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用于测量电信号的频率的方法以及电测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明描述了一种带有六端口电路(14)和延迟线路(15)的电测量系统(10)。电信号一方面直接地输送给六端口电路(14)，并且另一方面通过延迟线路(15)输送给六端口电路(14)。六端口电路(14)根据延迟线路(15)的长度来计算所述信号的频率。存在谐振器(13)，所述信号由谐振器发出。
【专利说明】用于测量电信号的频率的方法以及电测量系统

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于测量电信号的频率的方法以及一种相应的电测量系统。

【背景技术】
[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,在光学传输技术的领域中、例如在相干光学接收机的情况下使用所谓的六端口技术(Sechs-Tor-Technologie)。在上述IEEE出版物中，电信号以未知的频率通过直接的路径以及通过六端口电路的延迟线路来输送。由六端口电路接收的两个信号由于延迟线路而具有相位差，其与未知频率成比例。该相位差由六端口电路确定，以便随后在延迟线路的长度的辅助下计算未知的频率。


【发明内容】

[0003]本发明的任务是，进一步改进频率测量或者其应用可能性。
[0004]本发明通过根据权利要求1所述的用于确定电信号频率的方法以及通过根据权利要求11所述的相应的电测量系统来解决该任务。
[0005]在根据本发明的方法和根据本发明的测量系统中，信号一方面直接地输送给六端口电路，并且另一方面通过延迟线路输送给六端口电路。六端口电路根据延迟线路的长度来计算信号的频率。信号在此由谐振器发出。通过借助谐振器产生电信号，明显扩展了六端口电路的应用范围。于是，六端口电路不仅可以如在现有技术中那样使用在光学传输技术中，而且也可以使用在其他【技术领域】中。优选的是，六端口技术可以通过使用谐振器也使用在传感器技术的领域中。
[0006]如果使用所谓的SAW谐振器(SAW = surface acoustic wave,表面声波)作为谐振器，则通常由其发出短且衰减的应答信号。在此，上述六端口技术特别良好地适于分析SAW谐振器的信号。
[0007]在本方面的一个改进方案中，信号的频率对应于谐振器的谐振频率，其尤其是可以与谐振器所承受的温度和/或压力和/或拉伸相关。谐振器的温度和/或压力和/或膨胀的变化于是导致谐振频率的变化，这可以被六端口电路确定。通过这种方式，六端口技术可以与温度传感器或者压力传感器或者拉伸传感器关联地使用。
[0008]在本发明的另一扩展方案中，由振荡器将激励信号输送给谐振器。借助激励信号对谐振器加载能量。于是，谐振器又可以发出该能量，更确切地说，通过具有谐振频率的电应答信号来进行。
[0009]在本发明的另一改进方案中，延迟线路的长度在已知频率的情况下借助六端口电路来确定。通过这种方式，多次使用六端口技术，更确切地说，一方面用于测量未知的频率、例如谐振器的谐振频率，并且另一方面用于测量延迟线路的未知长度。借助最后提到的测量，例如可以识别和考虑延迟线路长度的与温度相关的变化。
[0010]在本发明的一个扩展方案中，在谐振器和六端口电路之间布置有转换开关，使得振荡器的输出端或者谐振器的输出端与六端口电路连接。在所提及的第一种情况中，可以由六端口电路确定延迟电路的长度，而在所提及的第二情况中可以由六端口电路确定电信号的未知频率，例如谐振器的谐振频率。

【专利附图】

【附图说明】
[0011]本发明的其他特征、应用可能性和优点从下面对附图中所示的本发明实施例的描述中得出。在此，所描述的或者示出的所有特征本身或者任意组合地形成本发明的主题，而与其在权利要求中的概括或者其引用关系无关，并且与其在说明书或者附图中的表达或者显示无关。
[0012]图1a示出了根据本发明的电测量系统的第一实施例的示意性方框电路图，
[0013]图1b示出了图1a的测量系统的信号的示意图，
[0014]图2示出了根据本发明的电测量系统的第二实施例的示意性方框电路图，
[0015]图3示出了根据本发明的电测量系统的第三实施例的示意性方框电路图，并且
[0016]图4示出了根据本发明的测量系统的第四实施例的示意性方框电路图。

【具体实施方式】
[0017]在图1a中示出了电测量系统10，其中使用了所谓的六端口技术用于频率测量。
[0018]测量系统10具有振荡器12。作为振荡器12的输出信号，存在具有可改变的频率和可预先给定的幅度的正弦振荡。频率的改变可以受控地或者被调节地实施。原则上，振荡器12可以用任意方式和方法实施。优选的是，可以涉及所谓的VC0(VC0=压控振荡器)。
[0019]测量系统10具有谐振器13。原则上，谐振器13可以用任意方式和方法来实施。优选的是，谐振器13是所谓的SAW谐振器或者AOW谐振器(SAW = surface acoustic wave,表面声波，AOW = akustische Oberflaechenwelle,表面声波)。谐振器13在此可以实施为单端口电路或者如在图1a中所示的那样实施为双端口电路，或者必要时也实施为多端口电路。
[0020]如在图1a中所示，谐振器13具有输入端和输出端，并且在那里以未示出的方式分别设置有声变换器。声变换器设计用于将电信号变换为所属的声波以及相反。
[0021]谐振器13具有表面结构，其布置在两个声变换器之间。由两个声变换器之一产生的声波由此通过表面结构到达另外的声转换器或者相反。
[0022]谐振器13具有谐振频率。如果谐振器13通过其输入端被施加并不具有谐振频率的激励信号，则激励信号并不被谐振器13所接收，或者又在其输入端被反射。如果谐振器13被施加基本上包括谐振频率的激励信号，则谐振器13由具有谐振频率的信号成分加载倉tfi。
[0023]在SAW谐振器的情况下，于是将引入谐振器13中的能量以机械表面波的形式存储。
[0024]如果谐振器13被加载以能量，则在谐振器13中存在的能量在关断激励信号之后以具有谐振频率的衰减的应答信号的形式通过谐振器13的输出端又被发出。
[0025]谐振器13的谐振频率可以通过谐振器13的表面结构的相应构型来影响，并且由此可以被事先设置。然而，谐振频率也与作用到谐振器13上的其他边界条件相关，例如与尤其是谐振器13的表面结构所承受的温度、压力和/或拉伸相关。
[0026]由此，如果谐振器13的温度和/或压力和/或拉伸改变，则这导致谐振器13的谐振频率的变化。借助谐振频率的测量，由此可以推断出温度和/或压力和/或拉伸的变化。
[0027]谐振器13的输入端与振荡器12的输出端连接。所提及的激励信号由此可以由振荡器12以所希望的方式产生，并且输送给谐振器13。在谐振器13的输出端上于是存在所提及的应答信号。
[0028]测量系统10具有六端口电路14和延迟线路15，其中后者表现出长度d。谐振器13的输出端与六端口电路14连接，更确切地说，一方面直接连接，而另一方面通过延迟线路15连接。
[0029]六端口电路14可以按照现有技术以不同方式构建。为此，例如参见开头所提及的IEEE 出版物 “Mult1-Port Technology for Microwave and Optical Communicat1ns，，。
[0030]根据图la的显示，六端口电路14不仅具有无源器件，而且也具有有源器件。尤其是六端口电路14可以设置有数字控制器。
[0031]延迟线路15同样可以按照现有技术以不同方式构建。优选的是，延迟线路15可以构建为SAW器件，即通过使用声学表面波。
[0032]下面的出发点是，延迟线路15的长度d已知。
[0033]在测量系统10的运行中，振荡器12产生激励信号，使得由振荡器12在谐振器13的谐振频率情况下发出能量。
[0034]这例如可以借助以下方法来实现。在此的出发点是，谐振器13的谐振频率至少作为大约的值被已知。在SAW谐振器的情况下，如已经提及的那样，尤其是与其表面结构相关地得到谐振频率。
[0035]激励信号的频率于是可以选择为使得其至少处于谐振频率附近。补充地，激励信号的频率可以宽带或者窄带地改变，使得激励信号以尽可能高的可能性包括谐振频率。可替选地或者补充地，此外可以设计的是，谐振频率以任意的方式和方法来确定并且随后用作激励信号的频率。
[0036]如已经阐述的那样，激励信号随后输送给谐振器13，并且谐振器13由此被加载能量。
[0037]如已经阐述的那样，在加载之后，由谐振器13发出应答信号。在谐振器13上不再存在激励信号之后，谐振器13将所加载的能量至少还在一定持续时间上以具有谐振频率的应答信号的形式又发出。在此，谐振频率与谐振器13的温度和/或压力和/或拉伸有关，并且由此并不已知。
[0038]在图1b中绘出了随时间t变化的激励信号和应答信号的能量E。在谐振器13的表面结构中通过激励信号引入的能量的变化曲线在图1b中用附图标记17表示。激励信号的能量变化曲线在此在持续时间Tl上延伸，该持续时间基本上相应于激励信号的持续时间。
[0039]此外，在图1b中，在关断激励信号之后由谐振器13的表面结构以应答信号的形式又发出的能量的变化曲线以附图标记18来表示。该应答信号是衰减的，并且基本上具有谐振频率。应答信号的能量变化曲线在其上延伸的持续时间T2在此不再重要，因此在图1b中没有进一步确定。然而，持续时间T2选择为使得存在至少一个测量持续时间TM，在该测量持续时间内通过六端口电路14进行对应答信号的处理。
[0040]在测量持续时间TM内，应答信号由六端口电路14进行处理。如已经阐述的那样，六端口电路14在此一方面直接地并且另一方面间接地通过延迟线路15来接收应答信号。如同样已经阐述的那样，应答信号具有未知的谐振频率。该谐振频率下面用附图标记fx表示，并且在图1a中相应地绘出。
[0041]由六端口电路14接收的两个信号二者都具有谐振频率fx。延迟线路15并不引起谐振频率fx的变化。然而由于延迟线路15，两个信号具有相位差Ajn其与未知的谐振频率fx成比例。相位差却由六端口电路14来测量或者确定。于是，六端口电路14借助延迟线路15的长度d来计算未知的谐振频率fx。
[0042]谐振频率fx的计算在此可以用不同方式来进行。
[0043]谐振频率fx的计算例如可以基于以下公式来进行:
[0044]
f X - do -c ' I d *2n
[0045]其中c '表不信号在谐振器13中的传播速度。
[0046]上述公式例如可以由针对高频线路的普遍公式U(S)=Uh.e_#s来导出，其中适用:β =2π/λ和λ = c'/f。因为在此仅仅相位差if是重要的，所以由指数得出:
dip = P -s = 2π.￡ -s/c \借助 s = d 由此得出:f = do -C ' / d β
[0047]如已经提及的那样，可以由所确定的谐振频率fx例如推断出作用到谐振器13上的温度和/或压力和/或拉伸的变化。测量系统10由此可以至少用于温度测量或者用于压力测量或者用于拉伸测量。
[0048]在图2中示出了电测量系统20，其与图1a的测量系统10至少部分相似地构建。因此，下面基本上仅仅描述图2的测量系统20与图1a的测量系统10相比的不同之处。在其他方面，关于图2的测量系统20的以下阐述方面始终也参照前面针对图la、lb的阐述。
[0049]在图2的测量系统20中，在谐振器13和六端口电路14之间存在转换开关22。在其共同的端子上，转换开关22与六端口电路14连接，更确切地说，一方面直接地并且另一方面通过延迟线路15地连接。在其两个转换开关端子上，转换开关22 —方面与谐振器13的输出端连接，以及另一方面与振荡器12的输出端连接。
[0050]针对转换开关22与振荡器12的输出端的耦合，可以如在图2中所示的那样例如设置有前向定向I禹合器(VorwaertS-Richtkoppler)。要指出的是,所述I禹合也可以用其他方式来实现。
[0051]此外，在测量系统20中存在控制装置23，借助其可以影响振荡器12。优选的是，控制装置23与振荡器13 —同形成所谓的PLL电路(PLL = phase locked loop，锁相环)。
[0052]控制装置23构建为，使得借助其可以可改变地预先给定由振荡器12所产生的激励信号的频率。特别地，可以在可确定的步骤中提高或者降低频率。分别由振荡器13所产生的激励信号的频率由此是已知的。
[0053]控制装置23与谐振器13的输入端连接。这例如可以如所示的那样借助前向定向耦合器来实施。控制装置23构建为使得借助其可以识别出，是否由振荡器12发送到谐振器13输入端的激励信号未被谐振器13所接收或者又被反射到其输入端。为此，控制装置23可以设置有根据现有技术的功率探测器，例如设置有所谓的二极管探测器。
[0054]借助控制装置23于是可以识别出，是否由振荡器12产生的激励信号的频率处于谐振频率的范围中。如果激励信号的频率并不处于谐振频率的范围中，则激励信号基本上未被谐振器13接收，而是又反射到振荡器12的输出端。而如果激励信号的频率处于谐振频率的范围中，则激励信号被谐振器13所接收并且由此未被反射到振荡器12的输出端上。
[0055]控制装置23设计用于控制转换开关22的开关状态，即将转换开关22在其两个开关状态之间来回切换。此外可以设计的是，控制装置23将关于振荡器12和/或转换开关22的信息转发给六端口电路14。例如，由振荡器12产生的、激励信号的当前频率和/或转换开关22的当前开关状态由控制装置23通知六端口电路14。
[0056]在测量系统20的运行中，振荡器12产生正弦形信号形式的激励信号。该信号的频率在此从低的值向高的值变化或者相反变化。在此，低的值和高的值选择为使得谐振器13的谐振频率处于通过这种方式形成的激励信号频率范围内。
[0057]在该方法的开始，转换开关22由控制装置23切换到如下的开关状态中:其中振荡器12的输出端与六端口电路14连接。这与如下情况具有相同意思:谐振器13的输出端开放。
[0058]以已知的、恒定的频率而存在的激励信号由此通过六端口电路14的转换开关22输送。在该状态中，现在可以进行延迟线路的长度的标定。
[0059]为此，在激励信号的可选择的频率Π的情况下(其不必处于谐振器13的谐振频率的范围中)，由六端口电路14如下进行测量和计算。在此的出发点是，频率fl可以借助控制装置23来预先给定并且通知六端口电路14，并且延迟线路15的长度是未知的。该未知的长度下面用附图标记dx表示。
[0060]由六端口电路14接收的两个信号二者都具有预先给定的频率fl。延迟线路15并不引起该频率f I的变化。然而由于延迟线路15,两个信号具有相位差dfe相位差df由六端口电路14测量或者确定。于是，六端口电路14借助频率fl计算延迟线路15的未知长度dx。
[0061]长度dx的计算在此例如可以基于以下公式来进行:
[0062]

【权利要求】
1.一种用于确定电信号的频率的方法，其中所述信号一方面直接地输送给六端口电路(14)，并且另一方面通过延迟线路(15)输送给六端口电路(14)，并且其中所述六端口电路(14)根据延迟线路(15)的长度来计算所述信号的频率，其特征在于，所述信号由谐振器(13)发出。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号的频率相应于谐振器(13)的谐振频率，该谐振频率尤其是会与该谐振器(13)所承受的温度和/或压力和/或拉伸相关。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中由所述振荡器(12)将激励信号输送给谐振器(13)。
4.根据权利要求2和3所述的方法，其中所述激励信号的频率选择为使得其至少处于谐振频率附近。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述激励信号的频率宽带或者窄带地改变，使得所述激励信号以尽可能高的可能性包括谐振频率。
6.根据权利要求3至5之一所述的方法，其中由控制装置(23)识别是否由该振荡器(12)发出的激励信号未被谐振器(13)接收或者又反射到其输入端，并且其中由所述六端口电路(14)在测量持续时间期间计算该信号的频率，其中在所述测量持续时间期间由所述振荡器(12)发出的激励信号未被谐振器(13)接收或者又反射到其输入端。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述激励信号在测量持续时间期间被关断。
8.根据权利要求3至5之一所述的方法，其中由电路(32)识别是否由振荡器(12)发出的激励信号未被谐振器(13)接收或者又反射到其输入端，并且其中激励信号的频率设置为使得激励信号尽可能持续地被谐振器(13)接收。
9.根据权利要求8所述的方法，其中由所述六端口电路(14)持续地计算该信号的频率。
10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其中所述延迟线路(15)的长度在已知的频率情况下借助六端口电路(14)来确定。
11.一种带有六端口电路(14)和延迟线路(15)的电测量系统(10，20，30，40)，其中电信号一方面能够直接地输送给所述六端口电路(14)，并且另一方面能够通过延迟线路(15)输送给所述六端口电路(14)，并且其中能够由所述六端口电路(14)根据所述延迟线路(15)的长度来计算所述信号的频率，其特征在于，设置有谐振器(13)，所述信号由该谐振器发出。
12.根据权利要求11所述的测量系统(10，20，30，40)，其中所述谐振器(13)具有至少一个声转换器和表面结构，其会与谐振频率关联，该谐振频率尤其是会与谐振器(13)所承受的温度和/或压力和/或拉伸相关。
13.根据权利要求11或12所述的测量系统(10，20，30，40)，其中所述谐振器(13)与振荡器(12)连接。
14.根据权利要求13所述的测量系统(20，40)，其中在所述谐振器(13)和所述六端口电路(14)之间布置有转换开关(22)，使得所述振荡器(12)的输出端或者所述谐振器(13)的输出端与该六端口电路(13)连接。
15.根据权利要求11至14之一所述的测量系统(20，30)，其中设置有控制装置(23)或者电路(32)，其与该谐振器(13)连接，并且借助其能够影响振荡器(12)。
16.根据权利要求13和15所述的测量系统(20，40)，其中所述转换开关(22)能够被控制装置(23)影响。
17.根据权利要求15或16所述的测量系统(20，30)，其中所述控制装置(23)或者电路(32)包含功率探测器等等。
18.根据权利要求1至10之一所述的方法或者根据要求11至17之一所述的测量系统(10，20，30，40)，其特征在于，应用在温度或者压力或者拉伸的测量中。
【文档编号】G01R23/02GK104181388SQ201410177892
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2013年5月21日
【发明者】恩斯特·哈尔德, 彼得·丁勒, 弗朗西斯科·巴尔翁, 亚历山大·科尔平, 斯特芬·林德纳, 萨拉·林兹, 塞巴斯蒂安·曼恩 申请人:霍斯特西德尔有限两合公司, 埃朗根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学