CN104124927A - 用于环境传感的装置和用于匹配接收放大器的动态性范围的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于匹配接收放大器的动态性范围的方法以及一种用于环境传感的装置，其中将额外的电信号馈入所述接收放大器的输入端中以减小所述接收放大器的基于第一电信号产生的输出信号。通过所述方式阻止在发射过程期间所述接收放大器的输出的过调，即使所述接收放大器与转换器和发射放大器的输出端连接。
Description
背景技术
在环境传感(Umfeldsensorik)中，基于通过环境目标反射的信号或者基于所述信号的传播时间求取传感器与环境目标之间的距离测量。转换器向周围环境中发射一个合适的信号，所述信号的回波由同一转换器或相邻的转换器接收并且例如在传播时间和其他信息方面被分析处理。按照自然规律，对于发射过程需要比被反射的和被接收的回波的振幅明显更高的振幅。如果将发射转换器用于发射过程和接收过程，则当所述接收放大器未受保护或者在发射过程期间没有去耦合时电发射信号会导致接收放大器的不适当地大的输入。
图1示出根据背景技术的装置，在所述装置中可以通过发射放大器3向超声转换器2加载电信号，所述电信号作为发射信号被发射到转换器2的周围环境中。抵达转换器2的回波被转换成电接收信号并且由接收放大器100接收并且被分析。在此，在简单的电结构的情况下可以例如通过在发射过程期间与超声转换器2分开来保护接收放大器100免受发射转换器3的电发射信号。
图2示出在背景技术中使用的接收放大器100的电路装置的详细视图。来自转换器2的接收信号Ue(τ)被引导到由电容器C和输入电阻R1组成的串联电路上。反馈电阻R2的第一连接端连接在输入电阻R1与运算放大器1的输入端子11之间，所述反馈电阻R2的第二连接端与运算放大器1的输出端连接。运算放大器1的第二输入端12通过参考电压源Uref与电接地连接。在此，参考电压源Uref用于运算放大器1的工作点调节。所示的装置表示作为根据背景技术的环境传感系统的接收路径的输入放大器级的反相放大器的一个典型示例。在此，接收放大器的通过虚线包围的部分10可以实现为集成电路(Integrated Circuit，“IC”)。在背景技术中，需要用于接收放大器100的两个壳体连接端，所述壳体连接端在图2中表示为开放回路Ue(τ)、Ua(τ)。输入电压Ue(τ)在输入电阻R1中产生电流i1(τ)。运算放大器1由于在其输入端11、12上产生的电压差对此作出反应，其方式是，运算放大器产生输出电压Ua(τ)，所述输出电压又在反馈电阻R2中引起电流i2(τ)。在此，输出电压Ua(τ)调节到一个这样的值上，使得i1(τ)＝-i2(τ)。如果输出电压Ua(τ)在运算放大器1的工作电压范围内——大多0-5V，则输入比Ue(τ)仅仅无失真地与电阻R2和R1的比值成正比地放大。但尤其在发射期间以及之后不久在输入端上存在一个如此大的信号Ue(τ)，使得接收放大器100或者运算放大器1过调。换句话说，输入信号Ue(τ)不再与输出信号Ua(τ)成比例。但在发射期间以及之后不久也会分析非常强的输入信号Ue(τ)，以便能够识别在传感器前面传感器上的变化，例如结冰、污染和遮盖。在此，可以使用取决于传播时间的增益来进行动态性匹配。在此过程中，通过测量时间期间的增益的匹配和/或通过切换所使用的放大器路径来匹配增益。但为此所需的电阻和开关在电路中的高度集成的情况下是障碍。尤其是当需要集成电路的壳体上的另一单独的连接端(英语“Pin”)时是这种情况。
图3以在时间上绘制的转换器输入信号ui(τ)的形式示出一个测量周期的典型阶段。在第一阶段20中转换器2开始将电能转换成机械振荡。电输入信号Ue(τ)23在区域21中快速上升，使得在最高振幅24的区域中可识别到饱和效果。在关断激励之后，输入信号23在区域22中下降到以下振幅范围上：在所述振幅范围中不再存在饱和/过调。
在背景技术中没有公开足够简单的装置和方法，借助其尤其能够在发射期间和之后不久降低接收放大器的输入信号的动态性。
发明内容
本发明通过具有根据权利要求1的特征的方法和具有根据权利要求5的特征的装置满足在背景技术中存在的需求。借此提出一种用于匹配用于环境传感的装置中的接收放大器的动态性范围的方法。在此，接收放大器可以尤其永久地与转换器和提供发射信号的发射放大器连接。用于环境传感的装置例如对于汽车领域构造为所谓的泊车辅助系统。这样的系统常常根据超声回波脉冲方法运行。根据本发明，所述方法包括将额外的电信号馈入接收放大器的输入端中以降低接收放大器的基于第一电信号产生的输出信号的步骤。换句话说提出，在发射过程期间在接收放大器的输入端上通过以下方式减小向转换器输出的发射放大器侧的电信号：以适当的方式将额外的信号输出到接收放大器的输入端上。通过所述方式，发射信号和额外的信号在放大器输入端上或者在放大器中如此相加，使得接收放大器的输出端输出与在没有额外的电信号的情况下相比明显较低的电平。例如额外的电信号可以通过电流源在接收放大器内的运算放大器的负连接端的方向上驱动电流。替代地或附加地，可以控制电压源，以便在接收放大器的运算放大器的正连接端上耦合输入电压。
从属权利要求表示本发明的优选改进方案。
此外优选地，可以借助于第一电信号产生额外的电信号。换句话说，可以使用与第一电信号相对应的信号作为输入量以产生额外的电信号。在此，额外的电信号尤其可以是第一电信号的基本上相位同步的映射。其例如可以通过转换器的输入端上、接收放大器的输入端上或发射放大器的输出端上的电压抽头实现。替代地或附加地，也可以从存储器中读取在前一发射周期的范围内所接收的、所存储的并且尤其所匹配的信号并且使用所述信号来产生额外的电信号。例如第一电信号和额外的电信号之间的预定义的相移负责两个信号至少部分地抵消并且导致接收放大器的明显减小的输出信号。
此外优选地，可以在发射过程期间使用接收放大器的输出信号来进行用于环境传感的信号转换器的功能检验。例如可以识别故障或其他功能限制(例如，污染，结冰，老化等)，其方式是，分析接收放大器的输出信号。因为转换器的电特性根据其功能良好性有时显著变化，所以可以确定相应的阈值并且在分析时使用所述阈值，由此可以发现功能失效。为了分析处理接收放大器的输出信号，可以进行模拟/数字(A/D)转换，其能够实现分析的更大功能范围。通过根据本发明降低接收放大器的输出电平，可以更好地和更低成本地描述模拟/数字(A/D)转换的量化，因为可以设计用于更小的输入信号电平的转换器。
此外优选地，可以存储并且以预定义的方式改变额外的电信号和/或第一电信号。在此，可以存储成功用于补偿或者降低输出信号的额外的电信号并且将其用于后续的发射过程以进行补偿。替代地或附加地，也可以存储第一电信号以及由所述第一电信号的映射生成用于后续的发射过程的额外的电信号。当然，变化可以包括全部合适的信号参数和信号处理算法。例如可以进行振幅匹配和/或频率匹配和/或待补偿的第一中间信号与进行补偿的额外的电信号之间的相位的匹配。
根据本发明的第二方面提出一种用于环境传感的装置。所述装置包括信号转换器、接收放大器和可控的电能量源。所述装置可以例如以泊车辅助系统的形式实现。在此，信号转换器可以实施为声转换器，尤其实施为超声转换器。接收放大器可以永久地与信号转换器连接，从而所述接收放大器在发射过程范围内不与信号转换器分离，尤其不与信号转换器在电流上分离。换句话说，在发射过程范围内也以第一电信号加载所述接收放大器。可控的电能量源例如可以实施为可控的电压源和/或可控的电流源。根据本发明，信号转换器在此设置用于将第一电信号转换成发射信号、将所述发射信号发射到周围环境中并且将所述发射信号的回波转换成接收放大器的电输入信号。此外，所述电能量源设置用于将额外的电信号馈入接收放大器的输入端中，以便减弱接收放大器的基于第一电信号产生的输出信号。在实现根据本发明的装置的特征以及与此相关的优势方面可以参考刚刚阐述的发明方面，以便避免不必要的重复。
此外，根据本发明的装置还包括存储装置以及信号处理装置，其设置用于存储以及以预定义的方式改变额外的电信号和/或第一电信号。通过所述方式可以将成功的补偿过程用于为用于环境传感的装置的后续运行周期准备输入量。
有利地，接收放大器可以通过取决于电压的电阻改进，所述电阻由例如两个反并联连接的二极管组成。在此，取决于电压的电阻可以用于以相对较低的程度放大具有高电平的接收放大器的输入信号。相反，能够以相对较高的程度放大接收放大器的低输入信号。为此，取决于电压的电阻例如可以设置在接收放大器的运算放大器的反馈路径中。例如取决于电压的电阻可以与结合图2示出的反馈电阻R2并联地设置。二极管可以构造为齐纳二极管。
附图说明
以下参考附图详细描述本发明的实施例。在附图中示出：
图1：根据背景技术的环境传感系统的结构的原理图；
图2：根据背景技术的接收放大器的电路图；
图3：在背景技术中出现的接收放大器的输入信号的时间图；
图4：环境传感系统的根据本发明的实施例的原理图；
图5：具有根据本发明的不同改进方案的接收放大器的实施例的电路图；
图6：表示根据本发明的方法的实施例的步骤的流程图；
图7：表示接收放大器输入信号(第一电信号)和反馈信号(额外的电信号)的时间图；
图8：在图7中示出的时间图的对数表示；
图9：接收放大器输入信号(第一电信号)以及通过根据本发明的反馈导致的接收放大器输出信号的时间图；
图10：在图9中示出的时间图的对数表示。
具体实施方式
在说明书开始部分中已经结合背景技术详细探讨了图1-3。
图4示出根据本发明的用于环境传感的装置的实施例的原理图。转换器2与发射放大器3和接收放大器100电连接。无论是发射放大器3还是接收放大器100都与作为存储装置的数据存储器4和作为信号处理装置的微控制器5连接。发射放大器3设置用于向超声转换器2馈给电信号(第一电信号)，所述电信号也抵达接收放大器100的输入端。此外借助于超声转换器2接收的回波由接收放大器100的输入端接收并且被分析。在此在以下附图的范畴内详细地说明在图4中示出的装置的功能方式。
图5示出根据本发明的接收放大器100，其与在图2中示出的电路图相比具有多个根据本发明的改进。此外，为了避免重复参考图2。根据本发明，运算放大器1的输入端11与可控的电流源ig(τ)B连接。例如可以使用输入电压Ue(τ)作为电压控制的电流源B的调节量。电路技术的专业人员熟知能够如何实现这样的控制或者调节，因此在此不详细论述。在运算放大器1的第二输入端12上设有与参考电压源Uref串联的可控的电压源Ug(τ)A。所述可控的电压源A也可以获得例如输入电压信号Ue(τ)作为控制量。在此，可以在输入电压信号Ue(τ)与可控的电压源A的信号或者可控的电流源B的信号之间设置相移。根据控制路径的实施方式及其延迟，可以通过所述方式进行相位校正，以便实现接收放大器100的输出信号Ua(τ)的尽可能减小。此外与反馈电阻R2并联地设有由两个彼此相反地连接的齐纳二极管D1、D2组成的串联电路。所述串联电路充当取决于电压的电阻，所述电阻的电导随着所施加的电压的增大而提高。通过所述方式，运算放大器1的输出端Ua(τ)与输入端11之间的高电压差导致端子11与13之间的二极管D1、D2的串联电路的高电导，由此减小接收放大器100的增益。
图6直观地示出根据本发明的方法的实施例的流程图。所述方法以步骤100开始，其中产生用于将超声脉冲发射到周围环境中的第一电信号。此外在步骤200中将一个额外的电信号馈入接收放大器的输入端中。在步骤300中使接收放大器的输出信号经受模拟/数字转换。在步骤400中对数字信号进行分析。例如在其过程中可以确定：信号的信号形状和/或振幅和/或信号的频谱成分是否可以推断出功能良好的转换器。例如通过所述方式可以识别转换器膜片的结冰和/或污染和/或破损。在步骤500中，进行额外的电信号的存储，以便将其准备用于一个稍后时刻的应用。在步骤600中，修改或者改变所存储的额外的电信号。通过所述方式可以校正(例如通过接收放大器100的过高的或过低的剩余的输出信号电平导致的)不令人满意的补偿结果。在步骤700中，所述方法结束。当然也可以响应一个新的测量周期的开始完全一致地或在省略单个步骤的情况下实施所描述的方法过程。
图7示出接收放大器的输入电压信号Ue(τ)的时间图以及作为额外的第一信号示出根据本发明产生的反馈信号Sg。输入电压信号Ue(τ)的高信号电平在区域24中导致非线性的效果。换句话说，信号在区域24中过调。
图8是在图7中示出的时间过程的数值的对数表示。
图9是时间图，其表示在图7中示出的接收放大器的输入电压信号Ue(τ)以及接收放大器在根据本发明通过额外的电信号反馈之后的输出电压信号Ua(τ)。与接收放大器的输入电压信号Ue(τ)相比，输出电压信号Ua(τ)的电平在根据本发明的反馈之后降低数倍并且远离过调区域。通过所述方式能够进行成本更低的模拟/数字转换并且进行经数字化的转换器信号的准确分析以进行功能检验。可以使用成本更低的数字/模拟转换器并且更低的输出电平导致总系统合成中的更小电磁干扰。
图10示出图9中的时间图的数值的对数表示。
本发明的核心思想是，在发射过程中在用于环境传感的系统中通过以下方式避免接收放大器的过高的输出电平：降低由发射放大器作用于接收放大器输入端的电信号，其方式是，将补偿信号馈入接收放大器的适当的连接端子中。在此，接收放大器即使在发射过程期间也与转换器和发射放大器保持电连接和电流连接，由此可以节省电路硬件和开关过程。此外本发明也能够实现用于环境传感的转换器的功能良好性的低成本分析，其方式是，可以研究在发射过程期间接收的转换器信号。
本发明能够实现装置的重要特征的集成电路(Integrated Circuit IC)形式的低成本集成。所述区域在关于装置的附图中通过虚线边框10表示。根据所期望的作用和接收放大器的输出信号的所期望的振幅可以以适当的方式成形额外的电信号。例如可以基于作为具有例如48kHz的固定频率的正弦信号的反馈信号。可以通过振幅加权函数对其进行加权，从而反馈信号的振幅随着时间的增加而明显减小。在以上发明说明的范围中提及的存储过程尤其可以通过存放采样值来存储信号形状。例如所存储的信号过程的修改或者改变可以用于所存储的信号过程的由气候决定的匹配或用于匹配于样本决定的散射。
尽管已经借助结合附图阐述的实施例详细地描述了根据本发明的方面和有利实施方式，但对于本领域技术人员而言在不脱离本发明的范围的情况下可以修改和组合所示实施例的特征，其保护范围通过所附的权利要求限定。
Claims (10)
1.一种用于匹配用于环境传感的装置中的接收放大器(100)的动态性范围的方法，所述方法包括将额外的电信号(Sg)馈入(200)所述接收放大器(100)的输入端(11，12)中以减小所述接收放大器(100)的基于第一电信号产生的输出信号(Ua)的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，借助于所述第一电信号产生所述额外的电信号(Sg)，并且所述额外的电信号(Sg)尤其是所述第一电信号的基本上相位同步的映射。
3.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在发射过程期间尤其在模拟/数字转换之后分析(S400)所述接收放大器(100)的输出信号以进行用于环境传感的信号转换器(2)的功能检验。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，存储(S500)以及以预定义的方式改变(S600)所述额外的电信号(Sg)和/或所述第一电信号。
5.一种用于环境传感的装置，其包括信号转换器(2)、接收放大器(100)、可控的电能量源(ug，ig)，其中，所述信号转换器(2)设置用于将第一电信号转换成发射信号、将所述发射信号发射到周围环境中以及将所述发射信号的回波转换成所述接收放大器(100)的电输入信号，其中，所述电能量源(ug，ig)设置用于将额外的电信号(Sg)馈入所述接收放大器(100)的输入端(11，12)中，以便减弱所述接收放大器(100)的基于所述第一电信号产生的输出信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述可控的电能量源(100)设置用于获得借助于电信号产生的控制信号。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其中，所述可控的电能量源(ug，ig)是可控的电流源(ig)或可控的电压源(ug)。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的装置，其中，所述信号转换器(2)是声信号转换器，其尤其设计用于超声范围。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的装置，其中，还设有存储装置(4)和信号处理装置(5)，其设置用于存储以及以预定义的方式改变所述额外的电信号和/或所述第一电信号。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的装置，其中，所述接收放大器(100)通过一个取决于电压的电阻、尤其通过两个并联的、彼此反向的二极管(D1，D2)设置用于与具有低电平的输入信号相比以相对较低的程度放大所述接收放大器(100)的具有高电平的输入信号，其中，所述取决于电压的电阻优选设置在所述接收放大器(100)的反馈支路中。
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