Entwicklung verschiedener am Ausgang der Messmittel und der Vergleichsmittel erhaltenen Signale gemäß dieser Erfindung dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt ein Schaltschema des erfindungsgemäßen Frequenzdemodulators.
Der Demodulator enthält Mittel 10 zur Formung eines frequenzmodulierten Signals, Mittel zur Messung des Momentanwerts der Periode des frequenzmodulierten Signals, Mittel zur Messung des Durchschnittswerts der Periode des frequenzmodulierten Signals, Mittel zum Vergleich des Momentanwerts und des Durchschnittswerts der Periode des frequenzmodulierten Signals und zur Wiederherstellung der Frequenz des Modulationssignals.
Die Mittel 10 zur Formung sollen ein analoges frequenzmoduliertes Signal Se in ein logisches Signal Fe umwandeln.
Die Mittel zur Messung des Momentanwerts der Periode des frequenzmodulierten Signals umfassen einen Zähler C1, 20, der einen Freigabe-Eingang CE1 aufweist, an dem das logische Signal Fe angelegt wird, sowie einen Taktgebereingang CK1 aufweist, der durch ein Taktsignal H aktiviert wird, das von einem Referenztaktgeber 25 stammt. Der Taktgeber 25 ist dergestalt gewählt, dass seine Frequenz sehr viel höher ist als die Frequenz des Signals Fe, und dass er eine dauerhafte hohe Stabilität besitzt.
Der Zähler 20 ist dazu vorgesehen, aufeinander folgende Zähl-Zyklen durchzuführen, wobei die Dauer jedes Zähl Zyklus einer Periode Te des frequenzmodulierten Signals entspricht. Bei jedem Zähl-Zyklus zählt der Zähler 20 die Anzahl der Impulse p des Taktsignals H, die in einer Periode Te des logischen Signals Fe enthalten ist. Diese Anzahl der Impulse p entspricht dem Momentanwert der Periode Te des logischen Signals Fe, bezogen auf die Periode des von dem Referenztaktgeber 25 abgegebenen Signals H.
Das Zählen kann gleichermaßen zwischen zwei ansteigenden Flanken, zwei abfallenden Flanken oder jeder anderen Kombination des logischen Signals Fe erfolgen; es kann synchron oder asynchron erfolgen. Am Ende der Zählperiode wird der Inhalt p des Zählers 20 durch eine zusätzliche, nicht dargestellte logische Steuereinrichtung in einen Pufferspeicher L1, 2d (englisch: Latch) übertragen und dann auf Null zurückgesetzt. Sodann folgt für die nächste Periode des Signals Fe ein neuer Zähl-Zyklus.
Die Mittel zur Messung des Durchschnittswerts der Periode des frequenzmodulierten Signals weisen zwei Teiler durch N, 30 und 31, auf, an deren jeweiligen Eingang das logische Signal Fe bzw. das Taktsignal H angelegt werden. Der Wert von N ist eine ganze Zahl, die eventuell programmierbar ist. Die an den jeweiligen Ausgängen der Teiler durch N, 30 und 31, abgegebenen Signale Fe/N und H/N werden an einen Freigabe-Eingang CE2 bzw. an einen Taktgebereingang CK2 eines Zählers C2, 32 angelegt. Der Zähler 32 zählt die Anzahl der Impulse q des Taktsignals H/N, die in N Perioden Te des logische Signal Fe enthalten ist. Wenn der Wert N ausreichend hoch ist, stellt die Anzahl q den Durchschnittswert der Periode Te, bezogen auf die Periode des von dem Referenztaktgeber 25 abgegebenen Signals H, dar. Das Zählen kann gleichermaßen zwischen (N+1) ansteigenden Flanken, (N+1) abfallenden Flanken oder jeder anderen Kombination des Signals Fe/N erfolgen; es kann synchron oder asynchron erfolgen.
Am Ende der N Zählperioden wird der Inhalt q des Zählers 32 durch die zusätzliche, nicht dargestellte logische Steuereinrichtung in einen Pufferspeicher 33 übertragen und dann auf Null zurückgesetzt. Sodann folgt für die N folgenden Perioden des Signals Fe ein neuer Zählzyklus.
Die Messungen der Momentanwerte und Durchschnittswerte der Periode Te des logischen Signals Fe werden gleichzeitig und parallel durchgeführt. Die Inhalte p und q der Pufferspeicher 26, 33 werden ständig durch einen Vergleicher 40, der eventuell eine Hysterese aufweist, verglichen. Der Vergleicher gibt ein binäres Ausgangssignal FS mit zwei logischen Zuständen 0 oder 1 ab, wobei das binäre Signal jedes Mal, wenn das Ergebnis des Vergleichs das Vorzeichen ändert, seinen logischen Zustand ändert. Wenn beispielsweise der Momentanwert höher ist als der Durchschnittswert der Periode Te, ist der Ausgangswert des Vergleichers in einem vorbestimmten logischen Zustand 0 oder 1. Wenn der Momentanwert unter deu Durchschnittswert sinkt, ändert der Ausgang des Vergleichers seinen logischen Zustand.
Das Signal FS ändert also in dem Rhythmus der Veränderungen der Momentan-Periode Te seinen logischen Zustand und stellt die Frequenz des Modulationssignals wieder her.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Steuerdiagramms, in dem schematisch für ein besonderes Taktsignal H und ein besonderes logisches Signal Fe die Entwicklung der Inhalte des Zählers C1, 20 und des Pufferspeichers L1, 26 während ungefähr zehn Perioden des Signals Fe sowie das Ausgangssignal des Vergleichers dargestellt ist. Diese Figur zeigt, dass die Veränderungen des Inhalts des Pufferspeichers L1 die Veränderungen der Periode Te des logischen Signals Fe wieder erzeugen und die Momentanwerte der Periode Te darstellen.
Übereinanderliegend mit dem Inhalt des Pufferspeichers L1 ist ferner schematisch mit gestricheker Linie der Durchschnittswert der Periode Te dargestellt, wobei dieser Durchschnittswert von dem Zähler C2, 32 gemessen wird. Das letzte Steuerdiagramm zeigt das logische Ausgangssignal FS1 des Vergleichers 40. In diesem Steuerdiagramm befindet sich der Ausgang des Vergleichers im logischen Zustand 0 bzw. 1, wenn der Momentanwert unter bzw. über dem Durchschnittswert der Periode Te liegt.
Der oben beschriebene digitale Frequenzdemodulator hat folgende Vorteile. Da seine funktionsweise auf dem Prinzip des Zählens beruht, weist er einen Integrationseffekt auf, der eine gute Unempfindlichkeit gegen Störgeräusche gewährleistet.
Auf Grund der Möglichkeit, den Wert N der Teiler zu programmieren, kann für eine gegebene Anwendung der beste Kompromiss von gewünschter Präzision und Reaktionszeit gewählt werden.
Der Demodulator ist vollkommen digital, also frei von jeglicher Abweichung, und erfordert keinerlei Einstellung. Er kann leicht als ein einziges, einstückiges kostengünstiges Bauteil integriert und mit einem Interface direkt an einen Mikroprozessor-Bus angeschlossen werden.
Durch seinen Aufbau als offene Schleife und das Wegfallen des Frequenzdetektors können die Probleme der Demodulatoren mit Phasenschleifen vermieden werden, insbesondere die Probleme mit der Stabilitäts und der Begrenzung der zulässigen Frequenzbereiche.
Dieser Demodulator eignet sich besonders gut für die Verarbeitung der Signale, bei denen die Abweichung der Trägerwelle (z. B. bei Temperaturen) sehr viel höher liegt als der Modulationssatz des Nutzsignals.

Claims

1. Digitaler Frequenzdemodulator,

dadurch gekennzeichnet,

dass er aufweist:

- einen ersten Zähler (20) zum Messen des Momentanwerts der Periode des frequenzmodulierten Signals, wobei diese Messung erfolgt, indem aufeinander folgende Zähl-Zyklen durchgeführt werden, wobei jeder Zähl Zyklus darin besteht, die Anzahl der Impulse des Taktsignals zu zählen, die von einem Referenztaktgeber (25) abgegeben wird und in einer Periode des frequenzmodulierten Signals enthalten ist,

- einen zweiten Zähler (32) zum Messen des Durchschnittswerts der Periode des frequenzmodulierten Signals, wobei diese Messung durch Zählen der Anzahl der Impulse eines Taktsignals mit einer N-fach niedrigeren Frequenz als die des Referenztaktgeber (25) erfolgt, die in N Perioden des frequenzmodulierten Signals enthalten sind;

- Mittel zum Vergleichen (40) des gemessenen Momentanwerts und des Durchschnittswerts und zur Wiederherstellung der Frequenz des Modulationssignals.

2. Digitaler Frequenzdemodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das frequenzmodulierte Signal ein analoges Signal ist und dass er ferner Mittel (10) zur Umwandlung des analogen Signals in ein logisches Signal aufweist.

3. Digitaler Frequenzdemodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zähler (20) einen Freigabe-Eingang aufweist, an dem das frequenzmodulierte Signal angelegt wird, sowie einen Taktgebereingang aufweist, der durch ein Taktsignal aktiviert wird, das von dem Referenztaktgeber (25) stammt, wobei die Frequenz des Taktsignals sehr viel höher ist als die Frequenz des modulierten Signals.

4. Digitaler Frequenzdemodulator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner einen Pufferspeicher (26) aufweist, der an den Ausgang des ersten Zählers (20) angeschlossen ist und dazu vorgesehen ist, am Ende jedes Zähl-Zyklus den Inhalt des ersten Zählers (20) aufzunehmen.

5. Digitaler Frequenzdemodulator nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet dass

- der zweite Zähler (32) einen Freigabe-Eingang und einen Taktgebereingang aufweist, an denen entsprechend die Signale angelegt werden, die von zwei Teilern (30, 31) durch eine ganze Zahl N abgegeben werden, wobei die beiden Teer (30, 31) an ihrem jeweiligen Eingang das frequenzmodulierte Signal bzw. das von dem Referenztaktgeber (25) stammende Taktsignal empfangen.

6. Digitaler Frequenzdemodulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner einen Pufferspeicher (33) aufweist, der an den Ausgang des zweiten Zählers (32) angeschlossen ist und dazu vorgesehen ist, am Ende der N Zähl-Perioden den Inhalt des zweiten Zählers (32) aufzunehmen.

7. Digitaler Frequenzdemodulator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen der Momentanwerte und Durchschnittswerte der Periode des frequenzmodulierten Signals gleichzeitig und parallel erfolgen.

8. Digitaler Frequenzdemodulator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Inhalte der Pufferspeicher (26, 33) permanent durch die Mittel zum Vergleichen (40) verglichen werden.

9. Digitaler Frequenzdemodulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Vergleichen. (40) dazu vorgesehen sind, ein binäres Signal mit zwei logischen Zuständen 0 oder 1 abzugeben, wobei dieses binäre Signal jedes Mai, wenn das Ergebnis des Vergleichs das Vorzeichen ändert, seinen logischen Zustand ändert.