DE69900622T2 - Verfahren und System zum Erfassen eines Lastmodulationssignals durch induktive Kopplung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und System zum Erfassen eines Lastmodulationssignals über induktive Kopplung, das von einem Lastmodulationssystem ausgesendet wird.
• Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere den Empfang von binären Daten, die durch einen integrierten Schaltkreis ausgesendet werden, der kontaktlos arbeitet, z. B. einen integrierten Schaltkreis in einer Chipkarte ohne Kontakt, einem elektronischen Etikett, einem elektronischen Anhänger, ...
• Als Beispiel ist in Fig. 1 ein typischer Schaltplan eines Erfassungssystems 10 und eines Lastmodulationssystems 20 mit induktiver Kopplung dargestellt.
• Das System 10 umfaßt eine einstellbare Kapazität C1 und Spule L1 in Reihe als Resonanzschaltkreis. Die Kapazität C1 wird über einen Widerstand R1 mit dem Ausgang eines Spannungs/ Strom-Verstärkers 1 verbunden, an dessen Eingang eine Wechselspannung V0 mit der Frequenz F0 liegt, die von einem Oszillator 2 ausgegeben wird. Die Spannung V0 wird durch den Verstärker 1 in einem Strom umgewandelt und bildet das Erregersignal des Resonanzschaltkreises L1C1, dessen Eigenfrequenz Fp1 in der Nähe der Erregungsfrequenz F0 eingestellt wird.
• Mit Bezug auf das Erfassungssystem 10 umfaßt das Lastmodulationssystem 20 eine Antennenspule L2, die zusammen mit der Kapazität C2 einen Resonanzschaltkreis mit der Eigenfrequenz Fp2, abgestimmt auf die Frequenz F0, bildet. Die Spule L2 wird parallel zu den Lastmodulationsvorrichtungen geschaltet, hier ein Widerstand R2 in Reihe mit einem Unterbrecher Tm. Der Unterbrecher Tm wird durch ein Signal S1 binären Typs mit der Trägerfrequenz F1 gesteuert, das durch das System 10 erfaßt werden muß. Die Lastmodulationen an der Spule L2 in Abhängigkeit von Fluktuationen des Signals S1 spiegeln sich aufgrund der induktiven Kopplung wider in der Spule L1, und man beobachtet an den Anschlüssen des Antennenschaltkreises L1C1 eine Wechselspannung Vm mit der Frequenz F0, die in Amplitude und Phase moduliert ist.
• Gemäß einem ersten üblichen Verfahren, dargestellt in Fig. 1, wird die Erfassung des Lastmodulationssignals S1 durch einen Phasenvergleicher 3 sichergestellt, an dessen Eingang die Spannungen V0 und Vm liegen. Der Vergleicher 3 gibt eine Spannung Vφ aus, die proportional zur Phasenverschiebung der zwei Signale ist. Die Spannung Vφ wird in einem Durchlaßfilter 4 gefiltert, das auf die Trägerfrequenz F1 des Signals S1 abgestimmt ist. Der Ausgang des Durchlaßfilters 4 wird durch einen Vergleicher 5 mit der Schwelle Vref binär umgewandelt. Am Ausgang des Vergleichers 5 hat man das Signal S1 mit der Frequenz F1.
• Dieses Erfassungsverfahren für das Signal S1 durch Phasenvergleich hat den Vorteil, daß man ein gutes Signal/Rauschverhältnis hat, macht es allerdings notwendig, daß die Eigenfrequenz Fp1 des Antennenschaltkreises L1C1 leicht verstimmt ist gegenüber der Frequenz F0. Tatsächlich ist es in der Praxis so, daß die Phase φ der Spannung Vm unempfindlich gegenüber Lastmodulationen ist, wenn die Eigenfrequenz Fp1 des Antennenschaltkreises L1C1 absolut gleich der Erregungsfrequenz F0 ist. Zur Erläuterung der Ideen sind in Fig. 2 die Phasenverläufe der Spannung Vm in Abhängigkeit von der Eigenfrequenz Fp1 bei verschiedenen Werten 0, v1, v2 des Lastwiderstandes R2 dargestellt. Wenn Fp1 gleich F0 ist, sieht man, daß die Phasenkurven sich in einem Punkt schneiden und die Empfindlichkeit des Systems 30 gegenüber Lastmodulationen verschwindet. Wenn man die Eigenfrequenz Fp1 des Schaltkreises L1C1 auf F0' in der Nähe von F0 abstimmt, erhält man dagegen eine hohe Empfindlichkeit, wobei die Phase φ von der Last R2 abhängt.
• In der Praxis bedeutet dies, daß die Eigenfrequenz Fp1 des Schaltkreises L1C1 durch Einstellung der Kapazität C1 fein abgestimmt werden muß und regelmäßig kontrolliert werden muß, um die Drift der Kapazität C1 aufgrund klimatischer Bedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, ...) und Alterung zu korrigieren. Diese Einschränkung macht das Verfahren ungeeignet für den Einsatz in einem System mit reduzierter Wartung, z. B. einem kontaktlosen Chipkartenleser an einem öffentlichen Platz, einer kontaktlosen automatischen Teststation für integrierte Schaltungen, ...
• Aus diesem Grund zieht man im allgemeinen ein zweites klassisches Verfahren vor, das darin besteht, daß die Spannungsamplitude Vm an den Anschlüssen des Resonanzschaltkreises L1C1 demoduliert wird, um ein Signal S1 zu extrahieren. Dieses zweite Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß sein Signal/Rauschverhältnis nur mittelmäßig ist.
• Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zum Erfassen von Lastmodulationen durch Phasenvergleich ohne die Nachteile des oben beschriebenen Verfahrens zu schaffen.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Erfassen eines Lastmodulationssignals, das durch induktive Kopplung in einem Antennenschaltkreis empfangen wurde, mit einer Erfassungsspule, die durch ein Signal mit vorgegebener Frequenz erregt wird, mit einer Stufe für das Vergleichen der Phase des Erregersignals der Spule mit der Phase eines in dem Antennenschaltkreis abgegriffenen Signals, wobei bei dem Verfahren der Antennenschaltkreis keinen Schaltkreis bildet, der eine Resonanz in der Nähe der Frequenz des Erregersignals aufweist, und die Phase des Erregersignals mit der Phase des Stroms verglichen wird, der durch die Erfassungsspule fließt.
• Bei einer Ausführungsform für die Anwendung auf die Erfassung eines Lastmodulationssignals, das durch einen integrierten Schaltkreis mit Vorrichtungen zum Modulieren der Last einer Spule ausgegeben wird, wobei die Erfassungsspule und die Spule des integrierten Schaltkreises jeweils gebildet werden durch Primärwicklung und Sekundärwicklung eines Transformators, wobei die Sekundärwicklung mit den Anschlüssen des integrierten Schaltkreises verbunden ist.
• Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein System zum Erfassen eines Lastmodulationssignals durch induktive Kopplung mit: einem Antennenschaltkreis mit einer Spule, Vorrichtungen zum Anlegen eines Erregersignals einer vorgegebenen Frequenz an den Antennenschaltkreis, Vergleichsvorrichtungen für die Phase, an deren erstem Eingang das Erregersignal und an deren zweitem Eingang ein in dem Antennenschaltkreis abgegriffenes Signal anliegt, und Vorrichtungen zum Extrahieren des Lastmodulationssignals aus einem Phasensignal, das von den Vergleichsvorrichtungen ausgegeben wird, bei dem: der Antennenschaltkreis keinen Schaltkreis bildet, der eine Resonanz in der Nähe der Frequenz des Erregersignals hat, und die Vergleichsvorrichtungen für die Phase über ihren zweiten Eigang ein Signal empfangen, das durch die Vorrichtungen zum Erfassen des Stroms, der durch die Spule fließt, ausgegeben wird.
• Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Vorrichtungen zum Erfassen des Stroms einen Transformator, dessen Primärwicklung in Reihe geschaltet ist mit der Antennenspule.
• Gemäß einer Ausführungsform ist die Sekundärwicklung des Transformators parallel zu einem Widerstand geschaltet, um den Strom durch die Primärwicklung in eine Spannung zu wandeln.
• Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Vorrichtungen zum Extrahieren des Lastmodulationssignals ein Durchlaßfilter, das auf einer Trägerfrequenz des Lastmodulationssignals zentriert ist.
• Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Station zum Empfangen von Daten über induktive Kopplung und zur Lastmodulation mit einem Erfassungssystem gemäß der Erfindung, um ein Lastmodulationssignal zu erfassen, und einen Decodierschaltkreis zum Extrahieren von Daten aus dem Lastmodulationssignal.
• Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Station zum Testen eines integrierten Schaltkreises, die kontaktlos über eine Antennenspule arbeitet, mit einem Erfassungssystem gemäß der Erfindung, um ein Lastmodulationssignal zu erfassen, das durch den integrierten Schaltkreis ausgegeben wird.
• Gemäß einer Ausführungsform stellen die Spule des Erfassungssystem und die Spule des integrierten Schaltkreises die Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators dar.
• Gemäß einer Ausführungsform umfaßt die Station einen Decodierschaltkreis zum Extrahieren von Daten des erfaßten Lastmodulationssignals.
• Diese Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden weiter im einzelnen in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des Erfassungssystems gemäß der Erfindung erläutert, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Figuren:
• Fig. 1, die bereits vorher beschrieben wurde, ist der elektrische Schaltplan eines klassischen Erfassungssystems für ein Lastmodulationssignal.
• Fig. 2, die bereits vorher beschrieben wurde, zeigt für mehrere Lastwerte Phasenkurven eines Antennensignals in Abhängigkeit von der Resonanzfrequenz des Antennenschaltkreises des Systems nach Fig. 1.
• Fig. 3 zeigt den elektrischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Erfassungssystems und dient u. a. zur Erläuterung einer Anwendung dieses Systems für den Empfang von Daten, die von einem kontaktlos arbeitenden integrierten Schaltkreis übertragen werden.
• Fig. 4 zeigt eine Anwendung des Erfassungssystems nach Fig. 3 beim Test von integrierten Schaltkreisen, die kontaktlos arbeiten, bevor diese Schaltkreise mit einer Antennenspule verbunden werden.
• In Fig. 3, linker Abschnitt, ist ein System 30 zur erfindungsgemäßen Erfassung eines Lastmodulationssignals dargestellt. Man sieht in dem System 30 den größten Tel der in der Einleitung beschriebenen Elemente, die ihre Bezugszeichen beibehalten haben, außer der Kapazität C1, die weggelassen wurde.
• Erfindungsgemäß unterscheidet sich das System 30 dadurch von dem nach Fig. 1, daß der Antennenschaltkreis, der hier nur die Spule L1 umfaßt, keinen Schaltkreis bildet, der eine Resonanz in der Nähe der Frequenz F0 des Erregungssignals V0 hat.
• Im übrigen gibt der Phasenvergleicher 3 das Phasensignal Vφ aus und empfängt am Eingang das Erregersignal V0 und ein Signal V(Im), das das Bild des Stroms Im durch die Spule 1 ist. Das Signal V(Im) wird durch einen Stromaufnehmer 31 ausgegeben, der hier die Form eines Transformators mit Primärspule 31-1 und Sekundärspule 31-2 hat. Die Primärspule 31-1 hat hier nur eine Wicklung und ist in Reihe geschaltet mit der Spule L1. Die Sekundärspule 31-2 ist parallel mit einem Widerstand R1 für die Strom-/Spannungs-Umwandlung geschaltet.
• Schließlich wird der Phasenvergleicher 3 auf einfache Art mittels zweier Begrenzerschaltkreise 3-1, 3-2 realisiert, deren Ausgänge mit den Eingängen eines Logikgatters 3-3 vom Typ EXKLUSIV-ODER verbunden sind, wobei das Phasensignal Vφ durch das Gatter 3-3 ausgegeben wird. Wie vorher ist der Phasenvergleicher 3 mit einem Durchlaßfilter 4 und einem anschließenden Vergleicher 5 für die Schwelle Vref verbunden.
• Der Vorteil des Systems 30 gemäß der Erfindung liegt darin; daß keinerlei Regelung seines Antennenschaltkreises notwendig ist, wodurch eine exzellente Empfindlichkeit des Phasensignals Vφ gegenüber Lastmodulationen gegeben ist. Dieses Ergebnis wird erreicht durch Kombination von zwei weiter oben beschriebenen Eigenschaften, nämlich daß ein Antennenschaltkreis vorgesehen ist, der nicht mit der Frequenz F0 und benachbarten Frequenzen resonant ist, und ein Phasenvergleich vorgenommen wird, der auf der Erfassung des Antennenstroms Im beruht.
• Fig. 3 zeigt im übrigen eine Anwendung des Systems 30 auf den Empfang von Daten, die von einem integrierten Schaltkreis IC ausgesendet werden, der kontaktlos arbeitet, wobei der elektrische Schaltplan im rechten Abschnitt der Figur gezeigt ist.
• Der Schaltkreis IC ist ausgestattet mit der Antennenspule L2, der Kapazität C2, dem Widerstand R2 und dem Unterbrecher für die Lastmodulation Tm, der in der Einleitung beschrieben wurde. An den Anschlüssen der Spule L2 hat man eine induzierte Wechselspannung Vac mit der Frequenz F0, die ein Abbild der Spannung Vm zwischen den Anschlüssen der Spule L1 darstellt.
• Der integrierte Schaltkreis IC umfaßt im übrigen einen Codiererschaltkreis CD, einen Datenspeicher MEM, einen Mikroprozessor MP, einen Frequenzteilerschaltkreis DEV und eine Diodenbrücke Pd für das Gleichrichten der Spannung Vac. Der Schaltkreis DIV gibt an den Codiererschaltkries CD ein Taktsignal aus, das aus der Spannung Vac abgeleitet wurde, dessen Frequenz F1 ein Teiler der Frequenz F0 ist. Der Schaltkreis CD, z. B. ein BPSK-Phasensprung- Codierer, liest numerische Daten DT aus dem Speicher MEM ein und gibt das Signal S1 der Lastmodulation mit der Trägerfrequenz F1 aus. Schließlich gibt der Gleichrichter Pd eine Gleichspannung Vcc aus, mit der die elektrische Versorgung des Schaltkreises IC sichergestellt ist.
• So werden die Daten DT, die ausgesendet werden sollen, in codierter Form in das Lastmodulationssignal S1 eingebaut. Der Ausgang des Systems 30 wird an den Eingang eines Codierers DEC angelegt, der das Signal S1 demoduliert und daraus die numerischen Daten DT extrahiert.
• In der Praxis kann der integrierte Schaltkreis IC in einem portablen Träger wie einer Plastikkarte, einem Anhänger, einem Etikett, ... eingebaut sein. Das Erfassungssystem 30 bildet so mit dem Codierer DEC eine Station 50 für den Empfang von Daten, z. B. einen Chipkartenleser, der kontaktlos arbeitet. Die Station 50 kann Vorrichtungen umfassen, um Daten an den integrierten Schaltkreis IC zu schicken, z. B. mittels Amplitudenmodulation des Erregersignals V0. Derartige Vorrichtungen sind dem Fachmann allgemein bekannt und werden zur Vereinfachung daher hier nicht weiter beschrieben.
• Aus dem Obigen geht für den Fachmann klar hervor, daß das erfindungsgemäße Erfassungssystem ausgelegt ist, um mit einer starken induktiven Kopplung zwischen den Spulen L1 und L2 zu arbeiten. Die vorliegende Erfindung ist daher beschränkt auf Anwendungen mit kleinem Übertragungsabstand, z. B. auf kontaktlose Kartenleser mit einem Einführungsschlitz und einer Kartenführung. Derartige Lesegeräte stellen sicher, daß der Übertragungsabstand klein ist, in der Ordnung von einigen Millimetern.
• Die vorliegende Erfindung eignet sich außerdem für die Umsetzung einer Teststation zum kontaktlosen Testen eines integrierten Schaltkreises vor seinem Einbau in einen Träger und seine Verbindung mit einer Antennenspule. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Antennenspule L2 des integrierten Schaltkreises mittels Sekundärwicklung eines Transformators zu realisieren, dessen Primärwicklung die Spule L1 des Erfassungssystems 30 bildet.
• Fig. 4 zeigt schematisch eine solche Teststation 60. Die Station 60 umfaßt einen Transformator TR, das Erfassungssystem 30 gemäß der Erfindung, den Decodierer DEC, der bereits beschrieben wurde, und eine Zentraleinheit 61 für den Empfang von Daten DT, die durch den Schaltkreis DEC ausgegeben werden. Die Primärwicklung T1 des Transformators TR bildet die Spule des Erfassungssystems 30. Die Sekundärwicklung T2 ist über elektrische Leitungen 62 mit Metallstiften 63, 64 verbunden, die auf einer gedruckten Schaltung 65 fixiert sind. Die Stifte 63, 64 werden auf die Anschlüsse 41, 42 des integrierten Schaltkreises IC gedrückt, die für die Verlötung einer Antennenspule vorgesehen sind. So bildet die Wicklung T2 eine fiktive Antennenspule, und man kann den integrierten Schaltkreis IC betreiben und testen, bevor er auf einen portablen Träger montiert wird und mit einer Antennenspule verbunden wird.
• Dieser Aspekt der Erfindung stellt eine starke induktive Kopplung zwischen den Wicklungen T1 und T2 sicher und erlaubt es, eine Teststation mit geringer Wartung herzustellen, bei der keine Regelung ihres Antennenschaltkreises notwendig ist und die in einer Herstellungslinie für integrierte Schaltkreise vorgesehen werden kann. Die integrierten Schaltkreise können getestet werden, noch während sie gemeinsam sich auf einer Silizium-Mutterplatte oder "Wafer" befinden, bevor die Mutterplatte zerschnitten wird.
• Es ist dem Fachmann klar, daß die vorliegende Erfindung verschiedene weitere Anwendungen und Ausführungsformen findet. Insbesondere, wenn man noch mal auf Fig. 3 zurückkommt, ist es ganz offensichtlich, daß der Stromaufnehmer 31 auf verschiedene Arten realisiert werden kann, insbesondere mittels eines Präzisionswiderstandes, eines Hall-Effekt-Aufnehmers, ...

Claims (10)

1. System (30) zum Erfassen eines Lastmodulationssignals (51) durch induktive Kopplung mit:

- einem Antennenschaltkreis mit einer Spule (L1, T1)

- Vorrichtungen (1, 2, R1) zum Anlegen eines Erregersignals (V0) einer vorgegebenen Frequenz (F0) an den Antennenschaltkreis,

- Vergleichsvorrichtungen (3) für die Phase, an deren erstem Eingang das Erregersignal (V0) und an deren zweiten Eingang ein in dem Antennenschaltkreis (L1) abgegriffenes Signal anliegt, und

- Vorrichtungen (4, 5) zum Extrahieren des Lastmodulationssignals (S1) aus einem Phasensignal (V9) das von den Vergleichsvorrichtungen (3) ausgegeben wird,

dadurch gekennzeichnet, daß:

- der Antennenschaltkreis (L1) keinen Schaltkreis bildet, der eine Resonanz in der Nähe der Frequenz des Erregersignals hat,

- die Vergleichsvorrichtungen für die Phase (3) über ihren zweiten Eingang ein Signal (V(Im)) empfangen, das durch die Vorrichtungen (31) zum Erfassen des Stroms (Im), der durch die Spule (L1) fließt, ausgegeben wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (31) zum Erfassen des Stroms (Im) einen Transformator umfassen, dessen Primärwicklung (31-1) in Reihe geschaltet ist mit der Antennenspule (L1).

3. System nach Anspruch 2, bei dem die Sekundärwicklung (31-2) des Transformators parallel zu einem Widerstand (R1) geschaltet ist, um den Strom durch die Primärwicklung (31-1) in eine Spannung zu wandeln.

4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Vorrichtungen zum Extrahieren des Lastmodulationssignals ein Durchlaßfilter (4) umfassen, das auf einer Trägerfrequenz (F1) des Lastmodulationssignals zentriert ist.

5. Station (50) zum Empfangen von Daten (DT) über induktive Kopplung und zur Lastmodulation, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Erfassungssystem (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfaßt, um ein Lastmodulationssignal (S1) zu erfassen, und einen Decodierschaltkreis (DEC) zum Extrahieren von Daten (DT) aus dem Lastmodulationssignal (S1).

6. Station (60) zum Testen eines integrierten Schaltkreises (IC), die kontaktlos über eine Antennenspule (L2, T2) arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Erfassungssystem (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfaßt, um ein Lastmodulationssignal. (S1) zu erfassen, das durch den integrierten Schaltkreis (IG) ausgegeben wird.

7. Teststation nach Anspruch 6, bei der die Spule (T 1) des Erfassungssystems und die Spule (T2) des integrierten Schaltkreises die Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators (TR) darstellen.

8. Teststation nach einem der Ansprüche 6 und 7 mit einem Decodierschaltkreis (DEC) zum Extrahieren von Daten (DT) des erfaßten Lastmodulationssignals (S1).

9. Verfahren zum Erfassen eines Lastmodulationssignals (S1), das durch induktive Kopplung in einem Antennenschaltkreis empfangen wurde, mit einer Erfassungsspule (L1), die durch ein Signal (V0) mit vorgegebener Frequenz (F0) erregt wird, mit einer Stufe für das Vergleichen der Phase des Erregersignals (V0) der Spule (L1, T1) mit der Phase eines in dem Antennenschaltkreis abgegriffenen Signals, dadurch gekennzeichnet, daß der Antennenschaltkreis (L1, T1) keinen Schaltkreis bildet, der eine Resonanz in der Nähe der Frequenz des Erregersignals (F0) aufweist, und daß die Phase des Erregersignals (V0) mit der Phase des Stroms (Im) verglichen wird, der durch die Erfassungsspule (L1, T1) fließt.

10. Verfahren nach Anspruch 9 zum Erfassen eines Lastmodulationssignals (S1), das durch einen integrierten Schaltkreis (IC) mit Vorrichtungen (R2, Tm, CD, DIV) zum Modulieren der Last einer Spule (L2) ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsspule (L1) und die Spule (L2) des integrierten Schaltkreises jeweils gebildet werden durch Primärwicklung (T1) und Sekundärwicklung (T2) eines Transformators (TR), wobei die Sekundärwicklung mit den Anschlüssen (41, 42) des integrierten Schaltkreises (IC) verbunden ist.