DE2428179A1 - Ansteuergenerator eines sinusformwellenzug-wandlers - Google Patents

Description

Dlp!,-!r»q. R. 3Ε£Τ "Z

Dip:.-;-.'·., κ, L. Ά.νΐ "■■;..riiH

Dr.-i.-v7. R. i... ■;_ ;;. ν ^ j_r>
β München 22, Stainsdor/str. 1«

410-22.756P 11. 6.

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE, Paris (Frankreich)

Ansteuergenerator eines Sinusformwellenzug-Wandlers

Die Erfindung betrifft einen Ansteuergenerator eines Sinusformwellenzug-Wandlers .

Die Anordnung eignet sich insbesondere zum Pulsen des Wandlers eines Ultraschallsenders. In bereits entwickelten Ultraschallanordnungen zum Erzeugen von sinusförmigen Wellenzügen oder Sinuswellenzügen wird ein. im Dauerbetrieb arbeitender Sinusgenerator verwendet, an den ein Analogtor oder -gatter (das äquivalent ist zu einem Schalter) angeschlossen ist, das während der gewünschten Ansteuerzeit des Wandlers geöffnet ist. Dieser Sinus signalausschnitt durchläuft einen Leistung sver star-

409881/1009

410-(B 4880.3)-DW-r (8)

ker und steuert dann den Wandler an. Dies ergibt ein Signal-Rausch-Verhältnis oder vielmehr ein Verhältnis Sendesignal : Nicht-Sendesignal in der Größenordnung von 500, wobei das Rauschen verursacht ist durch die Senderabstrahlung, galvanische Kopplungen und vor allem durch parasitäre Elektrodenkapazitäten von Transistoren. Wenn man z. B. Echos einer Ultraschallaussendung erfaßt, ist es unerläßlich, daß dieses Signal-Rausch-Verhältnis ausgezeichnet ist.

Ein weiterer Nachteil der Anordnung mit dem Analogtor ist die Nichtsynchronisierung der Phase auf den Beginn der Ultraschallaussendung und auf ein Öffnungssignal des Analogtores. Eine Möglichkeit zum Vermeiden dieses Nachteils besteht darin, das Öffnungssignal durch Frequenzteilung der Ultraschallfrequenz (Erzeugen einer Subharmonischen der Sendefrequenz) zu erzeugen. Dieses Verfahren ist jedoch wenig flexibel, da nur bestimmte Werte der Wiederholfrequenz erhältlich sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die beiden in bestimmten Fällen hinderlichen Nachteile des an einen Dauerbetriebgenerator angeschlossenen Analogtores, nämlich das kleine Verhältnis Sendesignal zu Nicht-Sendesignal und die schlechte Synchronisation, zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Ansteuergenerator, demgemäß ein Generator bzw. Oszillator nur während des Aussendens eines Wellenzuges schwingen kann, während er außerhalb der Sendezeit gesperrt ist, indem der Generator ein Generator für irgendwelche periodischen Signale gegebener Frequenz und Amplitude, z. B. für Rechtecksignale, ist, gefolgt von einem in Reihe geschalteten aktiven Filter, das nur die Grundwelle des vom Generator abgegebenen

409881/1009

Signals durchläßt. Mit anderen Worten: Der Ansteuergenerator besteht aus der Reihenschaltung eines Generators für Wellenzüge, die durch eine ganze Zahl von · Halbwellen periodischer Signale gebildet sind, mit einem auf die Frequenz dieser periodischen Signale abgestimmten Filter.

Da sich ein Sinusgenerator ohne einen äußerst komplizierten Aufbau nur sehr schwierig direkt steuern läßt, wird in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ein stabiler Rechteckgenerator verwendet und danach das Signal des Generators energiereich ausgefiltert. Der Verzerrungsgrad gegenüber einem reinen Sinus ist in zahlreichen Anwendungen wie z. B. bei der Erfassung von Echos nicht ausschlaggebend; das Kriterium ist vor allem das Verstärker rauschen außerhalb der Sendezeit und die Ursache dieses Rauschens.

Es ist jedoch wichtig, festzustellen, daß die Anwendung der vorliegenden Erfindung sich nicht auf das Ansteuern von Ultraschallwandlern beschränkt, sondern daß auch alle jene Anwendungen gemeint sind, bei denen die beiden genannten Kriterien erfüllt sein müssen.

Gemäß einem effindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird das gewünschte Rechtecksignal erhalten, indem zwei Rechtecksignale A und B symmetrisch zur Spannung Null erzeugt werden, wobei diese Signale in einer Addierschaltung addiert werden, damit eine symmetrische Rechteck-Wechselspannung entsteht.

Die Erfindung besteht aus einem Generator zum Erzeugen von periodischen Signalen gegebener Frequenz und Amplitude, aus einem Filter, das nur die Grundwelle des Signals durchläßt, und aus einem Öff-

■409881/1009

nungs- und Schließbefehl des Generators zum Bestimmen der Sendedauer .

Der Generator enthält eine Kippschaltung mit wenigstens einem stabilen Zustand, und eine Befehlsschaltung zur Abgabe von Start- und Stoppbefehlen an die Kippschaltung. Die Kippschaltung ist vor- * teilhaft als Monoflop ausgeführt.

In einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel werden periodische Hechtecksignale gegebener Frequenz und Amplitude mit einem Generator aus zwei zu einem Kreis zusammengeschalteten Monoflops aus integrierten Schaltungen erzeugt, deren zwei Ausgangssignale addiert werden; das Filter zum Filtern des periodischen Rechtecksignals, das nur die Grundwelle durchläßt, ist ein Tiefpaßfilter zweiter Ordnung mit einem einstellbaren Dämpfungskoeffizienten, dessen Stufenverstärker ein Operationsverstärker ist. Der Öffnungs- und Schließbefehl ist ein Rechtecksignal an einem Monoflopeingang des Generators für periodische Rechtecksignale.

Der Gedanke, einen Generator derart direkt anzusteuern, daß außerhalb der Sendedauer kein Signal vorhanden ist, ist für einen Sinusoszillator nur schwer durchführbar; in diesem Fall kann man keine kurzen Signalausschnitte erhalten, da der Anstieg und Abfall des Stromes exponentiell sind; im Gegensatz dazu ist es sehr einfach möglich, einen Rechteckgenerator durch einen logischen Impuls anzusteuern, jedoch ist eine anschließende Filterung notwendig, damit sein Rechtecksignal sinusförmig wird; eine Schwierigkeit wird durch die Verwendung eines aktiven Filters mit einem Verstärker-Integrator umgangen, dessen Verstärkung sich mit der Frequenz wegen einer ebenfalls frequenz-

409881/1009

abhängigen Rückkopplungsschaltung ändert; das Filter hat eine Grenzfrequenz, die geregelt wird, bis sie mit der Grundfrequenz des Eingangssignals übereinstimmt.

Man erhält also erfindungsgemäß einen Sinuswellenzug, dessen Klirrfaktor kleiner als 1 % ist, wobei das Rauschen beim Nicht-Senden "pseudoweiß" ist. (Wenn der Generator gesperrt ist, sind auf keinen Fall Frequenzkompbnenten des Rechteckgenerators vorhanden.) Somit ist das Verhältnis Sendesignal zu Nicht-Sendesignal praktisch unendlich. Andererseits ist die Phase des Schwingungsanfangs für alle Wellen festgelegt.

Die Erfindung wird nun durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig, 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des aus zwei Monoflops gebildeten Rechteckgenerators,

Fig. 3 Signale an verschiedenen Punkten des Rechteckgenerators,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines Tiefpaßfilters mit einem Operationsverstärker ,

Fig. 5 a einen vom Generator abgegebenen Rechteckwellenzug, Fig. 5 b eine Sinusschwingung nach dem Filter.

4 09881/1009

Fig. 5 c den Anfang der durch das Starten des Generators erzeugten Sinusschwingung,

Fig. 5d das Ende eines Ausschnittes des Sendesinussignals, und

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Tiefpaßfilters mit Trennverstärkern.

Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild der Erfindung zeigt einen Rechteckgenerator 2, ein Tiefpaßfilter 4, und einen Leistungsverstärker 6, der einen durch einen Piezokristall gebildeten Wandler 8 ansteuert; das Starten des Rechteckgenerators 2 wird bei einem Eingang 10 durch ein Signal 12 des Öffnungsbefehls derart gesteuert, daß ein Impuls zug 14 aus Rechteckschwingungen entsteht, der im Filter 4 gefiitert wird und einen Sinuswellenzug 16 ergibt, dessen Amplitude im Leistungsverstärker 6 zu einem den Wandler ansteuernden Schwingungszug verstärkt wird.

Fig. 2 zeigt einen Rechtecksignalgenerator aus zwei integrierten, zu einem Kreis zusammengeschalteten Monoflops. Die beiden Ausgänge S und S₀ geben synchrone Rechteckschwingungen mit gewünschter Frequenz (in der Größenordnung von einigen MHz) ab. Die Frequenz ist über die Kippzeit der beiden Monoflops durch Widerstände 19 und Kondensatoren 21 einstellbar. In einem Ausführungsbeispiel sind die Widerstandswerte der Widerstände 19 einige kX2 und die Kapazitäten der Kondensatoren 21 40 pF, was Frequenzen in der Größenordnung einiger MHz entspricht. Ein ständig gepulster Umschalter 24, der den Öffnungsund Schließbefehl bildet, kann von der Position "Dauerschwingung" bei der eine Frequenzregelung des Generators möglich ist, in die Position

409881/1009

"gepulste Schwingung" umschalten. Der Öffnungsbefehl 25 hat die in Fig. 2 dargestellte Form. Durch eine aus zwei NAND-Gattern 26 und 27 sowie aus einem Transistor 28 aufgebaute Schaltung können zwei in Fig. 3 mit A und B bezeichnete, bezüglich Null symmetrische Signale aus gegeneinander verschobenen Signalen S und S₀ erzeugt werden. Diese beiden Signale A und B werden in einem Widerstandsaddierer mit R = IkO und R = 10 kCl (beispielsweise) addiert. Am Ausgang erhält man ein symmetrisches Rechteck-Wechselstrom signal. Diese Schwingung ist mit dem Buchstaben O bezeichnet. Sie wird anschließend gefiltert.

Fig. 3 zeigt elektrische Signale als Funktion der Zeit: den Anfang des Öffnungsbefehls 30, das Signal S , 32, das Signal S , 34, das Signal A, 36, das Signal B, 38, und schließlich das Ausgangssignal O,

Die zu filternde Schwingung O besitzt eine Fourierentwicklung von der Form:

^O(t)=²⁰o/ * I«. [(Un₊I) «t]

η = ο

mit: O = Maximalamplitude, und
= Grundfrequenz.

Es sind nur ungerade Harmonische vorhanden, deren Mittelwert Null ist. Wenn man diese filtert, wird η = 0 und man erhält eine gefilterte Funktion O'(t):

2 O

T\
098 81/1009

O'(t) = —T=-²- sin 6ot.

Der Anstieg des Schwingungszugs erfolgt sehr schnell in weniger als 20 ns, wenn Transistoren verwendet werden. Das Ausschneiden erfolgt 1 Periode danach.

Die charakteristischen Eigenschaften dieses erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels sind nachstehend aufgezählt:

- Die kürzeste Sendedauer ist eine Halbwelle des Ultraschallsignals ;

- die längste Dauer ist die Wiederholperiode des Öffnungsbefehls minus eine Signalperiode des Rechteckgenerators;

- in einem Ausführungsbeispiel kann die Wiederholperiode dieser Anordnung zwischen 3,6 Hz und 500 kHz variieren; und

- die Sendefrequenz kann von einigen Hz bis zu einer oberen Frequenz von 5 MHz gehen. Die Frequenzänderung erfolgt durch Widerstandspotentiometer und durch Kapazitätsänderung in den Monoflops .

In Fig. 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Filters zweiter Ordnung mit einstellbarem Dämpfungskoeffizienten schematisch dargestellt. Ein bei 42 eingespeistes Signal wird gefiltert und am Ausgang 44 abgegeben. Die Bauelemente haben folgende Werte: Widerstände R = 6,8 k Γ2 , Kapazitäten C = 4,7 pF, Widerstände 50 und 52 = 1 k.Q , Widerstand 54 = 10 k Cl , Potentiometer 46 und 48 = 0 bis 10 k.Q , Widerstand R = 2 · R , R = 1 \aCl . Die Übertragungsfunktion W eines derartigen Filters ist gegeben durch:

409881 /1009

V (ρ) =

R²C²p²+ARCp+1.

mit: ρ = j ω (sinusförmig), und
A = 1,5 (1-B),

wobei B das Widerstandsverhältnis der Rückkopplungsschleife ist. Der verwendete Operationsverstärker hat eine Leerlaufkreisverstärkung von 100 000 und einen Durchlaßbereich von 20 MHz bei Verstärkung Eins. Der Wellenzug am Ausgang des Filters 44 hat eine stabile Amplitude mit Unterbrechungen und ist in Fig. 5a mit einer Ordinatenteilung von 5 V/cm und einer Abszissenteilung von 5 us/cm dargestellt. Für einen anderen Zeitmaßstab von 100 ns/cm und eine Ordinatenteilung von 2 V/cm ist in Fig. 5 b gezeigt, daß das Sinussignal am Filterausgancj nur wenig verzerrt ist. Der Anfang der Sinusschwingung, der in Fi(J 5 c mit einem Zeitmaßstab von 200 ns/cm dargestellt ist, ist ebensogut wie das Signalende, das in Fig. 5d in gleichem Maßstab dargestellt ist, wobei der Ordinatenmaßstab in beiden Figuren 2 V/cm beträgt.

In Fig. 6 ist ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Tiefpaßfilters aus zwei Trennverstärkern dargestellt, die billiger als der in Fig. 4 dargestellte Operationsverstärker sind. Diese Trennverstärker weisen eine gleichförmige Verstärkung 1 im Frequenzbereich Ό - 30 MHz auf, bei einem Eingangs wider stand von 200 k.O und einem Ausgangswiderstand von 60. Sie sind gegen Kurzschluß am Ausgang 56 durch einen Widerstand 58, dessen Wert 50 Ω.. beträgt, geschützt. Das Eingangssignal wird bei 54 eingespeist. Beide Widerstände R' haben einen Wert von 1 \n£l , die Kapazitätswerte der Kondensatoren C betragen 39 pF. Die Ausgangsspannung kann 5 V Spitze - Spitze für

409881/1009

beide Verstärker sein, die auf derselben Platte wie der getastete Generator aufgebracht sein können.

Die Erfindung beschränkt sich natürlich nicht auf die genannten Ausführungsbeispiele, die lediglich als Beispiel dargestellt und beschrieben wurden, sondern erstreckt sich auch auf äquivalente Anordnungen, insbesondere hinsichtlich der Steuerung des getasteten Generators und der Art der periodischen Signale, die beispielsweise auch Dreiecksignale sein können, und erstreckt sich auch auf Äquivalenzschaltungen des aktiven Tiefpaßfilters.

40 98.81/1009

Claims (2)

1. Patentansprüche

   (l.)Ansteuergenerator eines Sinusformwellenzug-Wandlers,
   gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung eines Generators
   (2) für Wellenzüge, die durch eine ganze Zahl von Halbwellen periodischer Signale gebildet sind, mit einem Filter (4), das auf die Frequenz der periodischen Signale abgestimmt ist (Fig. l).
2. 2. Ansteuergenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator für die Wellenzüge gebildet ist, durch eine Kippschaltung mit wenigstens einem stabilen Zustand, und durch eine Steuereinrichtung, die Start- und Stoppbefehle an die Kippschaltung abgibt (Fig. 2).

   409881 /1009