DE102009030029A1

DE102009030029A1 - Mehrfrequenz-Sendevorrichtung für einen Metalldetektor

Info

Publication number: DE102009030029A1
Application number: DE102009030029A
Authority: DE
Inventors: Laurentiu Stamatescu; Oliver Nesper
Original assignee: Minelab Electronics Pty Ltd
Current assignee: Minelab Electronics Pty Ltd
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2010-04-15
Also published as: ITMI20091104A1; IT1394561B1; US8159225B2; US20090318098A1

Abstract

Ein Verfahren zur Erzeugung eines Sendesignals zur Aussendung, welches die folgenden Schritte einschließt: a) Erzeugung von mindestens zwei ausgewählten Rechtecksignalen, welche jeweils eine unterschiedliche Grundfrequenz besitzen; b) Mischung der ausgewählten Rechtecksignale um ein Steuersignal zu erzeugen; und c) Ansteuerung einer Schaltungsanordnung mit Schaltelementen mit dem Steuersignal um ein Sendesignal zur Aussendung zu erzeugen, wobei die Fouriertransformation des Sendesignals Frequenzanteile mit - wenn mit anderen Frequenzkomponenten in dem Frequenzspektrum der Fouriertransformation verglichen - relativ hohen Beträgen in Frequenzen, welche die Faltung der Grundfrequenzen der besagten mindestens zwei ausgewählten Rechtecksignale entsprechen, aufweist, und wobei die Rechtecksignale so ausgewählt werden, dass die Frequenzanteile mit relativ hohen Beträgen im Wesentlichen von gleichem Betrag und über das Frequenzspektrum in einer vorbestimmten Weise verteilt sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Mehrfrequenz-Schaltsender für Metalldetektoren in Halbbrücken- und Vollbrücken-Topologien.
STAND DER TECHNIK
Mehrfrequenz-Metalldetektoren die Dauerstrich-Signale aussenden (sog. CW-Metalldetektoren) besitzen erhebliche Vorteile gegenüber ihren Einzelfrequenz-Gegenstücken, was die Bodenkompensation und die Diskriminierung von Suchobjekten angeht. Sie besitzen desweiteren erhebliche Vorteile gegenüber den Pulsinduktions-Detektoren in den Bereichen Suchobjekt-Sensitivität und Suchobjekt-Diskriminierung. Um diese Vorteile nutzen zu können ist es jedoch notwendig, dass die simultane Aussendung von mehreren Frequenzen effizient und präzise erfolgt.
Ausgewählte bevorzugte Eigenschaften eines guten Mehrfrequenz-Senders sind eine hohe Effizienz, kostengünstige und einfache Konstruktionsweise, die Fähigkeit die ausgesendete Leistung in den benötigten Frequenzen zu maximieren und die ausgesendete Leistung in allen anderen Frequenzen zu minimieren. Darüberhinaus ist es auch erwünscht, jede der Sendefrequenzen unabhängig wählen, die Amplituden der erzeugten Frequenzen auf vergleichbarem Niveau halten und einfache Methoden zur Erzeugung der Signale anwenden zu können.
Um einen optimalen Betrieb des Metalldetektors zu gewährleisten ist eine gute Auswahl der Sollwerte der erzeugten Frequenzen notwendig. Es ist bekannt, dass eine lineare Progression auf einem logarithmischen (oder eine geometrische Progression auf einem linearen Frequenzmaßstab) eine gute Wahl darstellt, da relevante Merkmale der zu detektierenden Objekte sowie der Böden am besten auf einem logarithmischen Frequenzmaßstab observiert werden können. Für eine gute Suchobjekt-Diskriminierung und Unterdrückung von Bodensignalen ist es gewünscht so viele Frequenzen wie möglich zur Verfügung zu haben. Für eine vorgegebene Sendeleistung gilt jedoch, je mehr Frequenzen benutzt werden desto geringer wird die ausgesendete Leistung pro Frequenz. Zur selben Zeit ist der empfangene Rauschanteil proportional zu der Anzahl der benutzten Frequenzen; deshalb vermindert sich der Signal-Rauschabstand mit einer ansteigenden Anzahl von Frequenzen. Es wurde ermittelt, dass die Benutzung von vier bis acht Frequenzen einen guten Kompromiß zwischen Detektionstiefe (Sensitivität) und Suchobjekt-Diskriminierung darstellt, und es gleichzeitig ermöglicht Böden, die sowohl magnetische als auch leitfähige Eigenschaften besitzen, zu unterdrücken.
Falls der Detektor hauptsächlich digitale Verfahren verwendet, wie z. B. in WO2006/021045 beschrieben, dann gibt es eine Anzahl von Alternativen zur effizienten Mehrfrequenz-Aussendung, welche z. B. einen Verstärker im Class B (oder AB) Betrieb in Verbindung mit resonanten Schwingkreisen, einen Class D(Schalt-)Verstärker der direkt in die Sendespule einspeist, einen Schalt-Verstärker, welcher von Rechtecksignalen (quadratisch oder rechtecking) angesteuert wird und der direkt in die Sendespule einspeist, usw. beinhalten. Jede dieser Alternativen hat Vor- und Nachteile. Zum Beispiel kompensiert der Verstärker im B (oder AB) Betrieb in Verbindung mit den resonanten Schwingkreisen, den Effizienz-Verlust des linearen Verstärkers durch die im Schwingkreis entstehenden Stromumläufe (sog. Stromüberhöhung). Obwohl konstruktiv einfach, hat dieser Ansatz den Nachteil, dass die Betriebsfrequenzen mit den resonanten Frequenzen des Schwingkreises übereinstimmen müssen, welche durch Bauelemente (Induktivitäten und Kondensatoren) bestimmt werden und somit Toleranzen und Schwankungen unterworfen sind. Dieses Verfahren schränkt auch die Möglichkeit ein die Betriebsfrequenzen um die Sollwerte zu variieren; dieses ist von Zeit zu Zeit, bedingt durch externe Interferenzen, notwendig. Darüberhinaus führen Veränderungen in der Induktivität der Sendespule, hervorgerufen durch mineralhaltige Böden, zu erheblichen Phasenverschiebungen zwischen der Erregung und dem resultierenden Stromfluß; dieses erfordert Amplituden- und Phasenkorrekturen größerer Präzision. Falls die Steuerfrequenzen digital erzeugt werden, erhöhen sich die Kosten dieser Lösung durch die Notwendigkeit ein oder mehrere Digital-Analog Wandler (DAC) vorzusehen. Ein Vorteil dieser Lösung ist -wenn der Verstärker und der DAC (falls notwendig) eine ausreichend niedrige Verzerrung aufweisen-, dass die Sendesignale, bedingt durch den Filtereffekt des Schwingkreises, ein sauberes Spektrum aufweisen.
Die auf einem Class D(Schalt-)Verstärker basierende Lösung kommt theoretisch dem Ideal sehr nahe: Hohe Effizienz, Flexibilität in der Auswahl der Betriebsfrequenzen (keine durch abgestimmte Schwingkreise bedingte Beschränkungen) und geringe Verzerrungen. Ein Class-D Verstärker kann entweder einen analogen oder einen digitalen Eingang besitzen. Für den Fall dass ein analoger Eingang benutzt wird kann ein DAC notwendig werden (falls die zu sendenden Signale digital erzeugt werden) und der Aufbau ist konstruktiv komplizierter; dieses kann aber eine relativ niedrige Verzerrung liefern. Für den Fall dass ein digitaler Eingang verwendet wird ist die Konstruktion einfacher, aber die beschränkte Amplitudenauflösung führt zu Verzerrungen und Störsignalen im Empfängerband. In beiden Fällen ist das Ausgangs-Tiefpass-Filter (Rekonstruktions-Filter) ein kritischer Tell des Schaltkreises, da es frequenzabhängigie Amplituden- und Phasenveränderungen hervorrufen kann. Das Filter bestimmt auch den Anteil der Schaltfrequenz, sowie dessen harmonische Frequenzen und Störsignale, die in die Sendespule und desweiteren in die Empfängerspule und den Empfängerkreis eingekoppelt werden. Der Kompromiß zwischen gewünschter Amplituden- und Phasen-Charakteristik über der Frequenz und der Unterdrückung der Schaltfrequenz hängt von der Dämpfung des Tiefpass-Filters ab, welches Verluste bewirkt. Diese Verluste treten zusätzlich zu denen durch den Schaltvorgang in der Leistungsstufe bedingten Verlusten auf. Wenn man diese Faktoren mit in Betracht zieht ist der Class D Verstärker nicht mehr so ansprechend wie es am Anfang erschien.
Auf der anderen Seite ist es bekannt, dass Schaltsender für Metalldetektoren viele gewünschte Eigenschaften besitzen, wie einfache Konstruktionsweise, geringe Verlustleistung und relativ geringe Probleme was die elektromagnetische Kompatibilität angeht. Die meisten von ihnen senden eine sich wiederholende Mehrperioden-Signalform aus, mit der Eigenschaft dass die Grundfrequenz und/oder einige ihrer harmonischen Frequenzen einen höheren Betrag besitzen. Es ist jedoch mit solchen Signalformen relativ schwierig sicherzustellen, dass ausgeprägte und einen vergleichbaren Betrag aufweisende Anteile der Fouriertransformation nur an einigen ausgewählten Frequenzen auftreten und dass alle weiteren harmonischen Frequenzanteile einen geringen Betrag besitzen. Desweiteren müssen die Betriebsfrequenzen ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz sein, welches unter Umständen Beschränkungen aufwirft.
Es gibt Beispiele die den herkömmlichen Stand der Technik beschreiben, wie z. B. UK Patentanmeldung GB 2 423 366 A und viele andere, wo zwei Signale mit derselben Frequenz, aber unterschiedlicher Phasenlage und/oder unterschiedlichem Tastverhältnis, in die Eingänge von zwei Halbbrücken-Verstärkern eingespeist werden und deren Ausgänge mit der Last verbunden sind. Dieser Aufbau erzeugt eine 3-Stufen-Signalform mit einem verminderten Energieanteil in den höheren harmonischen Frequenzen. Selbstverständlich ist dieses eine Verbesserung, aber ein Einzelfrequenz-Betrieb ist unzureichend für hochwertige Metalldetektoren. Im US Patent 4,311,929 werden die beiden unabhängigen Halbbrücken-Schaltverstärker mit zwei Signalen unterschiedlicher Frequenz angesteuert, welches effektiv zu einer Summierung der zwei Signale an der Last führt. Dieses erzeugt auch ein Drei-Stufensignal, das Patent erweitert das Verfahren jedoch nicht über mehr als zwei Frequenzen hinaus.
Die vorliegende Erfindung liefert einen Schaltverstärker in einer neuen und vorher unbekannten Konfiguration, welche die Probleme der bisher vorhandenen Sender für Metalldetektoren beseitigt oder zumindest im Wesentlichen vermindert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einer ersten allgemeinen Betrachtung ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahren zur Erzeugung eines Sendesignals zur Aussendung vorgesehen ist, welches die folgenden Schritte einschließt bzw. beinhaltet:

a) Erzeugen von mindestens zwei ausgewählten Rechtecksignalen, welche jeweils eine unterschiedliche Grundfrequenz besitzen;
b) Mischen der ausgewählten Rechtecksignale um ein Steuersignal zu erzeugen; und
c) Ansteuern einer Schaltungsanordnung mit Schaltelementen mit dem Steuersignal um ein Sendesignal zur Aussendung zu erzeugen, wobei die Fouriertransformation des Sendesignals Frequenzanteile mit -wenn mit anderen Frequenzkomponenten in dem Frequenzspektrum der Fouriertransformation verglichen- relativ hohen Beträgen in Frequenzen, welche der Faltung der Grundfrequenzen der besagten mindestens zwei ausgewählten Rechtecksignale entsprechen, aufweist, und wobei die Rechtecksignale so ausgewählt werden, dass die Frequenzanteile mit relativ hohen Beträgen im Wesentlichen von gleichem Betrag und über das Frequenzspektrum in einer vorbestimmten Weise verteilt sind.

In einer Ausführungsform ist die Schaltungsanordnung mit Schaltelementen als Halbbrücke oder Vollbrücke ausgeführt; die Vollbrücke besitzt zwei Eingänge, der erste Eingang für den Anschluß des Steuersignals und der zweite Eingang für den Anschluß des invertierten besagten Steuersignals; und wobei die ausgewählten Rechtecksignale beinhalten:
ein erstes Signal mit einer ersten Grundfrequenz f_A;
ein zweites Signal mit einer zweiten Grundfrequenz f_B; und
ein drittes Signal mit einer dritten Grundfrequenz f_C;
wobei die Faltung der Grundfrequenzen vier Frequenzanteile mit relativ hohen Beträgen in den Frequenzen f₁, f₂, f₃ und f₄ erzeugt, und wobei die vier Frequenzanteile im Wesentlichen einen linearen Abstand in einem Frequenzspektrum mit logarithmischem Maßstab besitzen.
In einer Ausführungsform sind die Grundfrequenzen im Wesentlichen durch die folgende Beziehung bestimmt
wobei k die Tribonacci Konstante darstellt, und f₁ die niedrigste Frequenz von f₁, f₂, f₃ und f₄ ist.
In einer zweiten allgemeinen Betrachtung ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahren zur Erzeugung von Sendesignalen zur Aussendung vorgesehen ist, welches die folgende Schritte einschließt:

a) Erzeugn einer ersten Gruppe von mindestens zwei ausgewählten Rechtecksignalen, und einer zweiten Gruppe von mindestens zwei ausgewählten Rechtecksignalen, wobei jedes Rechtecksignal eine unterschiedliche Grundfrequenz besitzt;
b) Mischen der ersten Gruppe um ein erstes Steuersignal zu erzeugen, und der zweiten Gruppe um ein zweites Steuersignal zu erzeugen; und
c) Ansteuern der ersten Halbbrücke mit dem ersten Steuersignal um ein erstes Sendesignal zu erzeugen, wobei die Fouriertransformation des ersten Sendesignals Frequenzanteile mit -wenn mit anderen Frequenzkomponenten in dem Frequenzspektrum der Fouriertransformation verglichen- relativ hohen Beträgen in Frequenzen, welche der Faltung der Grundfrequenzen der ersten Gruppe entsprechen, enthält, und Ansteuerung der zweiten Halbbrücke mit dem zweiten Steuersignal um ein zweites Sendesignal zu erzeugen, wobei die Fouriertransformation des zweiten Sendesignals Frequenzanteile mit -wenn mit anderen Frequenzkomponenten in dem Frequenzspektrum der Fouriertransformation verglichen- relativ hohen Beträgen in Frequenzen, welche der Faltung der Grundfrequenzen der zweiten Gruppe entsprechen, enthält, und wobei die Rechtecksignale so ausgewählt werden, dass die Frequenzanteile mit relativ hohen Beträgen im Wesentlichen von gleichem Betrag und über das Frequenzspektrum in einer vorbestimmten Weise verteilt sind.

In einer Ausführungsform der zweiten allgemeinen Betrachtung der Erfindung, beinhaltet die erste Gruppe:
ein erstes Signal, welches die erste Grundfrequenz f_A besitzt; und
ein zweites Signal, welches die zweite Grundfrequenz f_B besitzt; beinhaltet die zweite Gruppe:
ein drittes Signal, welches die dritte Grundfrequenz f_C besitzt; und
ein viertes Signal, welches die vierte Grundfrequenz f_D besitzt;
und wobei die Faltung der ersten und zweiten Grundfrequenzen zwei Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in den Frequenzen f₁ und f₂ erzeugt; und die Faltung der dritten und vierten Grundfrequenzen zwei Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in den Frequenzen f₃ und f₄ erzeugt, und alle vier Frequenzanteile im Wesentlichen einen linearen Abstand in einem Frequenzspektrum mit logarithmischem Maßstab besitzen;
und wobei die Grundfrequenzen im Wesentlichen durch die folgende Beziehung bestimmt sind
wobei k einen beliebigen numerischen Wert darstellt, und f₁ die niedrigste Frequenz von f₁, f₂, f₃ und f₄ ist.
In einer Ausführungsform der zweiten allgemeinen Betrachtung der Erfindung, beinhaltet die erste Gruppe:
ein erstes Signal, welches die erste Grundfrequenz f_A besitzt; und
ein zweites Signal, welches die zweite Grundfrequenz f_B besitzt; beinhaltet die zweite Gruppe:
ein drittes Signal, welches die dritte Grundfrequenz f_C besitzt; und
ein viertes Signal, welches die vierte Grundfrequenz f_D besitzt;
und wobei die Faltung der ersten und zweiten Grundfrequenzen zwei Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in den Frequenzen f₂ und f₃ erzeugt; und die Faltung der dritten und vierten Grundfrequenzen zwei Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in den Frequenzen f₁ und f₄ erzeugt, und alle vier Frequenzanteile im Wesentlichen einen linearen Abstand in einem Frequenzspektrum mit logarithmischem Maßstab besitzen;
und wobei die Grundfrequenzen im Wesentlichen durch die folgende Beziehung bestimmt sind
wobei k einen beliebigen numerischen Wert darstellt, und f₁ die niedrigste Frequenz von f₁, f₂, f₃ und f₄ ist.
In einer Ausführungsform der zweiten allgemeinen Betrachtung der Erfindung,
beinhaltet die erste Gruppe:
ein erstes Signal, welches die erste Grundfrequenz f_A besitzt; und
ein zweites Signal, welches die zweite Grundfrequenz f_B besitzt;
beinhaltet die zweite Gruppe:
ein drittes Signal, welches die dritte Grundfrequenz f_C besitzt; und
ein viertes Signal, welches die vierte Grundfrequenz f_D besitzt;
und wobei die Faltung der ersten und zweiten Grundfrequenzen zwei Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in den Frequenzen f₁ und f₃ erzeugt; und die Faltung der dritten und vierten Grundfrequenzen zwei Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in den Frequenzen f₂ und f₄ erzeugt, und alle vier Frequenzanteile im Wesentlichen einen linearen Abstand in einem Frequenzspektrum mit logarithmischem Maßstab besitzen;
und wobei die Grundfrequenzen im Wesentlichen durch die folgende Beziehung bestimmt sind
wobei k einen beliebigen numerischen Wert darstellt, und f₁ die niedrigste Frequenz von f₁, f₂, f₃ und f₄ ist.
In einer Ausführungsform der zweiten allgemeinen Betrachtung der Erfindung,
beinhaltet die erste Gruppe:
ein erstes Signal, welches die erste Grundfrequenz f_A besitzt;
ein zweites Signal, welches die zweite Grundfrequenz f_B besitzt; und
ein drittes Signal, welches die dritte Grundfrequenz f_C besitzt;
beinhaltet die zweite Gruppe:
ein viertes Signal, welches die vierte Grundfrequenz f_D besitzt;
ein fünftes Signal, welches die fünfte Grundfrequenz f_E besitzt; und
ein sechstes Signal, welches die sechste Grundfrequenz f_F besitzt;
und wobei die Faltung der ersten, zweiten und dritten Grundfrequenzen vier Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in vier verschiedenen Frequenzen erzeugt; und die Faltung der vierten, fünften und sechsten Grundfrequenzen vier Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in vier anderen Frequenzen erzeugt, und alle acht Frequenzanteile im Wesentlichen einen linearen Abstand in einem Frequenzspektrum mit logarithmischem Maßstab besitzen.
In einer Ausführungsform der zweiten allgemeinen Betrachtung der Erfindung,
beinhaltet die erste Gruppe:
ein erstes Signal, welches die ersten Grundfrequenz f_A besitzt;
ein zweites Signal, welches die zweite Grundfrequenz f_B besitzt; und
ein drittes Signal, welches die dritte Grundfrequenz f_C besitzt;
beinhaltet die zweite Gruppe:
ein viertes Signal, welches die vierte Grundfrequenz f_D besitzt; und
ein fünftes Signal, welches die fünfte Grundfrequenz f_E besitzt;
und wobei die Faltung der ersten, zweiten und dritten Grundfrequenzen vier Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in vier verschiedenen Frequenzen erzeugt; und die Faltung der vierten und fünften Grundfrequenzen zwei Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in zwei anderen Frequenzen erzeugt, und alle sechs Frequenzanteile im Wesentlichen einen linearen Abstand in einem Frequenzspektrum mit logarithmischem Maßstab besitzen.
In einer dritten allgemeinen Betrachtung ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Erzeugung von Sendesignalen zur Aussendung vorgesehen ist, welche folgendes einschließt:
mindestens einen Generator zur Erzeugung von mindestens zwei ausgewählten Rechtecksignalen, wobei jedes Rechtecksignal eine unterschiedliche Grundfrequenz besitzt;
mindestens eine Mischstufe zur Mischung der ausgewählten Rechtecksignale um ein Steuersignal zu erzeugen; und
mindestens eine Schaltungsanordnung mit Schaltelementen die das Steuersignal empfängt um ein Sendesignal zur Aussendung zu erzeugen, wobei die Fouriertransformation des Sendesignals Frequenzanteile mit -wenn mit anderen Frequenzkomponenten in dem Frequenzspektrum der Fouriertransformation verglichenrelativ hohen Beträgen in Frequenzen, welche der Faltung der Grundfrequenzen der besagten mindestens zwei ausgewählten Rechtecksignale entsprechen, aufweist, und wobei die Rechtecksignale so ausgewählt werden, dass die Frequenzanteile mit relativ hohen Beträgen im Wesentlichen von gleichem Betrag und über das Frequenzspektrum in einer vorbestimmten Weise verteilt sind.
In einer vierten allgemeinen Betrachtung ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass ein Metalldetektor für die Detektierung von metallischen Suchobjekten vorgesehen ist, welcher folgendes einschließt:

a) elektronischer Sendeschaltkreis, bestehend aus einer Mehrzahl von Schaltern, zur Erzeugung des Sendesignals;
b) eine Sendespule, welche mit dem elektronischen Sendeschaltkreis verbunden ist, um das Sendesignal aufzunehmen und ein Sende-Magnetfeld zur Aussendung zu erzeugen; und
c) mindestens eine Empfängerspule für die Aufnahme eines empfangenen Magnetfelds und zur Verfügungstellung eines Empfängersignals, welches von dem empfangenen Magnetfeld induziert wurde; und
d) elektronischer Empfängerschaltkreis, verbunden mit der mindestens einen Empfängerspule zur Verarbeitung des empfangenen Signals, um ein Indikatorsignal zur Verfügung zu stellen; das Indikator-Ausgangssignal beinhaltet ein Signal, welches einen Hinweis auf die Präsenz eines metallischen Suchobjektes in dem Boden liefert;

In einer Ausführungsform der vierten allgemeinen Betrachtung der Erfindung, enthält der Sendeschaltkreis desweiteren ein Modul, welches eine Datentabelle mit vorausberechneten Werten (sog. look-up table) und einen Timerbaustein einschließt, wobei das Modul, durch Setzen des Timerbausteins auf entsprechende Frequenzen, Datenpunkte in der Tabelle so auswählt um mindestens ein Ansteuersignal zu erzeugen.
In einer Ausführungsform der vierten allgemeinen Betrachtung der Erfindung, enthält der elektronische Empfängerschaltkreis desweiteren Bandpass-Filter, wobei die Frequenzauflösung des Rechtecksignal-Generators so ausgewählt wurde, dass alle Störsignale, die in dem Ansteuersignal vorhanden sind, weder in den Durchlassbereich noch in den Übergangsbereich der Empfänger-Filter fallen.
Eine ausführliche Beschreibung einer oder mehrerer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ist, zusammen mit begleitenden Darstellungen, im Weiteren gegeben und wird anhand von Bespielen das Prinzip der Erfindung erläutern. Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit diesen Ausführungsformen erläutert wird, sollte es zu verstehen sein, dass die Erfindung nicht auf eine bestimmte Ausführungsform beschränkt ist. Im Gegenteil, der Umfang der Erfindung ist nur durch die angefügten Patentansprüche begrenzt, und die Erfindung schließt zahlreiche Alternativen, Modifikationen und äquivalente Ausführungsformen ein. Als Beispiel werden in der unten folgenden Beschreibung spezifische numerische Details angenommen werden um ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu liefern. Die vorliegende Erfindung kann, wie in den Patentansprüchen beschrieben, ohne oder ohne einen Teil dieser Details betrieben werden. Im Interesse der Klarheit, und um die vorliegende Erfindung nicht unnötig unklar erscheinen zu lassen, wurden Informationen, die sich auf die Erfindung beziehen und die in dem technischen Gebiet bekannt sind, nicht im Detail erläutert.
Für diese Spezifikation und die folgenden Patentansprüchen ist es zu verstehen, sofern es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, dass die Wörter 'umfassen' und 'einschließen' und Variationen dieser, wie z. B. 'umfaßt' und 'einschließt', implizit den Einschluß einer genannten ganzen Zahl oder einer Gruppe von ganzen Zahlen bedeutet, jedoch nicht unter Ausschluß irgendeiner anderen ganzen Zahl oder Gruppe von ganzen Zahlen.
Referenzen zu irgendwelchen, den herkömmlichen Stand der Technik beschreibenden, Veröffentlichungen in dieser Spezifikation sind und sollten so verstanden werden, keine Bestätigung irgendeiner Art, dass solche, den herkömmlichen Stand der Technik beschreibenden, Veröffentlichungen Teil des allgemeinen bekannten Wissens in dem technischen Gebiet darstellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die ausführlichen Aspekte und beispielhafte Darstellung der Erfindung ist in 1, 2 und 3 gegeben, wobei 1 eine Schaltungsanordnung für einen Sender für einen Metalldetektor unter Verwendung der Halbbrücken-Konfiguration darstellt, 2 benutzt eine Kombination von zwei Halbbrücken und 3 setzt eine Vollbrücken-Konfiguration ein.
4 ist eine graphische Darstellung des berechneten Frequenzspektrums eines 4-Frequenz Senders, wie er gemäß der vorliegenden Erfindung implementiert wurde.
5 stellt das gemessenen Frequenzspektrum dar, wie es von einer tatsächlichen Implementation der Erfindung erzeugt wurde.
6 ist eine Detailansicht des gemessenen Frequenzspektrums und zeigt den Abstand der, durch die Streichung von Stellen im Phasen-Akkumulator hervorgerufenen, Störsignale.
7 zeigt die gemessene Signalform in der Zeitdarstellung, wie sie von einer tatsächlichen Implementation der Erfindung erzeugt wurde.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung und seiner einfachsten Form, besteht die Mehrfrequenz-Sendeeinrichtung aus einer Halbbrücken-Leistungs-Schaltstufe, welche durch ein digitales Eingangssignal angesteuert wird; dieses Eingangsignal enthält mehrere prägnante Anteile der Fouriertransformation und wurde durch Mischung von zwei oder drei Generator-Rechtecksignalen erzeugt. Das verstärkte Ausgangssignal der Halbbrücken-Leistungs-Schaltstufe wird dann einer Sendespule zugeführt. Ein Beispiel ist in 1 dargestellt und wird später im Detail erörtert werden.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung besteht die Mehrfrequenz-Sendeeinrichtung aus zwei voneinander unabhängigen Halbbrücken-Leistungs-Schaltstufen, jeweils angesteuert mit verschiedenen digitalen Eingangssignalen; diese Eingangssignale enthalten mehrere prägnante Anteile der Fouriertransformation und wurden jeweils durch Mischung von zwei oder beziehungsweise drei Generator-Rechtecksignalen erzeugt. Ein Beispiel ist in 2 dargestellt und wird später im Detail erörtert werden.
In einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird das digitale Eingangssignal, welches vorhergehend in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, einer Vollbrücken-Leistungs-Schaltstufe zugeführt. In diesem Zusammenhang besteht die Vollbrücken-Schaltung aus zwei Halbbrücken-Schaltungen, wobei eine mit dem digitalen Eingangssignal und die andere mit dem invertierten digitalen Eingangssignal angesteuert wird. Verglichen mit der ersten Ausführungsform hat die dritte Ausführungsform den Vorteil, dass das der Sendespule zugeführte Ausgangssignal -für eine gegebene Gesamt-Betriebsversorgungsspannung- doppelt so groß ist. Der Nachteil der dritten Ausführungsform ist die gestiegene Komplexität der Schaltung, da doppelt so viele Schaltelemente und Ansteuer-Schaltkreise benötigt werden. Ein Beispiel ist in 3 dargestellt und wird später im Detail erörtert werden.
Für alle der drei Ausführungsformen können -bei passender Wahl der Frequenzen der Generator-Rechtecksignale- die prägnanten Anteile der Fouriertransformation des digitalen Eingangssignals (oder der Eingangssignale), und damit des verstärkten Ausgangssignals welches der Sendespule zugeführt wird, so angeordnet sein, dass sie sich ungefähr in einer linearen Progression auf einem logarithmischen Frequenzmaßstab befinden (oder in einer geometrischen Progression auf einem linearen Frequenzmaßstab).
Im weiteren werden die Verfahren zur Erzeugung des digitalen Eingangssignals, welches die Halbbrücken-Schaltung, Vollbrücken-Schaltung oder zwei voneinander unabhängige Halbbrücken-Schaltungen der oben beschriebenen Ausführungsformen ansteuert, einzeln für den Fall beschrieben, dass zwei oder beziehungsweise drei Generator-Rechtecksignale gemischt werden. Es wird in beiden Fällen angenommen, dass die Frequenzen der prägnanten Anteile der Fouriertransformation in dem gemischten Signal im Idealfall der folgenden Beziehung folgen: f1, f2 = kf1, f3 = k2 f1 etc (Gleichung 1)und das ihre Beträge vergleichbar sind.
Im Allgemeinen führt die Mischung (durch Multiplikation) von zwei Rechtecksignalen mit Frequenzen f_A und f_B zu einem Signal mit Fouriertransformations-Anteilen in Frequenzen, welche durch f = abs(± if_A ± jf_B) gegeben sind, wobei abs() den absoluten Betrag und i, j positive ganze Zahlen darstellen. Wenn das Tastverhältnis der Rechtecksignale annähernd oder gleich 50% beträgt, dann werden die prägnanten Anteile der Fouriertransformation des Signals auf die beiden folgenden zwei Frequenzen fallen: f_1,2 = abs(± f_A ± f_B), welches der Faltung der Grundfrequenzen der Rechtecksignale mit Frequenzen f_A und f_B entspricht. Ebenso führt die Mischung von drei Rechtecksignalen mit Frequenzen f_A, f_B, und f_C zu einem Ausgangssignal mit Fouriertransformations-Anteilen in Frequenzen, welche durch f = abs(± if_A ± jf_B ± kf_C) gegeben sind; die prägnanten Anteile der Fouriertransformation fallen dann jedoch auf vier Frequenzen welche der folgende Beziehung folgen: f_1,2,3,4 = abs(± f_A ± f_B ± f_C), welches der Faltung der Grundfrequenzen der Rechtecksignale mit Frequenzen f_A, f_B und f_C entspricht. Die Vielzahl der weiteren Störsignale, welche sich aus der Mischung der harmonischen Frequenzen in den Generator-Rechtecksignalen ergeben, haben erheblich niedrigere Magnituden bzw. Beträge und können ignoriert werden.
Um ein digitales Signal mit prägnanten Anteilen in der Fouriertransformation in zwei Frequenzen, f₁ und f₂ = kf₁, zu erzeugen, müssen die zwei zu mischenden Generator-Rechteckfrequenzen die Frequenzen
und
besitzen. Der multiplikative Faktor k kann jeden numerischen Wert annehmen (ganzzahlig, rational oder irrational).
Um ein digitales Signal mit prägnanten Anteilen in der Fouriertransformation in vier Frequenzen, f₁, f₂ = kf₁, f₃ = k² f₁ und f₄ = k³ f₁, zu erzeugen, müssen die drei zu mischenden Generator-Rechteckfrequenzen die Frequenzen

und
besitzen. In diesem Fall kann der multiplikative Faktor k jedoch nicht jeden beliebigen Wert annehmen, sondern muß der Tribonacci Konstante (1.8392867552 ...) entsprechen. Dieses ist eine erhebliche Einschränkung, da damit das Verhältnis zwischen der höchsten (f₄) und der niedrigsten Frequenz (f₁) auf k³ = 6.22226252312 ... festlegt wird.
In einigen Fällen mag es wünschenswert sein die Sendespule mit einem digitalen Signal mit prägnanten Anteilen in der Fouriertransformation in vier Frequenzen anzusteuern, jedoch ohne die oben erwähnten Beschränkungen an k. Dieses kann mit der zweiten Ausführungsform erreicht werden, wobei jede Halbbrücke jeweils mit einem digitalen Signal mit prägnanten Anteilen in der Fouriertransformation in zwei Frequenzen angesteuert wird. Dieses führt zu einem Ausgangssignal mit prägnanten Anteilen in der Fouriertransformation in vier Frequenzen, f₁, f₂ = kf₁, f₃ = k² f₁ und f₄ = k³ f₁.
Wenn man die zu mischenden Generator-Frequenzen zur Ansteuerung einer Halbbrücke mit f_A und f_B, und die zu mischenden Generator-Frequenzen zur Ansteuerung der anderen Halbbrücke mit f_C und f_D bezeichnet, dann gibt es drei Möglichkeiten die Frequenzen f₁ bis f₄ zu erhalten.
In der ersten Möglichkeit erzeugen f_A und f_B die Frequenzen f₁ und f_2,; f_C und f_D erzeugen f₃ und f₄. Dieses erfordert
und
In der zweiten Möglichkeit erzeugen f_A und f_B die Frequenzen f₂ und f_3,; f_C und f_D erzeugen f₁ und f₄. Dieses erfordert
und
In der dritten Möglichkeit erzeugen f_A und f_B die Frequenzen f₁ und f_3,; f_C und f_D erzeugen f₂ und f₄. Dieses erfordert
und
Betrachten wir z. B. die dritte Option und wählen jede Frequenz so dass k = 3 Mal der vorhergehenden entspricht, f_i+1 = 3f_i, i = 1, 2, 3, und wenn die niedrigste Frequenz 1.216 KHz entspricht, ergibt dieses Sendefrequenzen: f₁ = 1.216 kHz, f₂ = 3.647 kHz, f₃ = 10.943 kHz, f₄ = 32.830 kHz. In diesem Fall müssen die Generator-Frequenzen den folgenden Werten entsprechen: f_A = 4.864 kHz, f_B = 6.080 kHz, f_C = 14.591 kHz, f_D = 18.239 kHz. 5 und 6 stellen das Spektrum des simulierten und erzeugten Sendesignals dieses Beispiels dar.
In einigen Fällen mag es wünschenswert sein die Sendespule mit einem digitalen Signal mit prägnanten Anteilen in der Fouriertransformation in acht Frequenzen anzusteuern. Dieses kann mit der zweiten Ausführungsform erreicht werden, wobei jede Halbbrücke jeweils mit einem digitalen Signal mit prägnanten Anteilen in der Fouriertransformation in vier Frequenzen angesteuert wird. Dieses führt zu einem Ausgangssignal mit prägnanten Anteilen in der Fouriertransformation in acht Frequenzen, f₁, f₂ = kf₁, f₃ = k²f₁, f₄ = k³f₁, f₅ = k⁴f₁, f₆ = k⁵f₁, f₇ = k⁶f₁ und f₈ = k⁷f₁. Die zu mischenden Generator-Frequenzen zur Ansteuerung einer Halbbrücke sind
und
und die zu mischenden Generator-Frequenzen zur Ansteuerung der Halbbrücke sind

und
Wie oben erwähnt, die Mischung der drei Frequenzen benötigt einen speziellen Wert für k, aber für acht Frequenzen beträgt die Frequenz-Spannweite fast drei Größenordnungen: f₈/f₁ ≈ 71.21084.
Unter Anwendung der zweiten Ausführungsform ist es desweiteren möglich die zwei Methoden zu verbinden; das heißt, eine Halbbrücke wird mit einem digitalen Signal angesteuert welches durch Mischung von zwei Generator-Rechtecksignalen erzeugt wurde, wobei die andere Halbbrücke durch ein Signal angesteuert wird, welches durch Mischung von drei Generator-Rechtecksignalen erhalten wurde. Hierdurch erhält man ein Ausgangssignal mit prägnanten Anteilen in der Fouriertransformation in sechs Frequenzen. Sofern jedoch die Halbbrücke die durch eine digitales Signal, welches durch die Mischung von zwei Generator-Rechtecksignalen erzeugt wurde, angesteuert wird, mit der halben Betriebsspannung der Halbbrücke die durch eine digitales Signal, welches durch die Mischung von drei Generator-Rechtecksignalen erzeugt wurde, angesteuert wird, betrieben wird, besitzen die Amplituden der prägnanten Anteile der Fouriertransformation des Ausgangssignals keine vergleichbaren Amplituden.
Es wurde vorher erwähnt, dass es gewünscht ist die Sendespule mit einem Signal anzusteuern dessen Frequenzen sich in einer linearen Progression auf einem logarithmischen Frequenzmaßstab befinden (oder in einer geometrischen Progression auf einem linearen Frequenzmaßstab), wie in Gleichung 1 angeführt. Dieses macht es notwendig, dass die Generator-Frequenzen f_A, f_B, f_C usw. durch die oben angegebenen Gleichungen berechnet werden. Es ist jedoch möglich kleine Abweichungen von der in Gleichung 1 gegebenen Anforderung zu tolerieren, ohne den Betrieb des Metalldetektors negativ zu beeinflußen. Die angeführten Werte für die Generator-Frequenzen f_A, f_B, f_C usw., wie sie mit den oben angegebenen Gleichungen errechnet wurden, sollten somit als Idealfall betrachtet werden und kleine Abweichungen von diesen Werten sind möglich.
Bezugnehmend auf 1, wird eine Anordnung für einen Metalldetektor vorgestellt, welche zwei oder vier Sendefrequenzen und eine Halbbrücken-Anordnung verwendet, so wie es in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. In dieser Zeichnung stellen (1), (2) und (3) jeweils eine Rechtecksignal-Quelle mit einer, wie oben beschriebenen, respektiven Grundfrequenz von f_A, f_B, und f_C dar. Die interne Erzeugung dieser Signale kann auf verschiedene Art und Weise bewerkstelligt werden und wird im weiteren Verlauf des Dokumentes weiter erläutert werden. Die Rechtecksignale werden, im Allgemeinen unter Benutzung einer XOR-Funktion (10), gemischt und zur Ansteuerung der Schaltelemente (20), (21) der Halbbrücken-Anordnung verwendet, um die Spannung über der Sendespule (60) zu steuern. Die zwei Spannungsquellen (40), (41) gleicher Spannung und unterschiedlicher Polarität sind vorgesehen um eine Gleichspannungs-Komponente über der Spule zu verhindern. Wahlweise kann ein Kondensator (30) vorgesehen werden um einen Gleichspannungsanteil zu unterdrücken; dieser kann weggelassen werden, falls ein solcher Gleichspannungsanteil nicht vorhanden ist. Als Alternative, wenn der Kondensator (30) vorgesehen ist, kann die Spannungsquelle (41) weggelassen werden und das untere Ende des Schaltelementes (21) direkt mit dem Massepotential verbunden werden.
Bezugnehmend auf 2, wird eine ähnliche Anordnung für einen Metalldetektor vorgestellt, welche vier, sechs oder acht Sendefrequenzen und eine Anordnung von zwei unabhängigen Halbbrücken verwendet, so wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben. Beide Endpunkte der Sendespule werden durch unabhängige Schaltsignale angesteuert und dieses führt zu einem Drei-Stufen-Signal über der Sendespule (wie in 7 zu sehen) und einer Überlagerung von vier, sechs oder acht Frequenzen. Die Quellen (1), (2) und (3) sind ähnlich zu denen in 1; die Quellen (4), (5) und (6) stellen jeweils eine Rechtecksignal-Quelle mit einer, wie oben beschriebenen, respektiven Grundfrequenz von f_D, f_E, und f_F dar. Für diese Anordnung kann die negative Spannungsquelle (41), falls gewünscht, weggelassen werden und der gemeinsame Anschlußpunkt der Schaltelemente (21) und (23) kann direkt mit dem Massepotential verbunden werden. Wie oben auch, kann wahlweise ein Kondensator (30) vorgesehen werden um einen Gleichspannungsanteil im Sendesignal zu unterdrücken; dieser kann weggelassen werden, falls ein solcher Gleichspannungsanteil nicht vorhanden ist.
Die Vollbrücke, gezeigt in 3, ist eine Anordnung, welche die dritte Ausführungsform realisiert. Das Eingangs-Ansteuersignal der Halbbrücken-Schaltelemente (20), (21) wird durch (52) invertiert und den anderen Halbbrücken-Schaltelementen (22), (23) zugeführt. Somit schalten die beiden Halbbrücken nicht voneinander unabhängig, sondern befinden sich immer in einem komplementären Zustand.
Für alle in den 1 bis 3 vorgeschlagenen Anordnungen gilt: falls die Rechtecksignal-Quelle (3) der Grundfrequenz f_C und/oder die Rechtecksignal-Quelle (6) der Grundfrequenz f_F zu einer Frequenz 0 gesetzt wird (konstantes Ausgangssignal, z. B. 1 oder High-Signalpegel), haben diese Quellen im Wesentlichen keinen Einfluß auf den Betrieb der Schaltungsanordnungund die Mischung von zwei Frequenzen wird durchgeführt (f_A und f_B und/oder f_D und f_E). Somit sind die Schaltunganordnungen der 1 bis 3 für die Mischung von zwei oder drei Rechtecksignalen, oder sämtlicher Kombinationen dieser, geeignet.
Die Erzeugung eines Rechtecksignals und/oder der gemischten Ansteuersignale kann in einer Vielzahl von Arten, jeweils mit entsprechenden Vor- und Nachteilen, erfolgen.
Ein erster Ansatz würde darin bestehen eine Datentabelle (sog. look-up table oder LUT) zu erzeugen, welche eine ganzzahlige Anzahl von Perioden der gemischten Signalform enthält. Die Anordnung würde im Wesentlichen (1), (2), (3), (10) in 1 in einen Block, oder dementsprechend in 2 (1), (2), (3), (10) und (4), (5), (6), (11) jeweils in einen Block, zusammenfassen. Verschiedene Mengen an Signalen können durch die Variation der Taktfrequenz des LUT, z. B durch die Benutzung eines programmierbaren Timerbausteins als Taktgenerator, erzeugt werden. Einschränkungen dieses Verfahrens sind: der zur Verfügung stehende Bereich an Ausgangsfrequenzen des Timerbausteins, die eingeschränkte Flexibilität in der Auswahl der erzeugbaren Frequenzen und die Problematik den Sender und den digitalen Empfänger basierend auf einer festgelegten AD-Wandler Taktfrequenz zu synchronisieren. Dieser Ansatz hat jedoch den Vorteil dass, mit Ausnahme der durch den Mischungsprozeß erzeugten Signale, keine weiteren Störsignale erzeugt werden.
Ein zweiter Ansatz würde sich des direkten digitalen Syntheseverfahrens -sog. direct digital synthesis (DDS)- mit einem Phasen-Akkumulator bedienen, um die individuellen Rechtecksignale vor der Mischung zu erzeugen. Dieser Ansatz bietet erheblich mehr Flexibilität was die Auswahl der Frequenzen betrifft und die Synchronisation zwischen dem Sender und dem Empfänger läßt sich leicht erreichen. Die Anwendung des DDS-Verfahrens resultiert jedoch in Störsignalen, welche durch die Streichung von Stellen im Phasen-Akkumulator hervorgerufen werden.
Der Abstand Δf der, durch die Streichung von Stellen im Phasen-Akkumulator der DDS hervorgerufenen, Störsignale kann wie folgt beschrieben werden
wobei f_clk die Taktfrequenz der DDS darstellt, ggT ist die größter gemeinsamer Teiler Funktion, N stellt die Bitlänge des Phasen-Akkumulators dar und M ist der gewählte Divisionsfaktor in dem Bereich von 1 to 2^N–1. Für M = 2^L, wobei L sich in dem Bereich von 0 bis N – 1 befinden kann, werden keine Störsignale erzeugt; jedoch ist die Auswahl an Frequenzen auf N beschränkt, was im Allgemeinen nicht ausreichend ist.
Während des Entwurfs der DDS werden die vorhandenen Entwurfsparameter, Taktfrequenz und N, so gewählt, dass der Empfängerbetrieb nicht von, durch die Streichung von Stellen im Phasen-Akkumulator hervorgerufenen, Störsignalen beeinflußt wird. Um dieses Ziel zu erreichen müssen die Störsignale entweder

• so plaziert werden, dass sie außerhalb des Empfängerfilter-Durchlassbereichs und Übergangsbereichs liegen, oder
• von ausreichend geringer Amplitude sein, so dass sie nicht mit dem gewünschten Signal interferieren, falls sie in den Empfängerfilter-Durchlassbereich fallen sollten.

Im Allgemeinen ist für einen Metalldetektor der benötigte störsignalfreie Frequenzbereich relativ klein; dieses ist bedingt durch den sehr schmalbandigen Empfängerfilter-Durchlassbereich, welcher bandexterne Signale unterdrückt. Darüberhinaus werden die Empfänger- und Sendefrequenzen im Allgemeinen von derselben Taktquelle abgeleitet und sind deshalb in einer engen Phasen- und Frequenzbeziehung.
Wählt man z. B. eine Taktfrequenz von 100 KHz und eine Länge des Phasen-Akkumulators von N = 12, würde sich im schlechtesten Fall zwischen dem Störsignal und der Grundfrequenz ein Frequenzabstand von mehr als 24 Hz ergeben. Für den Fall dass das Empfängerfilter schmalbandiger als 24 Hz ist, können die Störsignale ausreichend unterdrückt werden und haben keine Bedeutung für den Empfängerbetrieb. Es ist anzumerken, dass die Wahl eines kleineren Wertes für N den störungsfreien Bereich vergrößern würde; dadurch würde sich jedoch auch die Auflösung für die Frequenzerzeugung reduzieren und es muß somit ein Kompromiß zwischen der benötigten Auflösung, der Bandbreite des Empfängerfilters und dem benötigten störsignalfreien Bereich gefunden werden.
Signalenergie in Störsignal-Anteilen, welche außerhalb des Empfängerfilter-Durchlaßbereichs fallen, tragen nicht zur Detektion von Suchobjekten bei. Es wäre jedoch möglich diese Energie zu nutzen in dem man zusätzliche Empfängerkanäle, welche auf den Störsignal-Frequenzen empfangen, benutzt. Im Allgemeinen ist die Leistung in diesen Störanteilen sehr viel geringer und der Signal-Rauschabstand deshalb sehr viel kleiner; trotzdem können diese zusätzlichen Empfängersignale weitere Informationen über das Suchobjekt liefern.
Zum Beispiel ist in 4 ein typisches Frequenzspektrum des ausgesendeten Signals gezeigt, wobei (101), (102), (103) und (104) die gewünschten Sendefrequenzen sind. Zusätzliche Empfängerkanäle könnten benutzt werden um Signalantworten des Suchobjektes in den stärkeren Störsignalen zu empfangen.
Eine Kontrolle der Amplituden für die individuellen Sendesignale ist mit dem vorgeschlagenen Algorithmus nicht direkt zu erreichen. In bestimmten Fällen, abhängig von den ausgewählten Frequenzen, kann eine beschränkte Kontrolle über die Amplituden und harmonischen Frequenzen erreicht werden indem man die Phasenlage oder das Tastverhältnis der individuellen Rechtecksignale vor der Mischung variiert.
Die Realisierung des neu vorgestellten Senders kann z. B. auf einem serienmäßig produzierten digitalen Signalprozessor oder in einem anwenderprogrammierbaren Logikbaustein vorgenommen werden und erfordert wenig zusätzlichen Verarbeitungsaufwand und eine 1-Bit LUT (Vergleichsfunktion).
Ein Metalldetektor mit einem Vier-Frequenz-Schaltsender wurde entwickelt, aufgebaut und getestet. Der Sender besteht aus zwei unabhängig voneinander angesteuerten Halbbrücken die differentiell an die Sendespule angeschlossen sind. Ein Beispiel einer gesendeten Signalform, wie sie an der Sendespule mit einem Oszilloskop gemessen wurde, ist in 7 gezeigt. Das Frequenzspektrum dieser Signalform wurde mit einem dynamischen FFT Spektrum Meßgerät gemessen und ist in 5 dargestellt. Es ist zu sehen, dass es dem berechneten Spektrum, wie in 4 gezeigt, sehr ähnlich ist. Eine vergrößerte Ansicht des Frequenzbands in der nahen Umgebung einer der gesendeten Frequenzen (f₄) ist in 6 dargestellt und zeigt, dass die Störkomponenten einen gleichen Abstand von 23.8 Hz besitzen. Da der Empfänger des Metalldetektors die Verfahren verwendet wie sie in Patent WO2006/02 1045 offengelegt wurden, und die Filter die der Demodulation folgen ein Sperrband von 23.8 Hz mit eine Abschwächung von 120 dB besitzen, besteht keine Möglichkeit durch von Störsignalen hervorgerufenen Fehlsignalen. Dieses ist übereinstimmend mit dem gewählten Verfahren zur Sendesignal-Erzeugung, bei der Störanteile außerhalb des Empfängerfilter-Durchlaßbereichs fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2006/021045 [0005, 0063]
- GB 2423366 A [0008]
- US 4311929 [0008]

Claims

Ein Verfahren zur Erzeugung eines Sendesignals zur Aussendung, welches die folgenden Schritte einschließt: a) Erzeugen von mindestens zwei ausgewählten Rechtecksignalen, welche jeweils eine unterschiedliche Grundfrequenz besitzen; b) Mischen der ausgewählten Rechtecksignale um ein Steuersignal zu erzeugen; und c) Ansteuern einer Schaltungsanordnung mit Schaltelementen mit dem Steuersignal um ein Sendesignal zur Aussendung zu erzeugen, wobei die Fouriertransformation des Sendesignals Frequenzanteile mit -wenn mit anderen Frequenzkomponenten in dem Frequenzspektrum der Fouriertransformation verglichen- relativ hohen Beträgen in Frequenzen, welche der Faltung der Grundfrequenzen der besagten mindestens zwei ausgewählten Rechtecksignale entsprechen, aufweist, und wobei die Rechtecksignale so ausgewählt werden, dass die Frequenzanteile mit relativ hohen Beträgen im Wesentlichen von gleichem Betrag und über das Frequenzspektrum in einer vorbestimmten Weise verteilt sind.
Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schaltungsanordnung mit Schaltelementen als Halbbrücke oder Vollbrücke ausgeführt ist; die Vollbrücke zwei Eingänge besitzt, der erste Eingang für den Anschluß des Steuersignals und der zweite Eingang für den Anschluß des invertierten besagten Steuersignals; und wobei die ausgewählten Rechtecksignale beinhalten: ein erstes Signal mit einer ersten Grundfrequenz f_A; ein zweites Signal mit einer zweiten Grundfrequenz f_B; und ein drittes Signal mit einer dritten Grundfrequenz f_C; wobei die Faltung der Grundfrequenzen vier Frequenzanteile mit relativ hohen Beträgen in den Frequenzen f₁, f₂, f₃ und f₄ erzeugt, und wobei die vier Frequenzanteile im Wesentlichen einen linearen Abstand in einem Frequenzspektrum mit logarithmischem Maßstab besitzen.
Ein Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Grundfrequenzen im Wesentlichen durch die folgende Beziehung bestimmt sind

wobei k die Tribonacci Konstante darstellt, und f₁ die niedrigste Frequenz von f₁, f₂, f₃ und f₄ ist.
Ein Verfahren zur Erzeugung von Sendesignalen zur Aussendung, welches die folgenden Schritte einschließt: a) Erzeugen einer ersten Gruppe von mindestens zwei ausgewählten Rechtecksignalen, und einer zweiten Gruppe von mindestens zwei ausgewählten Rechtecksignalen, wobei jedes Rechtecksignal eine unterschiedliche Grundfrequenz besitzt; b) Mischen der ersten Gruppe um ein erstes Steuersignal zu erzeugen, und der zweiten Gruppe um ein zweites Steuersignal zu erzeugen; und c) Ansteuern der ersten Halbbrücke mit dem ersten Steuersignal um ein erstes Sendesignal zu erzeugen, wobei die Fouriertransformation des ersten Sendesignals Frequenzanteile mit -wenn mit anderen Frequenzkomponenten in dem Frequenzspektrum der Fouriertransformation verglichen- relativ hohen Beträgen in Frequenzen, welche der Faltung der Grundfrequenzen der ersten Gruppe entsprechen, enthält, und Ansteuerung der zweiten Halbbrücke mit dem zweiten Steuersignal um ein zweites Sendesignal zu erzeugen, wobei die Fouriertransformation des zweiten Sendesignals Frequenzanteile mit -wenn mit anderen Frequenzkomponenten in dem Frequenzspektrum der Fouriertransformation verglichen- relativ hohen Beträgen in Frequenzen, welche der Faltung der Grundfrequenzen der zweiten Gruppe entsprechen, enthält, und wobei die Rechtecksignale so ausgewählt werden, dass die Frequenzanteile mit relativ hohen Beträgen im Wesentlichen von gleichem Betrag und über das Frequenzspektrum in einer vorbestimmten Weise verteilt sind.
Ein Verfahren nach Anspruch 4, wobei die erste Gruppe beinhaltet: ein erstes Signal, welches die erste Grundfrequenz f_A besitzt; und ein zweites Signal, welches die zweite Grundfrequenz f_B besitzt; die zweite Gruppe beinhaltet: ein drittes Signal, welches die dritte Grundfrequenz f_C besitzt; und ein viertes Signal, welches die vierte Grundfrequenz f_D besitzt; und wobei die Faltung der ersten und zweiten Grundfrequenzen zwei Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in den Frequenzen f₁ und f₂ erzeugt; und die Faltung der dritten und vierten Grundfrequenzen zwei Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in den Frequenzen f₃ und f₄ erzeugt, und alle vier Frequenzanteile im Wesentlichen einen linearen Abstand in einem Frequenzspektrum mit logarithmischem Maßstab besitzen; und wobei die Grundfrequenzen im Wesentlichen durch die folgende Beziehung bestimmt sind
wobei k einen beliebigen numerischen Wert darstellt, und f₁ die niedrigste Frequenz von f₁, f₂, f₃ und f₄ ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 4, wobei die erste Gruppe beinhaltet: ein erstes Signal, welches die erste Grundfrequenz f_A besitzt; und ein zweites Signal, welches die zweite Grundfrequenz f_B besitzt; die zweite Gruppe beinhaltet: ein drittes Signal, welches die dritte Grundfrequenz f_C besitzt; und ein viertes Signal, welches die vierte Grundfrequenz f_D besitzt; und wobei die Faltung der ersten und zweiten Grundfrequenzen zwei Frequenzariteile von relativ hohen Beträgen in den Frequenzen f₂ und f₃ erzeugt; und die Faltung der dritten und vierten Grundfrequenzen zwei Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in den Frequenzen f₁ und f₄ erzeugt, und alle vier Frequenzanteile im Wesentlichen einen linearen Abstand in einem Frequenzspektrum mit logarithmischem Maßstab besitzen; und wobei die Grundfrequenzen im Wesentlichen durch die folgende Beziehung bestimmt sind
wobei k einen beliebigen numerischen Wert darstellt, und f₁ die niedrigste Frequenz von f₁, f₂, f₃ und f₄ ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 4, wobei die erste Gruppe beinhaltet: ein erstes Signal, welches die erste Grundfrequenz f_A besitzt; und ein zweites Signal, welches die zweite Grundfrequenz f_B besitzt; die zweite Gruppe beinhaltet: ein drittes Signal, welches die dritte Grundfrequenz f_C besitzt; und ein viertes Signal, welches die vierte Grundfrequenz f_D besitzt; und wobei die Faltung der ersten und zweiten Grundfrequenzen zwei Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in den Frequenzen f₁ und f₃ erzeugt; und die Faltung der dritten und vierten Grundfrequenzen zwei Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in den Frequenzen f₂ und f₄ erzeugt, und alle vier Frequenzanteile im Wesentlichen einen linearen Abstand in einem Frequenzspektrum mit logarithmischem Maßstab besitzen; und wobei die Grundfrequenzen im Wesentlichen durch die folgende Beziehung bestimmt sind

wobei k einen beliebigen numerischen Wert darstellt, und f₁ die niedrigste Frequenz von f₁, f₂, f₃ und f₄ ist.
Ein Verfahren nach Anspruch 4, wobei, die erste Gruppe beinhaltet: ein erstes Signal, welches die erste Grundfrequenz f_A besitzt; ein zweites Signal, welches die zweite Grundfrequenz f_B besitzt; und ein drittes Signal, welches die dritte Grundfrequenz f_C besitzt; die zweite Gruppe beinhaltet: ein viertes Signal, welches die vierte Grundfrequenz f_D besitzt; ein fünftes Signal, welches die fünfte Grundfrequenz f_E besitzt; und ein sechstes Signal, welches die sechste Grundfrequenz f_F besitzt; und wobei die Faltung der ersten, zweiten und dritten Grundfrequenzen vier Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in vier verschiedenen Frequenzen erzeugt; und die Faltung der vierten, fünften und sechsten Grundfrequenzen vier Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in vier anderen Frequenzen erzeugt, und alle acht Frequenzanteile im Wesentlichen einen linearen Abstand in einem Frequenzspektrum mit logarithmischem Maßstab besitzen.
Ein Verfahren nach Anspruch 4, wobei, die erste Gruppe beinhaltet: ein erstes Signal, welches die ersten Grundfrequenz f_A besitzt; ein zweites Signal, welches die zweite Grundfrequenz f_B besitzt; und ein drittes Signal, welches die dritte Grundfrequenz f_C besitzt; die zweite Gruppe beinhaltet: ein viertes Signal, welches die vierte Grundfrequenz f_D besitzt; und ein fünftes Signal, welches die fünfte Grundfrequenz f_E besitzt; und wobei die Faltung der ersten, zweiten und dritten Grundfrequenzen vier Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in vier verschiedenen Frequenzen erzeugt; und die Faltung der vierten und fünften Grundfrequenzen zwei Frequenzanteile von relativ hohen Beträgen in zwei anderen Frequenzen erzeugt, und alle sechs Frequenzanteile im Wesentlichen einen linearen Abstand in einem Frequenzspektrum mit logarithmischem Maßstab besitzen.
Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Sendesignals zur Aussendung, welche folgendes einschließt: mindestens einen Generator zur Erzeugung von mindestens zwei ausgewählten Rechtecksignalen, wobei jedes Rechtecksignal eine unterschiedliche Grundfrequenz besitzt; mindestens eine Mischstufe zur Mischung der ausgewählten Rechtecksignale um ein Steuersignal zu erzeugen; und mindestens eine Schaltungsanordnung mit Schaltelementen die das Steuersignal empfängt um ein Sendesignal zur Aussendung zu erzeugen, wobei die Fouriertransformation des Sendesignals Frequenzanteile mit -wenn mit anderen Frequenzkomponenten in dem Frequenzspektrum der Fouriertransformation verglichenrelativ hohen Beträgen in Frequenzen, welche der Faltung der Grundfrequenzen der besagten mindestens zwei ausgewählten Rechtecksignale entsprechen, aufweist, und wobei die Rechtecksignale so ausgewählt werden, dass die Frequenzanteile mit relativ hohen Beträgen im Wesentlichen von gleichem Betrag und über das Frequenzspektrum in einer vorbestimmten Weise verteilt sind.
Ein Metalldetektor für die Detektierung von metallischen Suchobjekten, welcher folgendes einschließt: a) elektronischer Sendeschaltkreis, bestehend aus einer Mehrzahl von Schaltern, zur Erzeugung des Sendesignals; b) eine Sendespule, welche mit dem elektronischen Sendeschaltkreis verbunden ist, um das Sendesignal aufzunehmen und ein Sende-Magnetfeld zur Aussendung zu erzeugen; und c) mindestens eine Empfängerspule für die Aufnahme eines empfangenen Magnetfelds und zur Verfügungstellung eines Empfängersignals, welches von dem empfangenen Magnetfeld induziert wurde; und d) elektronischer Empfängerschaltkreis, verbunden mit der mindestens einen Empfängerspule zur Verarbeitung des empfangenen Signals, um ein Indikatorsignal zur Verfügung zu stellen; das Indikator-Ausgangssignal beinhaltet ein Signal, welches einen Hinweis auf die Präsenz eines metallischen Suchobjektes in dem Boden liefert; wobei der Sendeschaltkreis mindestens zwei ausgewählte Rechtecksignale erzeugt, welche jeweils eine unterschiedliche Grundfrequenz besitzen; der Sendeschaltkreis mischt desweiteren die ausgewählten Rechtecksignale, um ein Steuersignal für die Ansteuerung einer Schaltungsanordnung mit Schaltelementen zur Erzeugung eines Sendesignals zur Aussendung zu generieren, wobei die Fouriertransformation des Sendesignals Frequenzanteile mit -wenn mit anderen Frequenzkomponenten in dem Frequenzspektrum der Fouriertransformation verglichen- relativ hohen Beträgen in Frequenzen, welche der Faltung der Grundfrequenzen der besagten mindestens zwei ausgewählten Rechtecksignale entsprechen, aufweist, und wobei die Rechtecksignale so ausgewählt werden, dass die Frequenzanteile mit relativ hohen Beträgen im Wesentlichen von gleichem Betrag und über das Frequenzspektrum in einer vorbestimmten Weise verteilt sind.
Ein Metalldetektor nach Anspruch 11, wobei der Sendeschaltkreis desweiteren ein Modul enthält, welches eine Datentabelle mit vorausberechneten Werten (sog. look-up table) und einen Timerbaustein einschließt, wobei das Modul, durch Setzen des Timerbausteins auf entsprechende Frequenzen, Datenpunkte in der Tabelle so auswählt um mindestens ein Ansteuersignal zu erzeugen.
Ein Metalldetektor nach Anspruch 11, wobei der elektronische Empfängerschaltkreis desweiteren Bandpass-Filter enthält, wobei die Frequenzauflösung des Rechtecksignal-Generators so ausgewählt wurde, dass alle Störsignale die in dem Ansteuersignal vorhanden sind, weder in den Durchlassbereich noch in den Übergangsbereich der Empfänger-Filter fallen.