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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung bezieht sich auf die zerstörungsfreie Prüfung und Untersuchung (non-destructive testing/non-destructive inspection, NDT/NDI), insbesondere von Hochfrequenz-NDT/NDT-Geräten mit erhöhter digitaler Abtastung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ultraschallvorrichtungen zur Dickenmessung und Vorrichtungen zur Fehlererkennung, welche Ultraschallwandler verwenden, weisen einen Impulsgeberschaltkreis auf, der einen Hochspannungsanregungsimpuls erzeugt, der zu dem Wandler geliefert wird, welcher in Reaktion darauf einen Ultraschallimpuls mit abgestimmter Frequenz erzeugt, der dazu vorgesehen ist, durch den zu untersuchenden Prüfling zu wandern. Der Ultraschallimpuls, der in den Prüfling hinein wandert, erzeugt Ultraschallreflexionen von Fehlern, Lücken oder Rückwänden innerhalb des Prüflings, welche als Echos bezeichnet werden. Durch die Messung der Echos kann ein Teilsystem auf Mikroprozessorbasis die Dicke des Prüflings oder die Tiefe des Fehlers innerhalb des Prüflings berechnen. Wandler mit niedriger Frequenz werden für dickere Prüflinge verwendet, und Wandler mit höherer Frequenz werden für dünnere Prüflinge verwendet.
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Die Erzeugung eines Hochspannungsanregungsimpulses erfolgt typischerweise mit einer Hochspannungsstromquelle und einem getakteten Zähler, um den Zeitpunkt, zu dem der Anregungsimpuls erzeugt wird, und die Breite des Anregungsimpulses zu setzen. Auf der Grundlage der Taktfrequenz des Zählers und des Zählwertes kann dadurch die Erzeugung des Anregungsimpulses in bestimmten Zeitintervallen verzögert werden, so dass er beliebig phasenverschoben werden kann. Durch die inkrementelle Phasenverschiebung des Anregungsimpulses und anschließendem digitalen Abtasten jedes inkrementell phasenverschobenen Echos, kann damit eine höhere effektive Abtastrate des Echos unter Verwendung eines standardmäßigen Interleaving-Verfahrens ermöglicht werden. Das Zeitintervall für die Phasenverschiebung des Anregungsimpulses muss feiner sein als das Zeitintervall für das digitale Abtasten des Echos, damit das Interleaving auf diese Weise funktioniert.
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Es gibt andere Interleaving-Verfahren und andere Verfahren für die Erhöhung der Abtastrate, die mit inhärenten Problemen verbunden sind, wie zum Beispiel die Anwendung von Phasenregelkreisen oder Verzögerungskomponenten, um eine Feinverzögerung des Taktsignals der Probe zu dem digitalen Abtastelement zu erzielen. Indem der Takt zu dem digitalen Abtastelement inkrementell verzögert wird und das Echo, das zu demselben Zeitpunkt auftritt, erneut abgetastet wird, wird zwar eine höhere effektive Abtastrate erzeugt, aber die Anwendung von Phasenregelkreisen kann höhere Geräuschpegel und einen Takt-Jitter, der zu Verzögerungsfehlern führt, hervorrufen und somit Fehler bei der digitalen Abtastrate verursachen. Auch eine Verzögerungskomponente kann zu einem höheren Geräuschpegel führen und signifikante Verzögerungsabweichungen von einem Schaltkreis zum anderen aufweisen.
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Aus der
US 2004/0256952 A1 ist – in Übereinstimmung mit dem Anspruch 1 der Erfindung – ein Schaltkreis zur Impulserzeugung bekannt. Der Schaltkreis der genannten US-Schrift weist einen Mehrfach-Generator zur Ultraschallerzeugung bei verschiedenen Frequenzen mit zwei Generatorschaltkreisen auf, bei dem zwei Zeitverzögerungsschaltkreise vorgesehen sind. Diese stellen sicher, dass die Generatorschaltkreise nicht gleichzeitig betrieben werden.
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Aus der
CN 101576537 A ist ein Impulsgenerator zum Erzeugen von Impulsen mit einstellbarer Breite und Verzögerung zur Ansteuerung eines phasengesteuerten Ultraschall-Arrays bekannt.
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Aus der
US 2006/0158370 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung von Entfernungen zu einem Objekt bekannt, mit einem impulserzeugenden Schaltkreis in einem Sender und mehreren Verzögerungsleitungen in einem Empfänger. Es können mehrere Referenzsignale erzeugt werden, die gegeneinander zeitverzögert sind.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ultraschallwandler mit höherer Frequenz, wie zum Beispiel 125 MHz, finden immer breitere Verwendung, weil mit ihnen ein sehr dünner Prüfling untersucht werden kann. Bei einem dünnen Prüfling ist die Laufzeit, die ab dem Zeitpunkt, zu dem der Anregungsimpuls erzeugt wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem das Echo empfangen wird, vergeht, sehr kurz; aus diesem Grund ist ein Wandler mit höherer Frequenz erforderlich, um diese dünnen Messungen zu erreichen.
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Um einen Rückimpuls mit hoher Frequenz, wie zum Beispiel 125 MHz, digital abzutasten, ist eine äußerst effektive Abtastrate erforderlich, damit das Nyquist-Frequenztheorem unterstützt wird, welches besagt, dass ein Echo mit 125 MHz mindestens bei doppelter Frequenz, also bei einer Rate von 250 MHz oder darüber, digital abgetastet werden muss. Mit modernen Analog-Digital-Umsetzern (ADUs) für digitale Abtastung können Abtastraten erzielt werden, die über 250 MHz liegen, aber die Kosten und der Stromverbrauch sind höher und können vermieden werden, indem ein ADU für digitale Abtastung mit niedrigerer Frequenz zusammen mit einem Interleaving-Verfahren verwendet wird, wie es in dieser Erfindung erörtert wird.
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Bei dieser Erfindung werden die Erzeugung und die Verzögerung eines Hochspannungsanregungsimpulses zunächst über einen digitalen Zähler bewirkt, um die Grobverzögerung und die Breite zu setzen, die dann zu einem analogen Schaltkreis für Feinverzögerung, wie zum Beispiel einer Widerstands-Kapazitäts- bzw. RC-Zeitkonstante, gesendet wird, um eine Feinabstimmung der Grobverzögerung durchzuführen. Der digitale Zähler für die Grobverzögerung erzeugt die gewünschten Werte für den Start und die Breite des Anregungsimpulses abhängig von einer Taktfrequenz und eines Zählwertes des Zählers. Der analoge Schaltkreis für Feinverzögerung wird verwendet, um eine Feineinstellung des von dem digitalen Zähler für Grobverzögerung gelieferten Anregungsimpulses mit Hilfe einer Schaltung mit einer RC-Zeitkonstante, einem Digital-Analog-Umsetzer (DAU) und einem Komparator durchzuführen. Der analoge Schaltkreis für Feinverzögerung ermöglicht feinere Verzögerungseinstellungen des Anregungsimpulses als die Grobverzögerung, die durch die Taktfrequenz zu dem digitalen Zähler gesetzt wird. Durch die Einstellung der Feinverzögerung des Anregungsimpulses wird wiederum eine Feinverzögerung des Echos bewirkt; somit kann mit Hilfe eines Interleaving-Verfahrens die digitale Abtastung eines Echos eines Hochfrequenzwandlers erzielt werden.
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In anderen Ausgestaltungen muss die vorliegende Erfindung jedoch nicht alle diese Zielvorgaben erreichen, und die Ansprüche hierzu sollten nicht auf Konstruktionen oder Verfahren beschränkt werden, die in der Lage sind, diese Zielvorgaben zu erreichen.
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KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Für den Fachmann sind aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausgestaltung und den beiliegenden Zeichnungen weitere Zwecke, Merkmale und Vorteile ersichtlich. In den Zeichnungen zeigen:
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1 zeigt eine schematische Darstellung, welche die Hauptkomponenten veranschaulicht, die mit einem beispielhaften Geber für einen Hochspannungsanregungsimpuls nach der Erfindung in Verbindung stehen.
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2 zeigt ein Zeitdiagramm, welches die Signale veranschaulicht, die von den verschiedenen in 1 gezeigten Komponenten erzeugt werden und zu einem Anregungsspannungsimpuls mit ziemlich niedriger Frequenz führen.
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3 zeigt ein Zeitdiagramm, welches die Fähigkeit des in 1 gezeigten Anregungsimpulsgebers veranschaulicht, einen Anregungsspannungsimpuls hoher Frequenz zu erzeugen, der eine geringere Breite als ein Taktimpuls für einen 125-MHz-Wandler aufweist.
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4 zeigt eine schematische Schaltskizze, welche die Schaltungen des Impulsgebers 115 aus 1 darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Neben der bevorzugten Ausgestaltung oder den bevorzugten Ausgestaltungen, die unten offenbart wird bzw. werden, ist diese Erfindung in der Lage, weitere Ausgestaltungen zu ermöglichen und aufverschiedene Weise umgesetzt oder durchgeführt zu werden. Somit ist es ersichtlich, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Details in der Konstruktion und die Anordnungen der Komponenten, die in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt oder in den Zeichnungen veranschaulicht sind, beschränkt ist. Wird hierin nur eine Ausgestaltung beschrieben, sind die Ansprüche hierzu nicht auf diese Ausgestaltung zu beschränken. Darüber hinaus sind die Ansprüche hierzu nicht restriktiv zu verstehen, außer es liegt ein eindeutiger und überzeugender Beweis vor, der eine bestimmte Ausnahme, Einschränkung oder Ablehnung offenbart.
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1 stellt lediglich eine Variante einer Schaltung 10 für die Erzeugung eines Hochspannungsanregungsimpulses an dem Ausgang eines Impulsgebers 115 dar, welcher typischerweise den Wandler einer Ultraschallvorrichtung zur Dickenmessung oder einer Vorrichtung zur Fehlererkennung ansteuert. Dieser Hochspannungsanregungsimpuls kann bei Hochfrequenzanwendungen, wie zum Beispiel solchen, bei denen ein 125-MHz-Wandler beteiligt ist, Hunderte von Volt betragen und eine Impulsbreite aufweisen, die unter 4 ns liegt. Oder umgekehrt kann die Breite des Hochspannungsanregungsimpulses über der Breite für Niederfrequenzanwendungen liegen. Zudem kann der Hochspannungsanregungsimpuls in gewünschten Intervallen verzögert werden, um ein Interleaving des Echos zu erreichen und somit höhere effektive Abtastraten zu erzeugen.
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Unter Bezugnahme auf 1 stellt ein digitaler Signalgeber 14 den digitalen Teil dieser Erfindung dar und kann in einem FPGA, einem CPLD oder in anderen diskreten digitalen Bauelementen implementiert werden, mit dem bzw. denen die Grobverzögerung, die Feinverzögerung und die Breite des Anregungsimpulses über einen digitalen Zähler 100, einen Impulsbreiten- und Verzögerungsregler 99 sowie Tri-State-Schaltkreise 101, 102 digital gesteuert werden. Die Zählrate des digitalen Zählers 100 wird durch einen Eingangstaktgeber 97 gesetzt, bei dem es sich um einen Oszillator oder einen anderen digitalen Taktgeber handeln kann, der die Auflösung der Grobverzögerung und die Breite für den Anregungsimpuls setzt.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 1 wird der digitale Zähler 100 mit einem Sollstartzählwert in dem Impulsbreiten- und Verzögerungsregler 99 verglichen, um zu bestimmen, wann der Grobstart des Anregungsimpulses beginnt, indem das Signal enable_start an den Tri-State-Schaltkreis 101 bestätigt wird. Der digitale Zähler 100 wird darüber hinaus mit einem Sollendzählwert in dem Impulsbreiten- und Verzögerungsregler 99 verglichen, um das Grobende des Anregungsimpulses zu bestimmen, indem das Signal enable_end an den Tri-State-Schaltkreis 102 bestätigt wird.
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Bei den Tri-State-Schaltkreisen 101 und 102 handelt es sich um Tri-State-Puffer, in denen ihr jeweiliger Ausgang auf 0 oder einen hochohmigen Zustand auf RC-Verzögerungskomponenten 104 und 107 geführt wird, und zwar mit dem Pull-Up-Widerstand 95 bei dem Signal coarse_start und mit dem Pull-Up-Widerstand 96 bei dem Signal coarse_end. Werden die von dem Impulsbreiten- und Verzögerungsregler 99 kommenden Signale enable_start und enable_end nicht freigeschaltet, werden die Tri-State-Schaltkreise 101, 102 in einen hochohmigen Zustand überführt und die Ausgänge coarse_start und coarse_end werden über die Pull-Up-Widerstände 95 und 96 auf einen High-Pegel gezogen. Werden andererseits die Signale enable_start und enable_end freigeschaltet, werden die Ausgänge coarse_start und coarse_end auf 0 geführt, um die Grobbreite und die Grobverzögerung des Anregungsimpulses zu setzen. Die abfallenden Flanken von coarse_start und coarse_end können einen Abstand von mehreren Taktzyklen aufweisen, wie in 2 dargestellt, oder an der gleichen Taktimpulsflanke erzeugt werden, wie in 3 dargestellt, um eine geringere Auflösung des Anregungsimpulses zu bewirken, als sie durch den Zählwert möglich ist. Die geringe Breite des Anregungsimpulses ist für Wandler mit hoher Frequenz, wie zum Beispiel 125 MHz, erforderlich.
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Es wird immer noch auf 1 Bezug genommen. Die Tri-State-Schaltkreise 101 und 102 ermöglichen bei Auftreten der Signale coarse_start und coarse_end eine Entkopplung der digitalen Stromquelle auf eine geräuscharme analoge Präzisionsstromquelle 12 über die Pull-Up-Widerstände 95 und 96, wodurch die digitalen Stromquellen eliminiert werden, die laut sein können. Die geräuscharme analoge Präzisionsstromquelle 12 kann die einer Spannungsreferenzpräzisionsvorrichtung sein, die alle restlichen analogen Schaltkreise für Feinverzögerung 13 einschließlich der Pull-Up-Widerstände 95 und 96 bei Auftreten von coarse_start und coarse_end speist. Eine übliche geräuscharme analoge Präzisionsstromquelle 12 ermöglicht eine präzisere Verzögerung zur feineren Einstellung über die analogen Schaltkreise.
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Es wird nun vorwiegend Bezug auf 1 genommen, allerdings unter Zuhilfenahme von 2 und 3. Die digitalen Werte digital_fine_start_a und digital_fine_start_b, die von dem Impulsbreiten- und Verzögerungsregler 99 kommen, werden von einem Digital-Analog-Umsetzer (DAU) 103 und 105 in als analog_fine_start_a und analog_fine_start_b bezeichnete analoge Spannungsreferenzen umgewandelt, die verwendet werden, um den Feinverzögerungsstart A und den Feinverzögerungsstart B des Anregungsimpulses (in 2 und 3 gezeigt) zu setzen. Die digitalen Werte digital_fine_end_a und digital_fine_end_b, die von dem Impulsbreiten- und Verzögerungsregler 99 kommen, werden von einem Digital-Analog-Umsetzer (DAU) 106 und 108 in als analog_fine_end_a und analog_fine_end_b bezeichnete analoge Spannungsreferenzen umgewandelt, die verwendet werden, um die Feinverzögerungsendpunkte des Anregungsimpulses (in 2 und 3 mit C bzw. D bezeichnet) zu setzen.
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In 1, 2 und 3 handelt es sich bei den RC-Verzögerungen oder RC-Verzögerungskomponenten 104 und 107 um analoge Schaltkreise, welche einen diskreten Widerstand und einen diskreten Kondensator aufweisen, um eine exponentiell abklingende Spannung wie in 2 und 3 gezeigt zu erzeugen, und zwar mit den als rc_delay_start und rc_delay_end bezeichneten Signalen, die aus den Eingangssignalen coarse_start und coarse_end erzeugt werden, wie in 2 und 3 gezeigt. Die exponentielle Abklingrate beruht auf der Auswahl des Widerstands und des Kondensators, die den Fachleuten bekannt ist. In einem Beispiel wurden ein Widerstand mit 1 kOhm und ein Kondensator mit 22 pf verwendet. Der RC-Schaltkreis sollte vorzugsweise eine niedrige Impedanz mit niedrigen Widerstands- und hohen Kondensatorwerten aufweisen, weil ein Widerstand mit einem hohen Widerstandswert eine hohe Streukapazität haben und einen großen Fehler in der RC-Zeitkonstante erzeugen kann. Bei einer extrem großen RC-Zeitkonstante kann das Rauschen in dem RC-Schaltkreis Ausgangsfehler zum Komparator verursachen, wodurch die Zeitsteuerung und die Breite des Anregungsimpulses unvorhersehbar werden. Die bevorzugte Zeitkonstante beträgt ungefähr zwei Digitaltaktzyklen.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 1, 2 und 3 wird die exponentiell abklingende Spannung re_delay_start, die von der RC-Verzögerungskomponente 104 kommt, über den Komparator 109 und 110 mit den Spannungsreferenzen analog_fine_start_a und analog_fine_start_b verglichen. Ist rc_delay_start gleich oder kleiner als die Spannungsreferenzen analog_fine_start_a und analog_fine_start_b, gehen control_start_a und control_start_b auf High-Pegel, um die Feinverzögerungsstartpunkte des Anregungsimpulses einzustellen, wie in 2 und 3 mit A und B dargestellt.
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In ähnlicher Weise wird die exponentiell abklingende Spannung rc_delay_end, die von der RC-Verzögerungskomponente 107 kommt, über den Komparator 111 und 112 mit den Spannungsreferenzen analog_fine_end_a und analog_fine_end_b verglichen. Ist rc_delay_end gleich oder kleiner als die Spannungsreferenzen analog_fine_end_a und analog_fine_end_b, geht control_end_a und control_end_b auf High-Pegel, um die Feinverzögerungsendpunkte des Anregungsimpulses zu setzen, wie in 2 und 3 mit C und D dargestellt. Die Feinverzögerung und die Breite des Anregungsimpulses werden auf Grundlage der Solleinstellungen des DAU 103, 105, 106 und 108 gesetzt.
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Unter Bezugnahme auf 1 geben die Komparatoren 109 und 111 die Signale control_start_a und control_end_a aus, die an das UND-Gatter 113 geliefert werden, um control_a zu erzeugen und so den Start und das Ende der oberen Steuerung an den Hochspannungsimpulsgeber 115 zu setzen, wie anhand von hv_excitation_pulse in 2 und 3 ersichtlich. Stehen das Signal control_start_a, ein nicht invertierender Eingang zu dem UND-Gatter 113, und das Signal control_end_a, ein invertierender Eingang zu dem UND-Gatter 113, beide auf Low-Pegel, dann steht auch control_a auf Low-Pegel. Geht control_start_a auf High-Pegel und control_end_a auf Low-Pegel, dann geht control_a auf High-Pegel; bleibt control_start_a auf High-Pegel und geht control_end_a auf High-Pegel, geht control_a auf Low-Pegel, wie in 2 und 3 dargestellt.
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In ähnlicher Weise liefern die Komparatoren 110 und 112 die Ausgangssignale control_start_b und control_end_b an das UND-Gatter 114, um control_b zu erzeugen und so den Start und das Ende der unteren Steuerung an den Hochspannungsimpulsgeber 115 zu setzen. Stehen das Signal control_start_b (nicht invertierender Eingang zu dem UND-Gatter 114) und das Signal control_end_b (invertierender Eingang zu dem UND-Gatter 114) beide auf Low-Pegel, dann steht auch control_b auf Low-Pegel. Geht control_start_b auf High-Pegel und control_end_b auf Low-Pegel, dann geht control_b auf High-Pegel; bleibt control_start_b auf High-Pegel und control_end_b geht auf High-Pegel, dann geht control_b auf Low-Pegel, wie in 2 und 3 dargestellt.
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Es wird nun vorwiegend Bezug auf 2 genommen, allerdings unter Zuhilfenahme von 1. 2 zeigt das Zeitdiagramm, welches ein Beispiel einer Anregungsimpulsbreite veranschaulicht, die größer sein soll als ein einzelner Digitaltaktzyklus. Der Signaltakt ist der digitale Takt, der den digitalen Signalgeber speist, um die Signale coarse_start und coarse_end zu erzeugen. Die Signale coarse_start und coarse_end, die von dem Tri-State-Schaltkreis 101 bzw. 102 geliefert werden, speisen die RC-Verzögerungskomponenten 104 und 107, um die Signale rc_delay_start bzw. rc_delay_end der abklingenden Spannung zu erzeugen, und zwar auf der Grundlage der Auswahl von Widerstand und Kondensator. Das Signal rc_delay_start der abklingenden Spannung wird von den Komparatoren 109 bzw. 110 mit den Referenzspannungssignalen analog_fine_start_a und analog_fine_start_b verglichen. Ist rc_delay_start gleich oder kleiner als die Referenzspannungssignale analog_fine_start_a und analog_fine_start_b, geht control_start_a bzw. control_start_b auf High-Pegel, um den Feinverzögerungsstart A bzw. den Feinverzögerungsstart B in dem Anregungsimpuls zu setzen. Das Signal rc_delay_end der abklingenden Spannung wird von den Komparatoren 111 und 112 mit den Referenzspannungen analog_fine_end_a und analog_fine_end_b verglichen. Ist rc_delay_end gleich oder kleiner als die Referenzspannungssignale analog_fine_end_a und analog_fine_end_b, gehen control_end_a und control_end_b auf High-Pegel, um die Feinverzögerungsendpunkte C und D des Anregungsimpulses zu setzen. Die Signale control_start_a und control_end_a gehen durch das UND-Gatter 113, um control_a zu erzeugen und so den oberen FET 200 des Anregungsimpulses zu steuern. Die Signale control_start_b und control_end_b gehen durch das UND-Gatter 114, um control_b zu erzeugen und so den unteren FET 202 des Anregungsimpulses zu steuern (FET-Signale sind in 4 gezeigt). Der Impulsgeber 115 erzeugt das Signal hv_excitation_pulse an den Ultraschallwandler in Reaktion auf die Steuersignale control_a bzw. control_b, die von den UND-Gattern 113 bzw. 114 kommen.
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Es wird nun vorwiegend Bezug auf 3 genommen, allerdings unter Zuhilfenahme von 1. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist es für Anwendungen höherer Frequenz, wie zum Beispiel bei 125 MHz, wünschenswert, dass die Breite des Anregungsimpulses 4 ns oder weniger beträgt, was ein kürzeres Zeitintervall sein kann, als es der Takt zu dem digitalen Signalgeber liefern kann. Um eine geringere Impulsbreite, als sie durch das Taktsignal möglich ist, zu erzeugen, müssen coarse_start und coarse_end zum gleichen Zeitpunkt des Taktzyklus auf einen niedrigen Wert fallen, und die restliche Verzögerung wird nur über die Feinverzögerung gesteuert. Der Signaltakt 100 ist der digitale Takt, der den digitalen Signalgeber 99 speist, um gleichzeitig coarse_start und coarse_end zu setzen. Die Signale coarse_start und coarse_end speisen die RC-Verzögerungskomponenten 104 und 107, um die Signale rc_delay_start bzw. rc_delay_end der abklingenden Spannung auf der Grundlage der Auswahl von Widerstand und Kondensator zu erzeugen. Das Signal rc_delay_start der abklingenden Spannung wird von den Komparatoren 109 und 110 mit den Referenzspannungssignalen analog_fine_start_a und analog_fine_start_b verglichen. Ist rc_delay_start gleich oder kleiner als die Referenzspannungssignale analog_fine_start_a und analog_fine_start_b, erhöht sich control_start_a bzw. control_start_b, um den Feinverzögerungsstart A und den Feinverzögerungsstart B des Anregungsimpulses zu setzen. Das Signal rc_delay_end der abklingenden Spannung wird von den Komparatoren 111 bzw. 112 mit den Referenzspannungssignalen analog_fine_end_a und analog_fine_end_b verglichen. Ist rc_delay_start gleich oder kleiner als die Referenzspannungssignale analog_fine_start_a und analog_fine_start_b, erhöht sich control_end_a bzw. control_end_b, um die Feinverzögerungsendpunkte C und D des Anregungsimpulses zu setzen. Die Signale control_start_a und control_end_a gehen durch ein UND-Gatter, um control_a zu erzeugen und so den oberen FET 200 des Anregungsimpulses zu steuern. Die Signale control_start_b und control_end_b gehen durch das UND-Gatter 114, um control_b zu erzeugen und so den unteren FET 202 des Anregungsimpulses zu steuern. Der Steuerschaltkreis 115 des Impulsgebers erzeugt dann das Signal hv_excitation_pulse an den Ultraschallwandler in Reaktion auf die Steuersignale control_a und control_b, die von den UND-Gattern 113 und 114 kommen.
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Es wird nun Bezug auf 4 genommen, allerdings unter Zuhilfenahme von 1. Wie oben erläutert, erzeugt der Impulsgeber 115 den Hochspannungsanregungsimpuls zu dem Ultraschallwandler (ohne Abbildung) in Reaktion auf die von den UND-Gattern 113 und 114 kommenden Steuersignale control_a und control_b. Das von dem UND-Gatter 113 kommende Signal control_a steuert das Gatter eines Feldeffekttransistors (FET), um die Masse des Impulsgebers 115 zu steuern. Das von dem UND-Gatter 114 kommende Signal control_b steuert das Gatter eines Feldeffekttransistors (FET), um die Hochspannung des Impulsgebers 115 zu steuern, bei der es sich typischerweise um eine negative Spannung handelt.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 4 wird eine aufwändigere Schaltkreisausführung für den Impulsgeber 115 gezeigt, wobei der obere P-Kanal-FET 200 die Masse steuert und der untere N-Kanal-FET 202 die negative Hochspannung (z. B. –200 Volt) steuert, und zwar über die Signale control_a bzw. control_b. Das Signal kommt mit control_b an und erzeugt das Signal fet_control_b über einen RC-Schaltkreis 203, um die negative Flanke (alternativ abfallende oder ansteigende Flanke genannt) des Ausgangssignals hv_excitation_pulse 404 zu steuern. Das Signal kommt mit control_a an und erzeugt das Signal fet_control_a über einen RC-Schaltkreis 201, um die positive Flanke (alternativ ansteigende oder abfallende Flanke genannt) des Ausgangssignals hv_excitation_pulse 404 zu steuern. Da die Signale control_a und control_b positive Spannungen sind und negative Spannungen benötigt werden, um den P-Kanal-FET 200 und den N-Kanal-FET 202 anzusteuern, sind Kondensatoren erforderlich, wie in den RC-Schaltkreisen 201 und 203 gezeigt. Die als control_a und control_b zu den RC-Schaltkreisen 201 bzw. 203 gelieferten Signale sind zeitlich versetzt, um einen Durchschlagstrom durch die FETs zu vermeiden. Der Abstand zwischen der abfallenden Flanke von Signal control_a und Signal control_b bestimmt die Anstiegsgeschwindigkeit des Hochspannungsanregungsimpulses, wie in dem Ausgangssignal hv_excitation_pulse gezeigt. Es ist wichtig, darauf zu achten, dass der Abstand als Vorteil der Gegenstandsschaltung in einem optimalen Bereich bleibt, da der analoge Schaltkreis für Feinverzögerung die ansteigenden und abfallenden Flanken des Steuersignals präzise steuern kann. Ist der Abstand zu gering, wird die Gefahr eines Durchschlagstroms größer; ist der Abstand zu groß, verhält sich der Anregungsimpuls möglicherweise nicht wie gewünscht. Unter Fachleuten ist es bekannt, das Ausgangssignal hv_excitation_pulse zu erzeugen und zu einem Ultraschallwandler (ohne Abbildung) zu führen.
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Es ist wichtig, zu beachten und von Fachleuten gewürdigt zu werden, dass die Art der negativen oder positiven Spannung der Steuersignale und des Anregungsimpulses nur beispielhaften Zwecken dient. Die Rahmenbedingungen des hierin offenbarten Zeitsteuerverfahrens, die für ein Signal mit negativer Spannung gelten, würden ebenso für ein ähnliches Signal mit positiver Spannung gelten.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist ein wichtiger Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung, der beachtet werden sollte, die Tatsache, dass der digitale Signalgeber 14 so ausgelegt sein kann, dass er eine große Auswahl an erwünschten und stabilen Anregungsimpulsen erzeugen kann, ohne dass sich die nachgeordneten Schaltungen ändern. Durch die Anwendung der in 1 gezeigten Schaltungen (oder von gleichwertigen Schaltungen), in denen sowohl digitale als auch analoge Signale zusammenwirken, um einen Sollbereich von Breiten und Verzögerungen des Anregungsimpulses zu erreichen, können mit der Erfindung eine kontinuierliche Feinsteuerung des Anregungsimpulses und eine Impulsbreite mit fraktionierter Taktdauer im Gegensatz zu herkömmlichen digitalen Impulserzeugungsverfahren erreicht werden.
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In einem Beispiel wird zum Erzeugen einer Anregungsimpulsbreite von 13,75 ns mit einer digitalen Taktfrequenz von 200 MHz (5 ns) an den digitalen Signalgeber 14 die Breite coarse_start und coarse_end zwischen diesen Signalen durch den ganzzahligen Quotienten (13,75 ns/5 ns = 2,75) 2 gesetzt, um die Grobbreite von 10 ns zu setzen. Die restliche Verzögerung von 3,75 ns (5 ns·0.75) erfolgt durch die analogen Schaltkreise für Feinverzögerung, indem nur das Feinverzögerungsende verzögert wird, um eine Gesamtbreite des Anregungspulses von 13,75 ns zu erreichen.
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Durch die Grob- und Feinverzögerungsfähigkeiten des Hochspannungsanregungsimpulses an den Ultraschallwandler können die Echos entsprechend verzögert werden. Daher kann das Interleaving-Verfahren durchgeführt werden, indem der Hochspannungsanregungsimpuls inkrementell verzögert wird und die verzögerten Echos über einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU) digital abgetastet werden. Dieses Interleaving-Verfahren erhöht die digitale Abtastrate der Echos.
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Es sollte beachtet werden, dass einige Bezeichnungen in der vorliegenden Offenbarung wie folgt alternativ benutzt werden können.
- • analog_fine_start_a kann alternativ als erstes Referenzsignal benutzt werden.
- • analog_fine_end_a kann alternativ als zweites Referenzsignal benutzt werden.
- • analog_fine_start_b kann alternativ als drittes Referenzsignal benutzt werden.
- • analog_fine_end_b kann alternativ als erstes Referenzsignal benutzt werden.
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Es sollte weiter beachtet werden, dass einige Bezeichnungen in der vorliegenden Offenbarung wie folgt alternativ benutzt werden können.
- • Komparator 109 kann alternativ als erstes Referenzsignal benutzt werden.
- • Komparator 111 kann alternativ als zweites Referenzsignal benutzt werden.
- • Komparator 110 kann alternativ als drittes Referenzsignal benutzt werden.
- • Komparator 112 kann alternativ als erstes Referenzsignal benutzt werden.
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Auch wenn spezielle Merkmale der Erfindung in einigen Zeichnungen gezeigt sind und in anderen nicht, geschieht dies nur der Einfachheit halber, da jedes Merkmal gemäß der Erfindung mit jedem beliebigen anderen Merkmal oder allen anderen Merkmalen kombiniert werden kann. Die Begriffe „einschließen”, „umfassen”, „haben” und „aufweisen” oder „mit” sind in ihrem Gebrauch im vorliegenden Dokument in breitem und umfassendem Sinn zu verstehen und sind nicht auf einen physischen Zusammenhang beschränkt. Zudem sind die in der Gegenstandsanmeldung offenbarten Ausgestaltungen nicht als die einzig möglichen Ausgestaltungen zu betrachten. Zum Beispiel können die analogen Verzögerungsschaltungen Vorrichtungen oder Bauteile umfassen, die sich von hierin erörterten RC-Schaltkreisen unterscheiden.
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Außerdem ist jede beliebige Änderung, die während der Weiterverfolgung der Patentanmeldung für dieses Patent vorgelegt wird, nicht als Verzichtserklärung auf ein Anspruchselement zu verstehen, das in der ursprünglich eingereichten Anmeldung angegeben wurde: Es kann von Fachleuten vernünftigerweise nicht erwartet werden, dass sie einen Anspruch abfassen, der buchstäblich alle möglichen Äquivalente umfasst; viele Äquivalente werden zum Zeitpunkt der Änderung unvorhersehbar sein und gehen über eine gerechte Auslegung dessen hinaus, was aufgegeben werden soll (wenn überhaupt); die Begründung, die der Änderung zugrunde liegt, steht möglicherweise nur am Rande in einer Beziehung zu vielen Äquivalenten; und/oder es gibt viele andere Gründe, aus denen nicht erwartet werden kann, dass der Anmelder bestimmte unwesentliche Substitute für jedes beliebige geänderte Anspruchselement beschreibt.
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Für Fachleute sind andere Ausgestaltungen ersichtlich, die sich im Rahmen der folgenden Ansprüche befinden.
