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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umfeldsensorik, wie sie beispielsweise zur Realisierung von Parkassistenzsystemen in Fahrzeugen Verwendung finden könnte. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verbesserungen einer Vorrichtung, bei welcher eine Verstärkung einer Empfangsverstärkereinrichtung zur Anpassung an eine Echosignalstärke umgeschaltet werden kann.
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Bei der akustischen Umfeldüberwachung nimmt die Signalstärke eines Echos eines Umgebungsobjektes mit zunehmendem Objektabstand sowie mit abnehmender Reflektionsfläche ab. Bei der Ultraschall-basierten Umfelddetektion (ca. 48 kHz) ist beispielsweise die Stärke eines Echos eines Objektes im Abstand von 8 cm ca. 10.000-fach lauter als die Stärke des gleichen Objektes im Abstand von 800 cm. Mittels laufzeitabhängiger Verstärkung kann dieser Effekt ausgeglichen werden. Dabei werden mit geringer Amplitude erwartete Echos stärker verstärkt, als mit hoher Amplitude erwartete Echos. Neben der kontinuierlichen Verstärkungsanpassung sind auch Verfahren bekannt, die durch Umschalten zu einem vorgegebenen Zeitpunkt innerhalb eines Messzyklus' die Verstärkung sprunghaft ändern. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in
WO 02/16958 A2 beschrieben. Dabei können reale Analogschalter nicht unendlich schnell zwischen einer ersten Verstärkung und einer zweiten Verstärkung bzw. zwischen einem ersten Verstärker und einem zweiten Verstärker umschalten. Sprunghaften Änderungen des Signals an den Eingängen der Verstärker können die Verstärker aufgrund ihrer begrenzten Bandbreite zumeist nicht fehlerfrei folgen. Reale Schaltungsaufbauten besitzen zumindest aufgrund von Leitungskapazitäten Tiefpasscharakteristik, was eine sprunghafte Signaländerung verhindert. Entsprechendes gilt für in Reihe geschaltete Trennkondensatoren, wie sie z.B. am Eingang eines Verstärkers zur galvanischen Trennung Verwendung finden. Moderne Signalauswerteverfahren, insbesondere solche, die frequenz- oder phasensensitiv sind, erzeugen Detektionsfehler, wenn sie Signale erhalten, die infolge in herkömmlicher Weise durchgeführter Verstärkungsumschaltungen verfälscht wurden.
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DE 10 2008 054 789 A1 beschreibt ein System zur ultraschallbasierten Umfelderkennung mit einer laufzeitabhängigen Verstärkung durch einen stufenförmigen Anstieg der Verstärkung von V0 zu Vmax, wobei die jeweils folgende Verstärkung größer ist als die vorangehende Verstärkung.
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US 4,070,632 offenbart einen verbesserten Schaltkreis zur Limitierung einer Ausgabe eines Audioverstärkers, bei welchem zur Vermeidung von Artefakten bei der Verstärkungsumschaltung ein Operationsverstärker und ein Flip-Flop-Schaltkreis zur Nulldurchgangsschaltung verwendet wird.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verfälschungen durch Verstärkungsumschaltungen beeinflusster Signale zu verringern bzw. zu verhindern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine Vorrichtung zur Umfeldsensorik vor, um die vorstehend genannte Aufgabe zu lösen. Hierzu weist die Vorrichtung einen Wandler zum Wandeln von Umgebungsechos in elektrische Empfangssignale auf. Der Wandler ist als Ultraschallwandler ausgestaltet. Insbesondere können solche Wandler im Bereich eines Stoßfängers eines Kraftfahrzeuges dazu verwendet werden, einerseits Signale in die Umgebung des Fahrzeugs abzustrahlen, andererseits aus der Umgebung reflektierte Echos in elektrische Empfangssignale zu wandeln. Die empfangenen Signale werden einer Empfangsverstärkereinrichtung zum Verstärken eines Empfangssignals zugeführt. Zur Anpassung an die stark unterschiedlichen Signalamplituden empfangener Signale weist die Empfangsverstärkereinrichtung die Funktion einer umschaltbaren Verstärkung auf. Hierzu ist weiter eine Steuereinheit vorgesehen, mittels welcher die Empfangsverstärkereinrichtung eingerichtet ist, Empfangssignale zunächst mit einer ersten Verstärkung zu verstärken. Diese Verstärkung kann beispielsweise verwendet werden, um bereits während des Sendevorgangs empfangene hohe Amplituden gering zu verstärken bzw. zu bedämpfen, um sie einer nachfolgenden Auswerteeinheit zum Zwecke der Wandlerprüfung zuzuführen. Weiter ist die Steuereinheit eingerichtet, nach dem Eintreten einer ersten vordefinierten Bedingung dafür zu sorgen, dass die Empfangssignale mit zumindest einer zweiten Verstärkung verstärkt werden. Diese zweite Verstärkung kann dabei insbesondere für den Empfang von Umgebungsechos angepasst sein. Mit anderen Worten werden die deutlich geringeren Amplituden aus der Umgebung empfangener Echos stärker verstärkt, um eine nachfolgende Auswerteeinheit, insbesondere einen nachfolgenden A/D-Wandler, in geeigneter Weise auszusteuern. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit eingerichtet, im Ansprechen auf ein Eintreten der vordefinierten ersten Bedingung eine Verwendung der zweiten Verstärkung zu verzögern, bis das Empfangssignal einen vordefinierten Schwellwert unterschreitet. Die erste Bedingung kann beispielsweise der Ablauf einer vordefinierten Zeit seit Beginn eines Messzyklus' sein. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Bedingung auch ein Unterschreiten eines vordefinierten Pegels durch die Hüllkurve des Empfangssignals sein. Allgemein gesagt, kann die erste Bedingung als Erfordernis betrachtet werden, zur Sicherstellung eines idealen Betriebes der Vorrichtung von der ersten Verstärkung auf die zweite Verstärkung zu wechseln. Erfindungsgemäß wird im Ansprechen auf diese Notwendigkeit die zweite Verstärkung so lange nicht angewendet bzw. weiterhin mit der ersten Verstärkung gearbeitet, bis das Empfangssignal einen zum Umschalten der Verstärkung geeigneten Zustand erreicht hat. Beispielsweise kann ein Momentanwert der Amplitude des Empfangssignals von der Steuereinheit untersucht werden, bis dies der Fall ist. Im Ansprechen auf das Erreichen eines geeigneten Schwellwertes erfolgt die Umschaltung von der ersten Verstärkung auf die zweite Verstärkung. Erfindungsgemäß können somit signalgrößenbedingte Probleme bei der Umschaltung der Empfangsverstärkungscharakteristik verhindert werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Weiter bevorzugt kann der vordefinierte Schwellwert eine Signalspannung und/oder ein Signalstrom sein. Beide Größen lassen sich einerseits einfach abspeichern und somit als entsprechende Schwellwerte vorhalten, andererseits lassen sie sich einfach messen und mit den gespeicherten Schwellwerten vergleichen. Auf diese Weise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung günstig in Herstellung und Betrieb.
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Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung einen Schwellwertschalter. Mittels des Schwellwertschalters kann die Steuereinheit die Umschaltung zwischen der ersten und der zweiten Verstärkung verzögern, bis das Ausgangssignal des Schwellwertschalters einen vordefinierten Wert annimmt. Dazu analysiert der Schwellwertschalter den Wert seines Eingangssignals bezüglich eines Schwellwertes und gibt ein vom Analyseergebnis abhängiges Ausgangssignal aus. Wie oben ausgeführt, kann der Schwellwert beispielsweise eine vordefinierter Momentanspannungswert oder Momentanstrom des Empfangssignals oder ein entsprechendes Ausgangssignal der Empfangsverstärkereinrichtung sein. Auf diese Weise lässt sich eine Überprüfung der Charakteristik des Empfangssignals zuverlässig und kostengünstig bewerkstelligen.
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Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit eingerichtet, die Verzögerung bis zur Verwendung der zweiten Verstärkung unter Verwendung des Ausgangssignals eines Differenziergliedes zu bestimmen. Das Differenzierglied kann dabei beispielsweise zur Ermittlung von Wendepunkten im Empfangssignal verwendet werden. Insbesondere in Kombination mit einem Differenzierglied kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. deren Steuereinheit auch zeitverzögernde Glieder beinhalten. Für den Fall, dass die Umschalter zur Umschaltung der Verstärkung nicht vernachlässigbare Ansprechzeiten aufweisen, müssen diese den Umschaltbefehl bereits erhalten, bevor das Signal einen geeigneten Wert erreicht hat. Insbesondere bei schmalbandigen Signalen lässt sich dies elegant durch Differenzieren des Empfangssignals erreichen. Wird in der Steuereinheit das eingehende Signal differenziert, kann der Schaltzeitpunkt leicht aus den Wendepunkten des eingehenden Signals bestimmt werden. Zusammen mit zeitverzögernden Gliedern wird so ein Schaltbefehl für die Umschaltung zwischen der ersten Verstärkung mit nicht vernachlässigbarer Ansprechzeit rechtzeitig vor dem gewünschten Umschaltzeitpunkt generiert.
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Selbstverständlich ist eine Kombination der vorstehenden Kriterien bzw. Verfahrensweisen zur Untersuchung des Empfangssignals denkbar. Beispielsweise kann mittels eines RC-Gliedes eine gewisse Signalverzögerung erreicht werden, so dass ein verwendeter Schwellwertschalter das verzögerte Signal auswertet.
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Weiter bevorzugt kann die Vorrichtung einen Signalgenerator umfassen, der zum generieren eines das Umgebungsecho provozierenden Wandlersignals eingerichtet ist. Das Wandlersignal kann dabei insbesondere als Ultraschallsignal durch einen Ultraschallwandler erzeugt werden. Solche Wandler sind als Massenprodukt kostengünstig herstellbar und millionenfach erprobt.
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Weiter bevorzugt weist die Empfangsverstärkereinrichtung einen ersten Verstärker und einen zweiten Verstärker auf. Dabei ist die Vorrichtung zur Realisierung der ersten Verstärkung ohne Verwendung des ersten Verstärkers eingerichtet. Zusätzlich ist die Vorrichtung zur Realisierung der zweiten Verstärkung unter Verwendung des ersten Verstärkers eingerichtet. Mit anderen Worten wird das Ausgangssignal eines der Verstärker bei der Realisierung der ersten Verstärkung nicht verwendet, während zur Realisierung der zweiten Verstärkung mindestens ein weiterer Verstärker Verwendung findet. Beispielsweise können zur Realisierung der zweiten Verstärkung auch zwei in Reihe geschaltete Verstärker verwendet werden. Auf diese Weise kann mittels weniger Verstärker ein hoher Dynamikbereich der Empfangsverstärkereinrichtung realisiert werden.
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Weiter bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Schalteinheit auf, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, mittels der Schalteinheit den Ausgang des zweiten Verstärkers anstatt des Ausgangs des ersten Verstärkers zur Realisierung der zweiten Verstärkung einer nachfolgenden Auswerteeinheit zuzuführen. Dabei können beide Verstärker parallel betrieben und lediglich die Ausgänge beider Verstärker entsprechend beispielsweise ihres Ausgangspegels ausgewertet werden. Auf diese Weise müssen die Verstärker selbst nicht ein- und ausgeschaltet werden. Ein Einschwingvorgang beim Einschalten eines Verstärkers entfällt daher vorteilhafterweise. Als Schalteinheit kommt hierbei beispielsweise ein Transistor, insbesondere ein Bipolar- oder MOSFE-Transistor in Frage.
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Weiter vorteilhaft ist die Steuereinheit eingerichtet, die Umschaltung zwischen der ersten Verstärkung und der zweiten Verstärkung zu einem Zeitpunkt durchzuführen, an welchem am Ausgang des ersten Verstärkers derselbe Wert wie am Ausgang des zweiten Verstärkers anliegt. Dies kann beispielsweise der Nulldurchgang eines als Sinussignal ausgestalteten Empfangssignals sein. Im Falle anderer Signalformen kann jedoch auch ein anderer Zeitpunkt (wiederholtermaßen) identische Signalpegel am Ausgang des ersten Verstärkers bzw. des zweiten Verstärkers aufweisen. Die vorstehend genannte Situation ist insbesondere geeignet, eine Umschaltung ohne Artefakte durchführen zu können, welche eine nachfolgende Auswertung des Empfangssignals stören bzw. verfälschen könnten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 ein schematisches Schaubild über Komponenten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt ein Schaltbild 1 eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein akustisches Signal SAK aus der Umgebung, beispielsweise ein Echo das die Reflektion eines von einem akustischen Signal angestrahlten Objekts ist, trifft auf einen Ultraschallwandler 2 als Wandler. Das akustische Messsignal kann dabei entweder von einem anderen Wandler oder von dem Ultraschallwandler 2 selbst ausgestrahlt worden sein. Dabei ist der Ultraschallwandler 2 zum Aussenden akustischer Signale mit einem Signalgenerator 5 verbunden. Zusätzlich ist der Ultraschallwandler 2 mit einer Empfangsverstärkereinrichtung 3 verbunden, welche eine Parallelschaltung eines ersten Verstärkers 30 mit einer ersten Verstärkung und eines zweiten Verstärkers 31 mit einer zweiten Verstärkung umfasst. Am Ausgang des ersten Verstärkers 30 ist ein Messabgriff 42 einer Steuereinheit 4 angeschlossen, mittels welchem ein Schwellwertschalter 40 und ein Differenzierglied 41 eine zum Ausgang des ersten Verstärkers 30 korrespondierende Eingangsgröße erhalten. Zusätzlich erhält die Steuereinheit 4 ein Zeitsignal ts, anhand dessen sie das Eintreten der ersten vordefinierten Bedingung ermitteln kann. Hierzu wird ein Ablauf einer vordefinierten Zeitdauer seit dem Beginn eines aktuellen Messzyklus' erkannt. Im Ansprechen auf ein Erkennen des Ablaufs der vordefinierten Zeitdauer kann die Steuereinheit 4 aufgrund der Ausgangssignale SD des Differenziergliedes 41 bzw. des Ausgangssignals Ss des Schwellwertschalters 40 eine Verzögerung ts_korr ermitteln und dafür sorgen, dass eine am Ausgang der Empfangsverstärkereinrichtung 3 angeordnete Schalteinheit 6 entsprechend angesteuert wird. Dazu kann die Steuereinheit 4 entweder das entsprechend ts_korr verzögerte Schaltsignal an die Schalteinheit 6 ausgeben. Alternativ oder zusätzlich kann die Schalteinheit 6 das die Verzögerung ts_korr repräsentierende Verzögerungssignal erhalten und selbständig den Schaltzeitpunkt zur Umschaltung zwischen einem Ausgang des ersten Verstärkers 30 und einem Ausgang des zweiten Verstärkers 31 errechnen. Eine Kombinationseinheit 44 kombiniert dazu das Ausgangssignal der die Signaleigenschaften bestimmenden Einheit mit dem Zeitsignal ts. Optional kann sie auch den Schwellwert des Schwellwertschalters 40 vorgeben. Das Ausgangssignal der Schalteinheit 6 ist mit einer (nicht dargestellten) Auswerteeinheit 7 verbunden, welche beispielsweise eine Analog-Digital (A/D)-Wandlung durchführen kann. Mittels der vorliegenden Erfindung kann der D/A-Wandler der Auswerteeinheit 7 stets adäquat und ohne Umschaltartefakte ausgesteuert werden. Alternativ kann die (nicht dargestellte) Auswerteeinheit 7 eine weitere Verstärkerstufe umfassen.
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Die gezeigte Verwendung eines differenzierenden Gliedes steht nur beispielhaft für Verfahren zur zeitlichen Verzögerung bzw. Aufbereitung der Signaleigenschaften. Ist das auszuwertende Signal ein schmalbandiges Wechselspannungssignal, weist das Ausgangssignal des differenzierenden Gliedes stets dann einen Nulldurchgang auf, wenn das auszuwertende Signal ein Maximum erreicht hat. Dieser Nulldurchgang kann mit einem beispielsweise nachgeschalteten Schwellwertschalter 40 leicht detektiert werden. Bei schmalbandigen Signalen ist der Zeitpunkt zwischen ihrem Maximum und dem anschließenden Nulldurchgang mit hoher Genauigkeit bekannt, wodurch der Zeitpunkt zum Ansteuern von der Schalteinheit 6 aus dem Signal genau bestimmt werden kann.
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Alternativ kann die Schalteinheit 4 kann jedoch selbst eine digitale Signalverarbeitung enthalten, wie sie beispielsweise mittels eines preiswerten Mikrocontrollers realisiert werden kann. Beispielsweise kann mittels eines Analog-Digitalwandlers im Mikrocontroller das auszuwertende Signal zum Beispiel bezüglich Signalfrequenz, Phasenlage und/oder Signalstärke analysiert werden und der Zeitpunkt zum Umschalten der Schalteinheit 6 ausschließlich aus dem zu analysierenden Signal heraus bestimmt werden oder aber aus dem Zeitsignal der Zeitpunkt zum Umschalten der Schalteinheit 6 durch Kombination mit dem Zeitsignal ts bestimmt werden.
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Alternativ zur dargestellten Lösung kann der Abgriff 42 auch hinter der Schalteinheit 6 oder aber hinter dem Verstärkerausgang von Verstärker 31 oder aber am Eingang der Verstärker 30, 31 liegen.
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In einer weiteren Ausprägung kann die Steuereinheit 4 auch mit mehreren Eingängen zu Signalanalyse ausgestattet sein, beispielsweise mit einem weiteren Abgriff, der zusätzlich zum Abgriff 42 das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 31 analysiert. Eine solche etwas aufwändigere Architektur kann Unterschiede der Verstärkereinheiten, die beispielsweise temperaturabhängig bzw. exemplarabhängig variieren, erkennen und bei der Bestimmung des Umschaltpunktes der Steuereinheit 6 berücksichtigen.
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Dem Fachmann ist bekannt, dass der Begriff „Verstärkung“ auch den Verstärkungswert 1 umfasst, was praktisch das Signal unverändert lässt. Dem Fachmann ist weiterhin bekannt, dass neben der gezeigten Parallelschaltung auch dadurch unterschiedliche Verstärkungen erreicht werden können, dass wahlweise nur ein Verstärker oder zwei in Reihe geschaltete Verstärker verwendet werden.
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Auch wenn die Erfindung sowie beispielhafte Merkmalskombinationen anhand der beigefügten Zeichnung im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen der offenbarten Merkmale möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
