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用于測量電信號的頻率的方法以及電測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種帶有六端口電路(14)和延遲線路(15)的電測量系統(tǒng)(10)。電信號一方面直接地輸送給六端口電路(14)，并且另一方面通過延遲線路(15)輸送給六端口電路(14)。六端口電路(14)根據(jù)延遲線路(15)的長度來計算所述信號的頻率。存在諧振器(13)，所述信號由諧振器發(fā)出。
【專利說明】用于測量電信號的頻率的方法以及電測量系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于測量電信號的頻率的方法以及一種相應(yīng)的電測量系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]例如由1.Molina-Ferncindez 等人的 IEEE 出版物“Mult1-Port Technology forMicrowave and Optical Communicat1ns”中已知的是,在光學(xué)傳輸技術(shù)的領(lǐng)域中、例如在相干光學(xué)接收機的情況下使用所謂的六端口技術(shù)(Sechs-Tor-Technologie)。在上述IEEE出版物中，電信號以未知的頻率通過直接的路徑以及通過六端口電路的延遲線路來輸送。由六端口電路接收的兩個信號由于延遲線路而具有相位差，其與未知頻率成比例。該相位差由六端口電路確定，以便隨后在延遲線路的長度的輔助下計算未知的頻率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的任務(wù)是，進一步改進頻率測量或者其應(yīng)用可能性。
[0004]本發(fā)明通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于確定電信號頻率的方法以及通過根據(jù)權(quán)利要求11所述的相應(yīng)的電測量系統(tǒng)來解決該任務(wù)。
[0005]在根據(jù)本發(fā)明的方法和根據(jù)本發(fā)明的測量系統(tǒng)中，信號一方面直接地輸送給六端口電路，并且另一方面通過延遲線路輸送給六端口電路。六端口電路根據(jù)延遲線路的長度來計算信號的頻率。信號在此由諧振器發(fā)出。通過借助諧振器產(chǎn)生電信號，明顯擴展了六端口電路的應(yīng)用范圍。于是，六端口電路不僅可以如在現(xiàn)有技術(shù)中那樣使用在光學(xué)傳輸技術(shù)中，而且也可以使用在其他【技術(shù)領(lǐng)域】中。優(yōu)選的是，六端口技術(shù)可以通過使用諧振器也使用在傳感器技術(shù)的領(lǐng)域中。
[0006]如果使用所謂的SAW諧振器(SAW = surface acoustic wave,表面聲波)作為諧振器，則通常由其發(fā)出短且衰減的應(yīng)答信號。在此，上述六端口技術(shù)特別良好地適于分析SAW諧振器的信號。
[0007]在本方面的一個改進方案中，信號的頻率對應(yīng)于諧振器的諧振頻率，其尤其是可以與諧振器所承受的溫度和/或壓力和/或拉伸相關(guān)。諧振器的溫度和/或壓力和/或膨脹的變化于是導(dǎo)致諧振頻率的變化，這可以被六端口電路確定。通過這種方式，六端口技術(shù)可以與溫度傳感器或者壓力傳感器或者拉伸傳感器關(guān)聯(lián)地使用。
[0008]在本發(fā)明的另一擴展方案中，由振蕩器將激勵信號輸送給諧振器。借助激勵信號對諧振器加載能量。于是，諧振器又可以發(fā)出該能量，更確切地說，通過具有諧振頻率的電應(yīng)答信號來進行。
[0009]在本發(fā)明的另一改進方案中，延遲線路的長度在已知頻率的情況下借助六端口電路來確定。通過這種方式，多次使用六端口技術(shù)，更確切地說，一方面用于測量未知的頻率、例如諧振器的諧振頻率，并且另一方面用于測量延遲線路的未知長度。借助最后提到的測量，例如可以識別和考慮延遲線路長度的與溫度相關(guān)的變化。
[0010]在本發(fā)明的一個擴展方案中，在諧振器和六端口電路之間布置有轉(zhuǎn)換開關(guān)，使得振蕩器的輸出端或者諧振器的輸出端與六端口電路連接。在所提及的第一種情況中，可以由六端口電路確定延遲電路的長度，而在所提及的第二情況中可以由六端口電路確定電信號的未知頻率，例如諧振器的諧振頻率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]本發(fā)明的其他特征、應(yīng)用可能性和優(yōu)點從下面對附圖中所示的本發(fā)明實施例的描述中得出。在此，所描述的或者示出的所有特征本身或者任意組合地形成本發(fā)明的主題，而與其在權(quán)利要求中的概括或者其引用關(guān)系無關(guān)，并且與其在說明書或者附圖中的表達或者顯示無關(guān)。
[0012]圖1a示出了根據(jù)本發(fā)明的電測量系統(tǒng)的第一實施例的示意性方框電路圖，
[0013]圖1b示出了圖1a的測量系統(tǒng)的信號的示意圖，
[0014]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的電測量系統(tǒng)的第二實施例的示意性方框電路圖，
[0015]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的電測量系統(tǒng)的第三實施例的示意性方框電路圖，并且
[0016]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的測量系統(tǒng)的第四實施例的示意性方框電路圖。

【具體實施方式】
[0017]在圖1a中示出了電測量系統(tǒng)10，其中使用了所謂的六端口技術(shù)用于頻率測量。
[0018]測量系統(tǒng)10具有振蕩器12。作為振蕩器12的輸出信號，存在具有可改變的頻率和可預(yù)先給定的幅度的正弦振蕩。頻率的改變可以受控地或者被調(diào)節(jié)地實施。原則上，振蕩器12可以用任意方式和方法實施。優(yōu)選的是，可以涉及所謂的VC0(VC0=壓控振蕩器)。
[0019]測量系統(tǒng)10具有諧振器13。原則上，諧振器13可以用任意方式和方法來實施。優(yōu)選的是，諧振器13是所謂的SAW諧振器或者AOW諧振器(SAW = surface acoustic wave,表面聲波，AOW = akustische Oberflaechenwelle,表面聲波)。諧振器13在此可以實施為單端口電路或者如在圖1a中所示的那樣實施為雙端口電路，或者必要時也實施為多端口電路。
[0020]如在圖1a中所示，諧振器13具有輸入端和輸出端，并且在那里以未示出的方式分別設(shè)置有聲變換器。聲變換器設(shè)計用于將電信號變換為所屬的聲波以及相反。
[0021]諧振器13具有表面結(jié)構(gòu)，其布置在兩個聲變換器之間。由兩個聲變換器之一產(chǎn)生的聲波由此通過表面結(jié)構(gòu)到達另外的聲轉(zhuǎn)換器或者相反。
[0022]諧振器13具有諧振頻率。如果諧振器13通過其輸入端被施加并不具有諧振頻率的激勵信號，則激勵信號并不被諧振器13所接收，或者又在其輸入端被反射。如果諧振器13被施加基本上包括諧振頻率的激勵信號，則諧振器13由具有諧振頻率的信號成分加載倉tfi。
[0023]在SAW諧振器的情況下，于是將引入諧振器13中的能量以機械表面波的形式存儲。
[0024]如果諧振器13被加載以能量，則在諧振器13中存在的能量在關(guān)斷激勵信號之后以具有諧振頻率的衰減的應(yīng)答信號的形式通過諧振器13的輸出端又被發(fā)出。
[0025]諧振器13的諧振頻率可以通過諧振器13的表面結(jié)構(gòu)的相應(yīng)構(gòu)型來影響，并且由此可以被事先設(shè)置。然而，諧振頻率也與作用到諧振器13上的其他邊界條件相關(guān)，例如與尤其是諧振器13的表面結(jié)構(gòu)所承受的溫度、壓力和/或拉伸相關(guān)。
[0026]由此，如果諧振器13的溫度和/或壓力和/或拉伸改變，則這導(dǎo)致諧振器13的諧振頻率的變化。借助諧振頻率的測量，由此可以推斷出溫度和/或壓力和/或拉伸的變化。
[0027]諧振器13的輸入端與振蕩器12的輸出端連接。所提及的激勵信號由此可以由振蕩器12以所希望的方式產(chǎn)生，并且輸送給諧振器13。在諧振器13的輸出端上于是存在所提及的應(yīng)答信號。
[0028]測量系統(tǒng)10具有六端口電路14和延遲線路15，其中后者表現(xiàn)出長度d。諧振器13的輸出端與六端口電路14連接，更確切地說，一方面直接連接，而另一方面通過延遲線路15連接。
[0029]六端口電路14可以按照現(xiàn)有技術(shù)以不同方式構(gòu)建。為此，例如參見開頭所提及的IEEE 出版物 “Mult1-Port Technology for Microwave and Optical Communicat1ns，，。
[0030]根據(jù)圖la的顯示，六端口電路14不僅具有無源器件，而且也具有有源器件。尤其是六端口電路14可以設(shè)置有數(shù)字控制器。
[0031]延遲線路15同樣可以按照現(xiàn)有技術(shù)以不同方式構(gòu)建。優(yōu)選的是，延遲線路15可以構(gòu)建為SAW器件，即通過使用聲學(xué)表面波。
[0032]下面的出發(fā)點是，延遲線路15的長度d已知。
[0033]在測量系統(tǒng)10的運行中，振蕩器12產(chǎn)生激勵信號，使得由振蕩器12在諧振器13的諧振頻率情況下發(fā)出能量。
[0034]這例如可以借助以下方法來實現(xiàn)。在此的出發(fā)點是，諧振器13的諧振頻率至少作為大約的值被已知。在SAW諧振器的情況下，如已經(jīng)提及的那樣，尤其是與其表面結(jié)構(gòu)相關(guān)地得到諧振頻率。
[0035]激勵信號的頻率于是可以選擇為使得其至少處于諧振頻率附近。補充地，激勵信號的頻率可以寬帶或者窄帶地改變，使得激勵信號以盡可能高的可能性包括諧振頻率?？商孢x地或者補充地，此外可以設(shè)計的是，諧振頻率以任意的方式和方法來確定并且隨后用作激勵信號的頻率。
[0036]如已經(jīng)闡述的那樣，激勵信號隨后輸送給諧振器13，并且諧振器13由此被加載能量。
[0037]如已經(jīng)闡述的那樣，在加載之后，由諧振器13發(fā)出應(yīng)答信號。在諧振器13上不再存在激勵信號之后，諧振器13將所加載的能量至少還在一定持續(xù)時間上以具有諧振頻率的應(yīng)答信號的形式又發(fā)出。在此，諧振頻率與諧振器13的溫度和/或壓力和/或拉伸有關(guān)，并且由此并不已知。
[0038]在圖1b中繪出了隨時間t變化的激勵信號和應(yīng)答信號的能量E。在諧振器13的表面結(jié)構(gòu)中通過激勵信號引入的能量的變化曲線在圖1b中用附圖標(biāo)記17表示。激勵信號的能量變化曲線在此在持續(xù)時間Tl上延伸，該持續(xù)時間基本上相應(yīng)于激勵信號的持續(xù)時間。
[0039]此外，在圖1b中，在關(guān)斷激勵信號之后由諧振器13的表面結(jié)構(gòu)以應(yīng)答信號的形式又發(fā)出的能量的變化曲線以附圖標(biāo)記18來表示。該應(yīng)答信號是衰減的，并且基本上具有諧振頻率。應(yīng)答信號的能量變化曲線在其上延伸的持續(xù)時間T2在此不再重要，因此在圖1b中沒有進一步確定。然而，持續(xù)時間T2選擇為使得存在至少一個測量持續(xù)時間TM，在該測量持續(xù)時間內(nèi)通過六端口電路14進行對應(yīng)答信號的處理。
[0040]在測量持續(xù)時間TM內(nèi)，應(yīng)答信號由六端口電路14進行處理。如已經(jīng)闡述的那樣，六端口電路14在此一方面直接地并且另一方面間接地通過延遲線路15來接收應(yīng)答信號。如同樣已經(jīng)闡述的那樣，應(yīng)答信號具有未知的諧振頻率。該諧振頻率下面用附圖標(biāo)記fx表示，并且在圖1a中相應(yīng)地繪出。
[0041]由六端口電路14接收的兩個信號二者都具有諧振頻率fx。延遲線路15并不引起諧振頻率fx的變化。然而由于延遲線路15，兩個信號具有相位差A(yù)jn其與未知的諧振頻率fx成比例。相位差卻由六端口電路14來測量或者確定。于是，六端口電路14借助延遲線路15的長度d來計算未知的諧振頻率fx。
[0042]諧振頻率fx的計算在此可以用不同方式來進行。
[0043]諧振頻率fx的計算例如可以基于以下公式來進行:
[0044]
f X - do -c ' I d *2n
[0045]其中c '表不信號在諧振器13中的傳播速度。
[0046]上述公式例如可以由針對高頻線路的普遍公式U(S)=Uh.e_#s來導(dǎo)出，其中適用:β =2π/λ和λ = c'/f。因為在此僅僅相位差if是重要的，所以由指數(shù)得出:
dip = P -s = 2π.￡ -s/c \借助 s = d 由此得出:f = do -C ' / d β
[0047]如已經(jīng)提及的那樣，可以由所確定的諧振頻率fx例如推斷出作用到諧振器13上的溫度和/或壓力和/或拉伸的變化。測量系統(tǒng)10由此可以至少用于溫度測量或者用于壓力測量或者用于拉伸測量。
[0048]在圖2中示出了電測量系統(tǒng)20，其與圖1a的測量系統(tǒng)10至少部分相似地構(gòu)建。因此，下面基本上僅僅描述圖2的測量系統(tǒng)20與圖1a的測量系統(tǒng)10相比的不同之處。在其他方面，關(guān)于圖2的測量系統(tǒng)20的以下闡述方面始終也參照前面針對圖la、lb的闡述。
[0049]在圖2的測量系統(tǒng)20中，在諧振器13和六端口電路14之間存在轉(zhuǎn)換開關(guān)22。在其共同的端子上，轉(zhuǎn)換開關(guān)22與六端口電路14連接，更確切地說，一方面直接地并且另一方面通過延遲線路15地連接。在其兩個轉(zhuǎn)換開關(guān)端子上，轉(zhuǎn)換開關(guān)22 —方面與諧振器13的輸出端連接，以及另一方面與振蕩器12的輸出端連接。
[0050]針對轉(zhuǎn)換開關(guān)22與振蕩器12的輸出端的耦合，可以如在圖2中所示的那樣例如設(shè)置有前向定向I禹合器(VorwaertS-Richtkoppler)。要指出的是,所述I禹合也可以用其他方式來實現(xiàn)。
[0051]此外，在測量系統(tǒng)20中存在控制裝置23，借助其可以影響振蕩器12。優(yōu)選的是，控制裝置23與振蕩器13 —同形成所謂的PLL電路(PLL = phase locked loop，鎖相環(huán))。
[0052]控制裝置23構(gòu)建為，使得借助其可以可改變地預(yù)先給定由振蕩器12所產(chǎn)生的激勵信號的頻率。特別地，可以在可確定的步驟中提高或者降低頻率。分別由振蕩器13所產(chǎn)生的激勵信號的頻率由此是已知的。
[0053]控制裝置23與諧振器13的輸入端連接。這例如可以如所示的那樣借助前向定向耦合器來實施?？刂蒲b置23構(gòu)建為使得借助其可以識別出，是否由振蕩器12發(fā)送到諧振器13輸入端的激勵信號未被諧振器13所接收或者又被反射到其輸入端。為此，控制裝置23可以設(shè)置有根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的功率探測器，例如設(shè)置有所謂的二極管探測器。
[0054]借助控制裝置23于是可以識別出，是否由振蕩器12產(chǎn)生的激勵信號的頻率處于諧振頻率的范圍中。如果激勵信號的頻率并不處于諧振頻率的范圍中，則激勵信號基本上未被諧振器13接收，而是又反射到振蕩器12的輸出端。而如果激勵信號的頻率處于諧振頻率的范圍中，則激勵信號被諧振器13所接收并且由此未被反射到振蕩器12的輸出端上。
[0055]控制裝置23設(shè)計用于控制轉(zhuǎn)換開關(guān)22的開關(guān)狀態(tài)，即將轉(zhuǎn)換開關(guān)22在其兩個開關(guān)狀態(tài)之間來回切換。此外可以設(shè)計的是，控制裝置23將關(guān)于振蕩器12和/或轉(zhuǎn)換開關(guān)22的信息轉(zhuǎn)發(fā)給六端口電路14。例如，由振蕩器12產(chǎn)生的、激勵信號的當(dāng)前頻率和/或轉(zhuǎn)換開關(guān)22的當(dāng)前開關(guān)狀態(tài)由控制裝置23通知六端口電路14。
[0056]在測量系統(tǒng)20的運行中，振蕩器12產(chǎn)生正弦形信號形式的激勵信號。該信號的頻率在此從低的值向高的值變化或者相反變化。在此，低的值和高的值選擇為使得諧振器13的諧振頻率處于通過這種方式形成的激勵信號頻率范圍內(nèi)。
[0057]在該方法的開始，轉(zhuǎn)換開關(guān)22由控制裝置23切換到如下的開關(guān)狀態(tài)中:其中振蕩器12的輸出端與六端口電路14連接。這與如下情況具有相同意思:諧振器13的輸出端開放。
[0058]以已知的、恒定的頻率而存在的激勵信號由此通過六端口電路14的轉(zhuǎn)換開關(guān)22輸送。在該狀態(tài)中，現(xiàn)在可以進行延遲線路的長度的標(biāo)定。
[0059]為此，在激勵信號的可選擇的頻率Π的情況下(其不必處于諧振器13的諧振頻率的范圍中)，由六端口電路14如下進行測量和計算。在此的出發(fā)點是，頻率fl可以借助控制裝置23來預(yù)先給定并且通知六端口電路14，并且延遲線路15的長度是未知的。該未知的長度下面用附圖標(biāo)記dx表示。
[0060]由六端口電路14接收的兩個信號二者都具有預(yù)先給定的頻率fl。延遲線路15并不引起該頻率f I的變化。然而由于延遲線路15,兩個信號具有相位差dfe相位差df由六端口電路14測量或者確定。于是，六端口電路14借助頻率fl計算延遲線路15的未知長度dx。
[0061]長度dx的計算在此例如可以基于以下公式來進行:
[0062]

【權(quán)利要求】
1.一種用于確定電信號的頻率的方法，其中所述信號一方面直接地輸送給六端口電路(14)，并且另一方面通過延遲線路(15)輸送給六端口電路(14)，并且其中所述六端口電路(14)根據(jù)延遲線路(15)的長度來計算所述信號的頻率，其特征在于，所述信號由諧振器(13)發(fā)出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述信號的頻率相應(yīng)于諧振器(13)的諧振頻率，該諧振頻率尤其是會與該諧振器(13)所承受的溫度和/或壓力和/或拉伸相關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中由所述振蕩器(12)將激勵信號輸送給諧振器(13)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2和3所述的方法，其中所述激勵信號的頻率選擇為使得其至少處于諧振頻率附近。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述激勵信號的頻率寬帶或者窄帶地改變，使得所述激勵信號以盡可能高的可能性包括諧振頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5之一所述的方法，其中由控制裝置(23)識別是否由該振蕩器(12)發(fā)出的激勵信號未被諧振器(13)接收或者又反射到其輸入端，并且其中由所述六端口電路(14)在測量持續(xù)時間期間計算該信號的頻率，其中在所述測量持續(xù)時間期間由所述振蕩器(12)發(fā)出的激勵信號未被諧振器(13)接收或者又反射到其輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述激勵信號在測量持續(xù)時間期間被關(guān)斷。
8.根據(jù)權(quán)利要求3至5之一所述的方法，其中由電路(32)識別是否由振蕩器(12)發(fā)出的激勵信號未被諧振器(13)接收或者又反射到其輸入端，并且其中激勵信號的頻率設(shè)置為使得激勵信號盡可能持續(xù)地被諧振器(13)接收。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中由所述六端口電路(14)持續(xù)地計算該信號的頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的方法，其中所述延遲線路(15)的長度在已知的頻率情況下借助六端口電路(14)來確定。
11.一種帶有六端口電路(14)和延遲線路(15)的電測量系統(tǒng)(10，20，30，40)，其中電信號一方面能夠直接地輸送給所述六端口電路(14)，并且另一方面能夠通過延遲線路(15)輸送給所述六端口電路(14)，并且其中能夠由所述六端口電路(14)根據(jù)所述延遲線路(15)的長度來計算所述信號的頻率，其特征在于，設(shè)置有諧振器(13)，所述信號由該諧振器發(fā)出。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的測量系統(tǒng)(10，20，30，40)，其中所述諧振器(13)具有至少一個聲轉(zhuǎn)換器和表面結(jié)構(gòu)，其會與諧振頻率關(guān)聯(lián)，該諧振頻率尤其是會與諧振器(13)所承受的溫度和/或壓力和/或拉伸相關(guān)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的測量系統(tǒng)(10，20，30，40)，其中所述諧振器(13)與振蕩器(12)連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的測量系統(tǒng)(20，40)，其中在所述諧振器(13)和所述六端口電路(14)之間布置有轉(zhuǎn)換開關(guān)(22)，使得所述振蕩器(12)的輸出端或者所述諧振器(13)的輸出端與該六端口電路(13)連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14之一所述的測量系統(tǒng)(20，30)，其中設(shè)置有控制裝置(23)或者電路(32)，其與該諧振器(13)連接，并且借助其能夠影響振蕩器(12)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13和15所述的測量系統(tǒng)(20，40)，其中所述轉(zhuǎn)換開關(guān)(22)能夠被控制裝置(23)影響。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的測量系統(tǒng)(20，30)，其中所述控制裝置(23)或者電路(32)包含功率探測器等等。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的方法或者根據(jù)要求11至17之一所述的測量系統(tǒng)(10，20，30，40)，其特征在于，應(yīng)用在溫度或者壓力或者拉伸的測量中。
【文檔編號】G01R23/02GK104181388SQ201410177892
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月21日
【發(fā)明者】恩斯特·哈爾德, 彼得·丁勒, 弗朗西斯科·巴爾翁, 亞歷山大·科爾平, 斯特芬·林德納, 薩拉·林茲, 塞巴斯蒂安·曼恩 申請人:霍斯特西德爾有限兩合公司, 埃朗根-紐倫堡弗里德里希-亞歷山大大學(xué)