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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung für den Betrieb einer Sendeempfangseinheit. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine elektrische Schaltung für eine schnellere zeitliche Abfolge für Sende- und Empfangsvorgang mittels eines Ultraschallwandlers zur Entfernungsmessung.
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Bei einem Schallwandler wird mittels elektrischer Impulse eine Membrane in Schwingungen versetzt, welche beispielsweise an das Luftschallfeld gekoppelt ist. Bei einem Ultraschallwandler wird hierzu eine Piezo-Membrane verwendet. Im Anschluss daran muss diese Membrane zur Vorbereitung auf den Empfangsvorgang möglichst schnell zum Stillstand gebracht werden. Der an einem Objekt reflektierte Schall trifft dann auf die stehende Membrane und versetzt diese erneut in Schwingungen. Die empfangenen Signale werden hinsichtlich Laufzeit und Gestalt untersucht und mit den gesendeten Signalen in Beziehung gesetzt. So kann der Wandler einerseits als Sender und andererseits als Empfänger benutzt werden. Grundsätzlich klingt die Schwingung der Membrane, die durch die Anregung beim Sendevorgang erzeugt wurde, jedoch nur langsam ab, so dass sich ohne weitere Maßnahmen diese Schwingung mit dem eintreffenden, reflektierten Schall überlagert.
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Eine bekannte Maßnahme zur Beschleunigung des Abklingvorgangs ist eine rückseitige Anordnung eines speziellen Schaums an der Membrane bekannt. Alternativ oder zusätzlich kann die Schwingung durch gezielte Gegenansteuerung aktiv gedämpft werden. Mit anderen Worten wird die Schwingung in ein elektrisches Signal umgewandelt und die Membran mit einem diesem gemessenen Signal entgegengesetzten elektrischen Signal beaufschlagt. Weiter ist es bekannt, die Gegenansteuerung in mehreren Ansteuerzyklen mit unterschiedlicher Amplitude vorzunehmen, wobei zwischen den Ansteuerzyklen die aktuelle Schwingung des Sensors neu erfasst wird, um bei der nächsten Ansteuerung eine angepasste gegenphasige Ansteuerung vornehmen zu können. Die intermittierende Messung und Ansteuerung ist notwendig, da eine Erfassung der Eigenschwingung des Sensors während einer Ansteuerung in der Regel nicht möglich ist. Diese Synchronisierung zwischen erfasster Schwingung und dem Ansteuersignal benötigt Zeit, in welcher kein aktiver Energieabbau der Schwingung der Membrane vollzogen werden kann. Problematisch ist hierbei unter anderem, dass bei jeder Unterbrechung der Ansteuerung der Membrane Nebenmoden des Wandlers verstärkt angeregt werden, welche eine rasche Neusynchronisierung verhindern, da sie zuvor abklingen müssen. Beispielsweise hat eine lange 50 kHz Rechteckpulsfolge eine ausgeprägte 50 kHz Spektrallinie. Zwar sind bereits Auswerteschaltungen bekannt, welche noch innerhalb einer halben Schwingungsperiode eine Aussage über den Schwingungszustand des Sensors zulassen. Diese sind jedoch an die Voraussetzung geknüpft, dass die Amplitude der Ansteuerung nicht wesentlich größer ist als die Eigenschwingung des Sensors, da es sonst zu einer schwer vorhersagbaren Phasendrehung des Sensorsignals kommt. Des Weiteren ist bekannt, einen Serienresonator zwischen der Quelle für das Sendesignal und dem Ultraschallwandler zur Erzeugung einer Hochspannung vorzusehen, wobei jedoch der oben beschriebene Dämpfungsschaum an der Rückseite der Wandlermembran verwendet werden muss, um brauchbare Abklingzeiten zu erreichen. Geht der zuvor beschriebene Aufbau vom Sendebetrieb in den Empfangsbetrieb über, so kann die Quelle für das Anregungssignal verwendet werden, um den Schwingkreis durch Gegenansteuerung zu dämpfen. Hierbei hängt der exakte Dämpfungserfolg jedoch unter anderem von der genauen Übereinstimmung der Resonanzfrequenzen des ersten Schwingkreises sowie eines zweiten, aus der Kapazität des ersten Schwingkreises in Verbindung mit dem Wandler gebildeten, Schwingkreis ab. Dabei stellt der Wandler (wie weiter unten in Verbindung mit den beigefügten Figuren erläutert wird) bereits selbst ein schwingfähiges System dar, welches über die Kapazität des ersten Schwingkreises an den ersten Schwingkreis gekoppelt ist. Sofern nun einer der beiden Schwingkreise nach erfolgter Dämpfung nicht komplett ruhen sollte, kann er den jeweils anderen Schwingkreis erneut zu Schwingungen anregen. Hierbei entsteht eine Schwebung mit abnehmender Amplitude. Diese Schwebung ist insbesondere deshalb problematisch, da beide Schwingkreise relativ niederohmig sind und sie daher lange erhalten bleibt. Beim Empfang von Echos sind aber auch sehr kleine Restschwingungen von wenigen µA störend, da die empfangenen Signale Amplituden aufweisen, welche um Größenordnungen niedriger als die Amplituden der Sendesignale sind.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gegenseitige Anregung zweier Schwingkreise in einer elektrischen Schaltung für den Betrieb einer Sendeempfangseinheit sowie die zuvor beschriebenen Schwebungen zu reduzieren bzw. zu verhindern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Schaltung für den Betrieb einer Sendeempfangseinheit mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst eine solche Schaltung eine Pulserzeugungseinheit, mittels welcher zur Sendung über die Sendeempfangseinheit vorgesehene Signale erzeugt und bereitgestellt werden können. Weiter umfasst die Schaltung einen ersten Schwingkreis mit zwei Energiespeichern. Zudem umfasst die Schaltung eine Sendeempfangseinheit, also einen Wandler, welcher seitens der Schaltung zum Senden von Signalen zu Schwingungen angeregt werden kann und zum Empfangen von Signalen im Stande ist, eintreffende Schwingungen in Form elektrischer Signale an die Schaltung abzugeben. Beispielsweise kann die Sendeempfangseinheit einen Schallwandler mit einer Membran umfassen. Hierbei kann ein erster Anschluss der Sendeempfangseinheit, welche insbesondere als Zweipol ausgebildet sein kann, an einen Abgriff zwischen zwei Energiespeichern des ersten Schwingkreises geschaltet sein. Hierbei kann der erste Energiespeicher des ersten Schwingkreises, welcher zwischen dem ersten Anschluss der Sendeempfangseinheit und der elektrischen Masse angeordnet ist, weiter eingerichtet sein, im Zusammenwirken mit der Sendeempfangseinheit einen zweiten Schwingkreis zu bilden. Erfindungsgemäß ist zwischen der Pulserzeugungseinheit und dem ersten Schwingkreises ein erster nichtlinearer Zweipol angeordnet. Bevorzugt ist der nichtlineare Zweipol zwischen der Pulserzeugungseinheit und dem ersten Energiespeicher des ersten Schwingkreises angeordnet. Mit anderen Worten kann eine erste Masche in der nachfolgend genannten Reihenfolge eine Pulserzeugungseinheit, den ersten nichtlinearen Zweipol, einen ersten Energiespeicher des ersten Schwingkreises und einen zweiten Energiespeicher des ersten Schwingkreises umfassen. Dem Fachmann ist hierbei ersichtlich, dass die Funktion von der räumlichen Reihenfolge des ersten Energiespeichers und des ersten nichtlinearen Zweipols unabhängig ist, so dass auch die Reihenfolge Pulserzeugungseinheit, erster Energiespeicher des ersten Schwingkreises, erster nichtlinearer Zweipol und zweiter Energiespeicher des ersten Schwingkreises als eine Anordnung des nichtlinearen Zweipols zwischen der Pulserzeugungseinheit und dem ersten Schwingkreis und daher als im Bereich der vorliegenden Erfindung liegend aufzufassen ist. Der zweite Energiespeicher des ersten Schwingkreises kann dabei auch Bestandteil der zweiten Masche sein, welche zudem die Sendeempfangseinheit und gegebenenfalls weitere Elemente umfasst.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt kann der erste Energiespeicher des ersten Schwingkreises eine Induktivität sein. Weiter bevorzugt kann der zweite Energiespeicher des ersten Schwingkreises eine gegen Masse geschaltete Kapazität sein. Unter Vernachlässigung übriger Netzwerkbestandteile bilden die beiden Energiespeicher des ersten Schwingkreises dabei einen Serienschwingkreis. Die vorgenannte Anordnung hat den Vorteil einer hohen Güte und kann durch bekannte separate Elemente, wie z.B. eine Spule als Induktivität und einen Kondensator als Kapazität, bereitgestellt werden.
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Weiter bevorzugt kann die Sendeempfangseinheit als Ultraschallsendeempfänger ausgeführt sein. Dies bietet den Vorteil, dass beispielsweise Entfernungsmessungen, welche mittels des Ultraschallsendeempfängers durchgeführt werden sollen, mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der elektrischen Schaltung auch bei nahe beieinander liegenden Sende- und Empfangsvorgängen (was einer geringen Entfernung zwischen Wandler und Messobjekt entspricht) möglich sind.
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Weiter bevorzugt kann die elektrische Schaltung weiter einen zweiten nichtlinearen Zweipol zwischen einem zweiten Anschluss der Sendeempfangseinheit und Masse umfassen. Beispielsweise kann der zweite nichtlineare Zweipol so ausgestaltet sein, dass er oberhalb einer Schwellspannung einen geringen Widerstand aufweist und unterhalb derselben Schwellspannung einen hohen Widerstand aufweist. Wird einem solchen zweiten nichtlinearen Zweipol, welcher z.B. eine erste und eine antiparallel zur ersten geschaltete Diode umfassen kann, ein Messverstärker parallel geschaltet, wird der Messverstärker ohne aktive Maßnahmen (z.B. gesteuerte Schaltvorgänge) während des Sendevorgangs vor einer Beaufschlagung mit zu hohen Spannungen geschützt.
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Weiter bevorzugt kann die elektrische Schaltung einen Messverstärker umfassen, dessen Messabgriff zwischen die Sendeempfangseinheit und den zweiten nichtlinearen Zweipol geschaltet ist. Mit anderen Worten ist der Messverstärker dem zweiten nichtlinearen Zweipol parallel geschaltet. Der Messverstärker kann hierbei unterschiedliche Aufgaben wahrnehmen. Während bzw. nach Beendigung des Sendevorgangs kann der Messverstärker Amplitude und Phasenlage des im zweiten Schwingkreis vorhandenen Signals ermitteln, so dass unter Verwendung dieser Messgrößen eine Gegenansteuerung beispielsweise durch die Pulserzeugungseinheit vorgenommen werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Messverstärker im Kleinsignalbetrieb dafür sorgen, dass an seinem Eingang, also dem gemeinsamen Anschluss von dem zweiten nichtlinearen Zweipol und der Sendeempfangseinheit, virtuelle Masse anliegt. Kleinsignalbetrieb ist beispielsweise dann gegeben, wenn der Messverstärker nicht in der Begrenzung ist, also bei nahezu abgeklungener Anregung oder im Falle des Empfangs eines Echos des Sendesignals. Weiterhin ist es möglich, dass, wenn dafür Sorge getragen wird, dass der Messverstärker, welcher als niederohmiger Stromverstärker konzipiert ist, bei abklingenden Anregepulsen hochohmig wird, auch der zweite Schwingkreis von der Dämpfung durch den Innenwiderstand der Dioden profitiert. Zum Empfang eines Echos muss der Verstärker anschließend wieder aktiviert werden, mit anderen Worten, wieder niederohmig werden. Selbstverständlich kann der Messverstärker zusätzlich für die Verstärkung empfangener Signale vor einer Weiterverarbeitung verwendet werden. Die vorgenannten Aspekte begünstigen eine Dämpfung der Schwingkreise und ermöglichen eine mehrfache positive Verwendung des Messverstärkers.
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Weiter bevorzugt können der erste nichtlineare Zweipol und/oder der zweite nichtlineare Zweipol bei Beaufschlagung mit einer ersten Spannung einen ersten Widerstand aufweisen bzw. annehmen und bei Beaufschlagung mit einer zweiten Spannung einen zweiten Widerstand aufweisen bzw. annehmen. Insbesondere vorteilhaft ist die zweite Spannung höher als die erste Spannung und der erste Widerstand höher als der zweite Widerstand. Mit anderen Worten können die Zweipole aufgrund des vorstehend beschriebenen Verhaltens niedrigen Spannungen eine relativ hohe Dämpfung entgegenbringen, während sie hohen Spannungen bzw. Amplituden eine niedrige Dämpfung entgegenbringen. Im Falle des ersten und des zweiten nichtlinearen Zweipols werden von der Pulserzeugungseinheit stammende Anregungsamplituden somit nur wenig gedämpft, während nach dem Sendevorgang abklingende Membranschwingungen spätestens ab Unterschreiten einer Spannung von ungefähr 0,7 V stark gedämpft bzw. gesperrt werden. Im Falle des zweiten nichtlinearen Zweipols wird zudem der Messverstärker bei Beaufschlagung seines Eingangs vor zu hohen Spannungen geschützt, während abklingende Signale zur Gegentaktansteuerung mittels der Pulserzeugungseinheit im Wesentlichen ohne Beeinträchtigungen analysiert und empfangene Echos ohne Empfindlichkeitsverluste aufgenommen und verstärkt werden können.
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Weiter bevorzugt können der erste und/oder der zweite nichtlineare Zweipol aus jeweils zwei antiparallel zueinander geschalteten Dioden bestehen. Unter "antiparallel" sei im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schaltung verstanden, bei welcher zwei parallel zueinander geschaltete Dioden einander entgegengesetzte Durchlassrichtungen bzw. Orientierungen aufweisen. Auf diese Weise ergeben sich ein einfacher Aufbau und eine stabile und wohlbekannte Funktionsweise beider nichtlinearer Zweipole.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 ein Schaltbild einer elektrischen Schaltung zum Betrieb einer Sendeempfangseinheit nach dem Stand der Technik,
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2 ein weiteres Schaltbild einer elektrischen Schaltung zum Betrieb einer Sendeempfangseinheit mit gekoppelten Schwingkreisen ohne zusätzliche Dämpfung nach dem Stand der Technik,
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3 ein Sonagramm, veranschaulichend einen Spannungsverlauf eines Schwingkreises, wobei eine Schwebung zwischen zwei gekoppelten Schwingkreisen während eines Abklingvorgangs auftritt, und
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4 ein Schaltplan eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Schaltplan einer elektrischen Schaltung für den Betrieb einer Sendeempfangseinheit 1 ohne die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen zur Verhinderung oder Reduzierung von Schwebungen.. Eine Pulserzeugungseinheit 2 ist über einen gegen Masse geschalteten Widerstand R7 mit einem ersten Schwingkreis 3, umfassend eine Induktivität L3 und eine gegen Masse geschaltete Kapazität C4, verbunden. Der erste Schwingkreis 3 ist ausgangsseitig mit einem ebenfalls gegen Masse geschalteten zweiten Widerstand R5 verbunden. Dem zweiten Widerstand R5 ist die Sendeempfangseinheit 1 nachgeschaltet, welche andererseits über einen nichtlinearen Zweipol 5 mit Masse verbunden ist. Zwischen der Sendeempfangseinheit 1 und dem nichtlinearen Zweipol 5 ist ein Messverstärker 6 angeschlossen. Das Ersatzschaltbild der Sendeempfangseinheit 1 ist als Parallelschaltung vierer elektrischer Zweige dargestellt, von welchen ein erster lediglich aus einer Kapazität C2 von 4 µF besteht. Ein zweiter Zweig besteht aus einer ersten Induktivität L1 von 360 mH, einer zu dieser in Reihe geschalteten ersten Kapazität C1 von 40 pF und einer zu dieser in Reihe geschalteten ohmschen Last R1 von 3 kΩ. Der dritte Zweig besteht aus einer zweiten Induktivität L2 von 50 mH, einer zur zweiten Induktivität L2 in Reihe geschalteten dritten Kapazität C3 von 40 pF und einer zur dritten Kapazität C3 in Reihe geschalteten ohmschen Last R2 von 3 kΩ. Der vierte Zweig besteht aus einer vierten Induktivität L4 von 20 mH, einer zur vierten Induktivität L4 in Reihe geschalteten fünften Kapazität C5 von 40 pF und einer zur fünften Kapazität C5 in Reihe geschalteten ohmschen Last R3 von 3 kΩ. Hierbei bilden die Zweige des Ersatzschaltbildes elektrische Wirkungen unterschiedlicher Eigenresonanzfrequenzen der Sendeempfangseinheit 1 ab. Der nichtlineare Zweipol 5 besteht aus einer ersten Diode D1, welche in Richtung Masse Durchlassrichtung aufweist, und einer zweiten, parallel zur ersten Diode D1 geschalteten zweiten Diode D2, welche in Richtung der Sendeempfangseinheit 1 Durchlassrichtung aufweist. Die Dioden können beispielsweise vom Typ 1N4148 sein. Der erste Schwingkreis ist als Serienschwingkreis ausgeführt, umfassend eine einerseits mit seinem Eingang und andererseits mit seinem Ausgang verbundene dritte Induktivität L3 und eine mit dem Ausgang des Schwingkreises und daher ebenfalls mit der dritten Induktivität L3 verbundene gegen Masse geschaltete vierte Kapazität C4. Der ohmsche Widerstand R7 beträgt 100 Ohm, um die im Betrieb auftretende Induktionsspannung zu verringern. Der Widerstand R7 kann beispielsweise 100Ω aufweisen. Der ohmsche Widerstand R5 kann verschiedene Werte annehmen oder auch gänzlich entfallen.
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Das Ersatzschaltbild für die Pulserzeugungseinheit 2 umfasst eine erste Wechselspannungsquelle V1 sowie eine zweite Wechselspannungsquelle V2, eine dritte Wechselspannungsquelle V3 und eine am Ausgang der Pulserzeugungseinheit 2 angeordnete Schalteinrichtung S1. Zudem ist eine Spannungsquelle B1 vorgesehen, welche eine Rechteckspannung oder eine Sinusspannung erzeugt.
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2 zeigt ein zweites Schaltbild einer möglichen Ausgestaltung einer elektrischen Schaltung für den Betrieb einer Sendeempfangseinheit, wieder ohne die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen zur Verhinderung oder Reduzierung von Schwebungen. Gegenüber dem in 1 gezeigten Schaltbild wurden die Elemente der Pulserzeugungseinheit 2 in einer zweiten Spannungsquelle V2 zusammengefasst, welche nicht über einen Schalter, sondern dauerhaft in die Schaltung integriert ist. Eine dauerhafte Integration der Erregerspannung stellt den bei kommerziellen Piezo-Verstärkern üblichen Normalfall dar. Es ergibt sich dann das Problem der Schwebung. Weiter sind als eine zulässige Vereinfachung im Ersatzschaltbild der Sendeempfangseinheit 1 der vierte Zweig, umfassend die vierte Induktivität L, die fünfte Kapazität C5 sowie die dritte ohmsche Last R3 sowie die Widerstände R5 und R7 ausgelassen. 3 zeigt ein Diagramm, in welchem der Strom durch die in 2 gezeigte Induktivität L5 für den Fall dargestellt ist, dass zwischen den zwei Schwingkreisen eine Schwebung auftritt. Hierbei führen unzureichend aufeinander abgestimmte Resonanzfrequenzen des ersten Schwingkreises und des zweiten Schwingkreises bzw. die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Schwingkreise der Sendeempfangseinheit zu unregelmäßig langen Schwebungsbäuchen des Signals.
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4 zeigt einen Schaltplan für ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung für den Betrieb einer Sendeempfangseinheit 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Wesentlichen stimmt die in 4 gezeigte Darstellung mit der in 2 und in Verbindung mit dieser beschriebenen Schaltung überein. Zwischen der Pulserzeugungseinheit 2 und der Induktivität L5 des ersten Schwingkreises 3 ist ein erster nichtlinearer Zweipol 4, umfassend zwei antiparallel zueinander geschaltete Dioden D3, D4, angeordnet. Der erste nichtlineare Zweipol 4 sperrt aufgrund der Dioden D3, D4 unterhalb einer Flussspannung von ungefähr 0,7 V einen Stromfluss in beide Richtungen. Mit anderen Worten kann der erste nichtlineare Zweipol 4 unterhalb von beispielsweise einer Spannung von 0,7 V als "offen" bzw. "Leerlauf" angenähert werden, während er oberhalb von 0,7 V einen nur sehr geringen Widerstand aufweist. Da die Signale der Pulserzeugungseinheit im Falle eines Sendevorgangs deutlich oberhalb von 0,7 V liegen, beeinträchtigt der erste nichtlineare Zweipol 4 somit den Sendevorgang nur unwesentlich. Mit anderen Worten kann die Pulserzeugungseinheit 2 den ersten Schwingkreis 3 über den ersten nichtlinearen Zweipol 4 zum Zwecke der Schallabstrahlung zu Schwingungen anregen, im Ansprechen worauf die an der vierten Kapazität C4 anliegende Wechselspannung die Sendeempfangseinheit 1 mit einem geeigneten Sendesignal beaufschlagt. Im Zusammenwirken mit der vierten Kapazität C4 bildet die Sendeempfangseinheit 1 einen zweiten Schwingkreis, welcher hohe, zur Abstrahlung von Ultraschall geeignete Signale erzeugen kann. Dabei wirkt der zweite nichtlineare Zweipol 5 über die beiden antiparallel geschalteten Dioden D1 und D2 für hohe Signalpegel als Kurzschluss. Hierdurch ist der Messverstärker 6 für weit über 1 V liegende Eingangssignale durch den zweiten nichtlinearen Zweipol 5 geschützt. Ist der Sendevorgang abgeschlossen, gilt es, die Membranschwingungen der Sendeempfangseinheit 1 binnen möglichst kurzer Zeit zu verhindern. Hierzu kann der Messverstärker 6 eingerichtet sein, die Spannungsquelle der Pulserzeugungseinheit 2 so anzusteuern, dass die Schwingungen des ersten Schwingkreises 3 durch gegenphasige Spannungssignale rasch zum Erliegen kommen. Zumindest zu Beginn sind hierbei selbstverständlich hohe Spannungspegel erforderlich, welche vom ersten nichtlinearen Zweipol 4 im Wesentlichen ungehindert durchgelassen werden. Kommt infolge der gegenphasigen Ansteuerung die Schwingung im ersten Schwingkreis 3 zum Erliegen bzw. wird diese stark reduziert, wird auch die über der vierten Kapazität C4 anliegende Wechselspannung rasch gedämpft. Somit kommt auch die Schwingung im zweiten Schwingkreis (bestehend aus Sendeempfangseinheit 1 und der vierten Kapazität C4) zum Erliegen. Der erste nichtlineare Zweipol 4 wirkt für die nun geringen Spannungspegel näherungsweise wie eine Unterbrechung des Schwingkreises bzw. ein Leerlauf, wodurch ein Strom durch die fünfte Spule L5 verhindert wird. In ähnlicher Weise wirkt der zweite nichtlineare Zweipol 5 für den zweiten Schwingkreis als Leerlauf, welcher im Zusammenwirken mit einem nun hochohmigen Eingang des Messverstärkers 6 einem Spannungssignal einen sehr hohen Widerstand entgegensetzt. Auf diese Weise wird eine Schwebung, welche sich durch eine schlechte Abstimmung beider Schwingkreise bzw. unterschiedliche Resonanzfrequenzen beider Schwingkreise ergeben kann, wirksam gedämpft, wodurch zu einem früheren Zeitpunkt verwertbare Empfangssignale aufgenommen werden können. Durch Empfangssignale induzierte Spannungen liegen deutlich unterhalb von 0,7 V, weshalb auch in diesem Fall der erste nichtlineare Zweipol 4 und der zweite nichtlineare Zweipol 5 als Leerläufe betrachtet werden können. Daher kann der Messverstärker 6 an seinem Eingang ein im Wesentlichen ungedämpftes Empfangssignal aufnehmen. Da die Dämpfungswirkung der nichtlinearen Zweipole 4 und 5 von der in ihren jeweiligen Schwingkreisen herrschenden Frequenz im Wesentlichen unabhängig ist, werden unterhalb der Durchlassspannungen liegende Signale aufgrund des mit niedrigen Pegeln dynamisch wachsenden Innenwiderstands der Dioden stark gedämpft. In Simulationen konnte durch den erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau eine um 20% geringere Nachschwingdauer gegenüber einer den erfindungsgemäßen ersten nichtlinearen Zweipol 4 nicht aufweisenden Schaltung nachgewiesen werden. Bei einer erfindungsgemäßen Schaltung ist als Spannungsquelle eine einfache "Push-Pull-Stufe" verwendbar. Dabei sollte die Push Pull Stufe nicht hochohmig werden, da sonst an der Spule L5 in 2 eine hohe Induktionsspannung entstehen könnte, die entweder zur Zerstörung der Push Pull Stufe führt oder eine (unerwünschte) Phasenveränderung der Schwingung im ersten Schwingkreis auslöst.
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Zwar führt der erfindungsgemäß vorgesehene erste nichtlineare Zweipol 4 bei der Anregung des ersten Schwingkreises zur Ansteuerung der Sendeempfangseinheit 1 dazu, dass die Spannung, die zur Ansteuerung zur Verfügung gestellt wird, gegenüber der Erregerspannung an der Spannungsquelle 2 um ca. 0,7 V (entsprechend der Durchlassspannung der Dioden D1, D2, D3 und D4) sinkt. Dies behindert die Ansteuerung jedoch nicht wesentlich, da der Wert der Hochspannung, die erzeugt werden soll, in erster Linie vom Strom durch die Spule L5 abhängt, also mit Hilfe einer geeigneten (niederohmigen) Spule, kompensiert werden kann. Dabei kann der Strom durch die Spule L5 geregelt werden, so dass die Dioden D3, D4 nur Einfluss auf die maximal erzeugbare Hochspannung haben, nicht jedoch auf die im Normalbetrieb beabsichtigte Hochspannung. Auch während der Anfangsphase der Gegenansteuerung nach Abschluss des Sendevorgangs, ergibt sich durch die Dioden keine wesentlich nachteilige Einschränkung bekannter Dämpfungskonzepte. Eine entsprechende Spannung vorausgesetzt, erlauben es die Dioden mit ihrem dynamischen, aber in diesem Fall kleinen Innenwiderstand, den Gegenstrom durch die Spule L5 zu treiben. Dabei kann die Gegensteuerung so ausgelegt werden, dass zuerst der den Ultraschallsensor bzw. die Sendeempfangseinheit 1 umfassende zweite Schwingkreis zur Ruhe kommt, was aufgrund des in diesem Schwingkreis enthaltenen Messverstärkers regelungstechnisch einfacher zu bewerkstelligen ist. Da nach einem vollständigen Abklingen der Schwingung im zweiten Schwingkreis die Schwingung im ersten Schwingkreis 3 zwar erheblich gedämpft, jedoch nicht gänzlich abgeklungen ist, könnte ohne den erfindungsgemäß vorgesehenen ersten nichtlinearen Zweipol 4, die im ersten Schwingkreis 3 verbliebene Energie sozusagen in den zweiten Schwingkreis "überschwappen", wodurch es zur erfindungsgemäß unterdrückten bzw. bekämpften Schwebung kommen könnte. Da jedoch der Strom im Schwingkreis 1 nun ebenfalls keine oberhalb von 0,7 V liegende Spannung am erfindungsgemäß vorgesehenen ersten nichtlinearen Zweipol 4 erzeugen kann, erfolgt nach Abklingen der Schwingung auf Spannungen unterhalb der Durchlassspannung von 0,7 V eine stark erhöhte passive elektrische Dämpfung des ersten Schwingkreises 3 aufgrund des erhöhten Widerstands des ersten nichtlinearen Zweipols 4. Eine nachteilige Auswirkung des erfindungsgemäß vorgesehenen nichtlinearen Zweipols 4 auf den Empfangsvorgang ist ausgeschlossen, da während dieses ohnehin keine Spannungen > 0,7 V erzeugt würden und der Strom des Empfangssignals ausschließlich durch den zweiten Schwingkreis und den darin befindlichen, nun niederohmigen Eingang des Messverstärkers 6 fließt.
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Eine günstige Ansteuerungsmethode für den Messverstärker 6 besteht darin, während des Empfangssignals den Messverstärker 6 mit einem niederohmigen Eingang zu versehen. Auf diese Weise fließt ein durch das Empfangssignal induzierter Strom aus der Sendeempfangseinheit 1 sozusagen in eine virtuelle Masse, welche der Messverstärker 6 bereitstellt. Wird dafür Sorge getragen, dass der Messverstärker 6 bei abklingenden Anregungspulsen einen hochohmigen Eingang aufweist, kann die oben beschriebene Dämpfung des zweiten Schwingkreises aufgrund des zweiten nichtlinearen Zweipols 5 (bestehend aus den Dioden D1 und D2) zur Dämpfung des zweiten Schwingkreises verwendet werden. Um ein Empfangssignal wie vorgesehen aufnehmen, verstärken und auswerten zu können, muss der Eingang des Messverstärkers 6 nach erfolgtem Abklingvorgang wieder aktiviert bzw. niederohmig geschaltet werden, um den Stromfluss zu ermöglichen. Weiter bevorzugt kann der erste nichtlineare Zweipol 4 und/oder zweite nichtlineare Zweipol 5 gemäß dem Stand der Technik.
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Es ist ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, Schwebungen zwischen einem ersten und einem zweiten Schwingkreis in einer Schaltung für den Betrieb einer Sendeempfangseinheit während des Abklingvorgangs nach einer Anregung der Sendeempfangseinheit dadurch zu unterdrücken, dass ein erster nichtlinearer Zweipol, insbesondere umfassend zwei antiparallel geschaltete Dioden, zwischen einer Pulserzeugungseinheit und einem ersten Schwingkreis vorgesehen wird, wobei der erste nichtlineare Zweipol unterhalb einer bestimmten Spannung eine hohe Dämpfung der Schwingung bewirkt. Auch im zweiten Schwingkreis kann ein zweiter nichtlinearer Zweipol mit entsprechenden Eigenschaften vorgesehen werden. Die Gegenansteuerung des erste Schwingkreises durch die Pulserzeugungseinheit kann von einem im zweiten Schwingkreis vorgesehenen Messverstärker derart gesteuert werden, dass zunächst die Schwingung des zweiten Schwingkreises zum Erliegen kommt, wobei die nun ohnehin geringen Amplituden der Schwingungen des ersten Schwingkreises aufgrund des ersten nichtlinearen Zweipols erheblich stärker als gemäß dem Stand der Technik gedämpft und Schwebungen zwischen dem ersten Schwingkreis und dem zweiten Schwingkreis somit verhindert werden.
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Mit anderen Worten ist ein Kerngedanke der Erfindung, dass mit den antiparallel geschalteten Dioden im ersten Schwingkreis die zwei Schwingkreise im Kleinsignalbetrieb entkoppelt werden, so dass keine Schwebung zwischen ihnen auftritt obwohl sie noch nicht komplett gedämpft sind, Dies unterstützt die aktive Dämpfung, indem diese nur im Großsignalbetrieb stattfinden muss, Die (theoretisch) nie abklingende, idealisiert einer e-Funktion folgenden Schwingung der Schwingkreise wird im sich anschließenden Kleinsignalbetrieb passiv über den Innenwiderstand der Dioden gedämpft.
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Auch wenn erfindungsgemäße Aspekte und Merkmale der diskutierten Ausführungsbeispiele vorstehend im Detail beschrieben worden sind, sind Modifikationen, Kombinationen und Auslassungen einzelner Merkmale für den Fachmann als zum Bereich der vorliegenden Erfindung erkennbar, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
