DE1118823B - Schaltung zur Unterdrueckung von Sekundaer-UEberschwingungen bei mehrstufigen Impulsverstaerkern mit grossem dynamischen Bereich - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verstärker mit einem großen dynamischen Bereich, wie sie besonders bei Ultraschall-Impulsreflexionsgeräten zur zerstörungsfreien Materialprüfung Verwendung finden und wobei es erforderlich ist, Impulsfolgen zu verstärken. Einige dieser Impulse können eine um mehrere Größenordnungen höhere Spitzenspannung als die anderen haben und verursachen dadurch bei der Verstärkung Uberschwingungen, welche die Funktion des Verstärkers beeinträchtigen.

Die Entstehung von Überschwingungen bei bekannten Verstärkerschaltungen soll nun an Hand der Zeichnungen erläutert werden, aus denen ferner die erfindungsgemäßen Schaltungen zur Unterdrückung der Uberschwingungen zu entnehmen sind. In

Fig. 1 a ist als Beispiel eine typische Impulsfolge dargestellt, wie sie mittels eines Impulsreflexionsgerätes gewonnen werden kann; in

Fig. Ib bis If wird die Entstehung von Überschwingungen in den einzelnen Verstärkerstufen aufgezeigt;

Fig. 2 zeigt die übliche Schaltung zur Unterdrückung von Überschwingungen,

Fig. 3 eine Schaltung zur Unterdrückung der Sekundär-Überschwingungen gemäß der Erfindung unter Verwendung einer Diode mit einem Trennkondensator und

Fig. 4 eine Alternative der Schaltung zur Unterdrückung der Sekundär-Überschwingungen gemäß der Erfindung ohne Trennkondensator, jedoch in Verbindung mit einem Spannungsteiler.

Die mittels eines üblichen Ultraschall-Impulsreflexgerätes gewonnenen Signale sind in Fig. 1 a dargestellt. Mit V ist hier der z. B. durch einen elektroakustischen Wandler ausgesandte Impuls bezeichnet. Die Impulse I, II und III stellen Signale dar, welche aus den im Prüfling reflektierten Impulsen gewonnen werden. Die Signale V haben üblicherweise einen Wert von 10² bis 10³ V_ss, während die unmittelbar folgenden Signale I, II und III bloß einen Wert von ΙΟ"⁴ bis ΙΟ"² V_ss aufweisen. Das Symbol V bedeutet dabei die Spannung von Signalspitze zu Signalspitze, was bei einem Signal, welches oberhalb und unterhalb der Nullinie verläuft, also positive und negative Halbwellen aufweist, bedeutet, daß man die Summe des maximalen positiven und des maximalen negativen Signalspannungswertes angibt. Diese Definition ist in der einschlägigen Fachliteratur gebräuchlich. Die Signale V sind also um mindestens vier Größenordnungen größer als die Signalei, II und III. Um die letzteren Signale zur Anzeige zu bringen, ist also eine mehrstufige Verstärkung erforderlich. In der Schaltung zur Unterdrückung

von Sekundär-Überschwingungen

bei mehrstufigen Impulsverstärkern

mit großem dynamischen Bereich

Anmelder:

Chirana Praha närodni podnik
und Jaroslav Obraz, Prag

Vertreter: Dipl.-Ing. A. Spreer, Patentanwalt,
Göttingen, Groner Str. 37

Beanspruchte Priorität:
Tschechoslowakei vom 26. Oktober 1956 (Nr. PV 3148-56)

Jaroslav Obraz, Prag,
ist als Erfinder genannt worden

ersten Verstärkerstufe werden die Signale V begrenzt und gleichgerichtet, wodurch, wie in Fig. Ib dargestellt ist, eine rechteckige Umhüllungskurve des das Signal bildenden Schwingungszuges entsteht. Nach Durchlaufen eines ÄC-Kopplungsgliedes zwischen der ersten und zweiten Verstärkerstufe entsteht eine Überschwingung P entgegengesetzter Polarität, welche primäre Überschwingung genannt wird. Diesen Vorgang zeigt die Fig. 1 c, wo der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber die anderen Signale I, II und III nicht eingezeichnet sind. Mit ÄC-Kopplungsglied wird eine übliche Kondensator-Widerstands-Kombination bezeichnet.

Beim Durchlaufen zweier Stufen, d. h. beim Durchlaufen zweier i?C-Kopplungsglieder entsteht die in Fig. Id dargestellte Überschwingung. Hierbei ist ein mit P₁ bezeichneter Teil der Überschwingung ent-

gegengesetzter Polarität als das eigentliche Signal V und der mit F₂ bezeichnete Teil der Überschwingung, welcher als sekundäre Überschwingung bezeichnet wird, von gleicher Polarität wie das Signal V.

Demnach hat die Überschwingung bei zweistufiger Verstärkung einen Nulldurchgang im Unendlichen, bei dreistufiger Verstärkung zwei Nulldurchgänge usw., wie in Fig. 1 e dargestellt ist.

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Es ist nun verständlich, daß, im Falle keine Maß- schwingung entsteht, kann die schädliche sekundäre

nahinen ^r Unterdriickung des Überschwingens ge- Überschwingung am Ausgang praktisch unterdruckt

treffen wurden während der Dauer der negativen werden, und ein Verstarker welcher im Sinne der

überTchwSSg P die folgende Verstärkerstufe Erfindung entworfen ist weist die vorher beschne-SSert S?^Sso daß Signal kleinerer. Amplituden. 5 benen Nachteile nicht mehr auf

während Teser Zeitperiode nicht mehr verstärkt In Fig. Ic ist durch eine unterbrochene Linie an-

wanrenaaiesci ^ _v gedeutet, wie sich die Zuschaltung einer derartigen

^WeEs^ensind^nIbereits einige Maßnahmen zur Unter- Diode zum Eingang des zweiten Kopplungsgliedes

a ■"XnZ alÜberschwingens bekannt. Beispiels- auswirkt. Infolge der nichtlinearen Diodencharakte-

druckung des yteßchwingens ^ _ÄC.Kopp. _{10 rist}ik bleibt von der Überschwingung P nur ein be-

SS^SS^_g°scnaSe üTode D₁, weichet stimmter, größenordnungsmäßig kleinerer Rest Z

<* =5^{des dri}r

dem KopXngsglied entsteht, zu welchem sie par- Kopplungsgliedes, wo die überschwmgungen schon el ^schaltet ist Die Anwendung einer derartig ge- 15 größenordnungsmaßig wesentlich höhere AmphtudenlSen Sde in den Anfangsstufen eines Ver- werte aufweisen als am Eingang der vorhergehenden e? ζ B E ist nicht empfehlenswert, da hier Kopplungsglieder und somit die Dioden wirksamer Wert der Überschwingung sehr klein ist und eine werden, zugeschaltet werden (durch eine unter-Dkide mfolge ihrer nichtlinearen Charakteristik brochene Linie Z₁ m Fig. 1 d angedeutet), wird zwar £ fügend goßen Signalwerten in der Durch- so die Überschwingung P₁ teilweise unterdruckt aber es fiefnen sehr geringen Widerstand aufweist. entsteht eine sekundäre Überschwingung P₂. Ent-StaSÄ wirksam sein, so ist sie sprechend dem Grundgedanken der Erfindung werden erTnach der zweiten Verstärkerstufe E₁ die Zeitkonstanten der Kopplungsgheder in der ersten so w?in Fig 2 angedeutet ist, wo der und zweiten Verstärkerstufe so groß gewählt, daß der der mersciwingung⁸^ schon genügend *₅ Amplitudenwert der Überschwingung P möglichst itnHpnwerte aufweist klein und seine Dauer größer als die Dauer des

lSrSiiTdea vorhergehenden eigentlichen SignalsV ist. Demgegenüber wird die Sedern Überschwingungen, kann die Zeitkonstante des Kopplungsgliedes der dritten Verfn der angegebenen Schaltung nicht ver- stärkerstufe größenordnungsmaßig keiner gewählt, J^JnΛ» während der Dauer der Über- 30 wobei durch die schon vorher beschriebene Dioden-Sr KoÄor C₁ auf einen hohen schaltung nicht nur der Rest der Überschwingung P₁ *^aufgeladen wird! Die Diode D₁ ist beseitigt, sondern auch die Überschwingung P₂, lSSTdSl nur während emer welche in bezug auf das Signal V einen größenorduSsawmSSenSegengesetzter Polarität als die nungsmäßig viel kleineren Wert besitzt, unterdrückt Λρ* Simals V Strom führt. Der aufgeladene Konden- 35 wird. _

£or(f entladt sS wiederum mit einem Strom um- Es ist klar, daß diese Maßnahme nicht nur fur die

gekehrter Sari E, welcher eine starke sekundäre Diodenschaltung in der zweiten oder dritten VerstarübeTschwingungP₂ verursacht. Diese überschwin- kerstufe gut, sondern auch fur jede wertere. Dabei STSden folgenden Stufen nicht mehr be- muß man jedoch die Zeitkonstanten aller vorher-Si weXi Es werden im Gegenteil derartige 40 gehenden Verstärkerstufen berücksichtigen, damit die übSchwingungen noch weiter verstärkt, und so ent- Zeitkonstante dieser letzten Stufe mindestens um eine

*??tÄSSr^alVerlaUf'^{Wie er} ^ ^denFig·^{le G}f ^TÄcn^wiesen werden, daß eine Sekundär! Überschwingungen verursachen eine durch ein Kopplungsglied verursachte Überschwinfehlerhafte Anzeige, hauptsächlich aber verhindern 45 gung durch das Kopplungsglied einer folgenden Ver-SeAnSL *ϊ schwachen Signalen, wie z. B. I, Π stärkerstufe abgeschwächt werden kann wobei jedoch ^H TTT in den Fi₂ la und Ib, welche unmittelbar das letztere eine größenordnungsmaßig kleinere Zeitnach dem Signal V auftreten. Dieser Nachteil äußert konstante haben muß. Die Unterdrückung der Über-Sh praktisch dadurch, daß beispielsweise mit den schwingung erfolgt dann im Verhältnis der ZeitkonüMirTien IniDulsrefiexionsgeräten keine Fehler in der 50 stanten. _T, , _n. , Näht der Vorderwand des Prüflings aufgefunden Die kleine Zeitkonstante eines Kopplungsgliedes, werden können Aus diesem Grunde können auch dem zum Eingang entsprechend des Erfindungsgegenmit Ültraschall-Dickenmessern keine schwachen Standes eine Diode D parallel geschaltet ist, bewirkt Wandstärken gemessen werden. eine überschwingun_g> großer Amphtade aber sehr rarErfindung löst dieses Problem mittels ein- 55 kurzer Dauer. Hierbei handelt es sich allerdings um fächer Schaltungen, welche die sekundären Über- eine primäre Überschwingung, welche ohne Gefahr scSgungen zu unterdrücken gestatten. Der Grund- des Entstehens einer sekundären durch eine Diode be-SS IeT Erfindung ist die Verwendung einer grenzt werden kann, wenn die DiodeD, an Stelle des Diode welche die primäre Überschwingung am Ein- Gitterableitwiderstandes der nachfolgenden Rohre sane eines Kopplungsgliedes der zweiten oder einer 60 eingeschaltet wird, wie Fig. 2 zeigt. Entsteht übrigens fiteren Verstärkerstufe kurzschließt, wobei aller- eine kurzseitige primäre Überschwmgung in der Enddmgs das genannte Kopplungsglied eine mindestens stufe, kann diese beispielsweise bei Anwendung einer um eine Größenordnung kleinere Zeitkonstante hat, oszillographischen Auswertungsmethode zur Erleich-Tdas vorhersehende Glied haben muß. Durch diese terung der Bestimmung des ausgesandten Signals beMaßnahme d h. durch eine geeignete Wahl der Zeit- 6₅ nutzt werden und ist somit nicht als Nachteil zu bekonstanten'der einzelnen Kopplungsglieder und der werten.

ZuStSg einer Diode zum Eingang des Kopp- In einem entsprechend der Erfindung mit einer

i welchem nur eine primäre Über- Diode D versehenen Kopplungsglied entsteht keine

neue sekundäre Überschwingung, und eventuelle, in vorhergehenden Kopplungsgliedern entstandene Überschwingungen sekundärer Art werden unterdrückt.

Zwei gemäß dem Erfindungsgegenstand ausgeführte Alternativen der Schaltung sind schematisch in den Fig. 3 und 4 der Zeichnungen dargestellt.

Fig. 3 zeigt zwei aufeinanderfolgende Verstärkerstufen E₀ und E₁, welche durch ein ÄC-Glied R₀ C₀ gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist dem Eingang des zweiten Kopplungsgliedes, welches aus einem Kondensator C₁ und einem Widerstand R₁ besteht, eine weitere Anordnung, bestehend aus einem Trennkondensator C₂ und einer Diode D, vorgeschaltet. Weil die Diode D die Überschwingung am Eingang des Kopplungsgliedes (d. h. im Punkt *) kurzschließt, kann an seinem Ausgang (d. h. im Punkt y) praktisch keine sekundäre Überschwingung entstehen. Die Kapazität des Kondensators C₂ kann entsprechend der Dauer der Überschwingung ohne Rücksicht auf die Kapazität des Kondensators C₁ gewählt werden. Die Kapazität des Kondensators C₁ ist, wie schon erwähnt wurde, durch das notwendige Zeitkonstantenverhältnis R₁C₁ZR₀C₀ <^ 1 größenordnungsmäßig festgelegt.

Der Wert des Anodenwiderstandes R_a ist bei Impulsverstärkern immer vernachlässigbar klein gegenüber dem Wert des Sperrwiderstandes der Diode D. Deshalb ist die Spitzenspannung der durch die Anordnung C₂, D im Punkt* verursachten sekundären Überschwingung gegenüber der Signalspannung vernachlässigbar. Nach Unterdrückung der Überschwingung am Eingang des Kopplungsgliedes tritt an seinem Ausgang im Punkt y nur eine primäre Überschwingung in Erscheinung, welche beispielsweise durch eine zum Widerstand .R₁ parallel geschaltete Diode D₁ ohne Gefahr des Entstehens einer sekundären Überschwingung beseitigt werden kann.

In einigen Fällen ist es empfehlenswert, den Sperrwiderstand der Diode D durch Parallelschaltung eines Widerstandes in der Größenordnung des Anoden-Widerstandes R_a herabzusetzen.

Der Trennkondensator C₂ kann in Fortfall kommen, wodurch eine durch ihn verursachte, sehr geringe sekundäre Überschwingung im Punkt* beseitigt wird. Diese Alternative ist in Fig. 4 dargestellt. Hierbei wird die Diode D an einen Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R₂ und R₃, in einem Punkt gleichen Potentials Z angeschlossen, d. h., die Diode wird so angeschlossen, daß sie keinen Ruhestrom führt.

Die beiden angegebenen Alternativen nach den Fig. 3 und 4 für Verstärker mit großem dynamischen Bereich dienen nur zur Erklärung der Anwendung des Erfindungsgegenstandes, dessen Kennzeichen die Zuschaltung einer Diode zum Eingang eines zweiten oder weiteren Kupplungsgliedes mit um eine Größenordnung kleinerer Zeitkonstante als die des bzw. der vorhergehenden Kopplungsglieder ist. In den Rahmen dieser Erfindung fallen ebenfalls ähnliche Anordnungen, welche durch das angegebene Prinzip gekennzeichnet sind.

Der Vorteil der Erfindung beruht darin, daß bei Ultraschall-Impulsreflexionsgeräten durch eine einfache Maßnahme die Auflösungsfähigkeit für Materialfehler in der Nähe der Oberfläche verbessert wird und bei Ultraschall-Dickenmeßgeräten schon geringe Wandstärken (z. B. schon von 3,5 mm an) gemessen werden können.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Mehrstufiger Röhrenverstärker mit i?C-Koppelgliedern zwischen den Stufen für Impulse mit großen Amplitudenunterschieden, bei dem die sekundären Überschwingungen mittels einer parallel zum Kopplungsglied in der zweiten oder weiteren Stufe angeordneten Begrenzungsdiode wenigstens zum Teil unterdrückt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsdiode (D) am Eingang des ÄC-Kopplungsgliedes angeordnet ist und daß die Zeitkonstanten der Kopplungsglieder zwischen den einzelnen Stufen des Verstärkers zum Ausgang hin jeweils um eine Größenordnung kleiner sind als die Zeitkonstante des Kopplungsgliedes der vorhergehenden Stufe.

2. Mehrstufiger Röhrenverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Widerstand (R₁) des zugehörigen Kopplungsgliedes (R₁, C₁) eine weitere Diode (D₁) zur Unterdrückung der primären Überschwingungen parallel geschaltet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (D) über einen Trennkondensator (C₂) angeschlossen ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (D) zwischen der Anode der Röhre (E₁) und einen Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen (R₂ und R₃), angeschlossen ist, wobei die Widerstände (R₂ und R_s) so gewählt werden, daß an der Diode (D) keine Potentialdifferenz auftritt und sie somit keinen Ruhestrom führt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift T 6220 VIII a/21 a (bekanntgemacht am 9. 2.1956);

Moskowitz, »Pulse Techniques«, 1951, S. 156.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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