DE2003396B2

DE2003396B2 - Adaptives filter mit piezoelektrischen elementen

Info

Publication number: DE2003396B2
Application number: DE19702003396
Authority: DE
Inventors: Stuart Stanley; McCusker Joseph Henry; Princeton N.J. Perlman (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1969-01-24
Filing date: 1970-01-26
Publication date: 1972-04-20
Also published as: FR2029063A1; US3588551A; NL7000970A; SE348905B; GB1291926A; DE2003396A1

Description

Das erjindungsgemäße Filter ist durch die Möglichkeit der Änderung von piezoelektrischen Eigenschaften adaptiv, und wegen des Vorhandenseins der ferroelektrisehen Eigenschaften ist eine vorgenommene Änderung bis zum Eintreffen eines Rückstellsignals bleibend. Das erfindungsgemäße Filter kann daher die Rolle einer Analogsignale speichernden Einrichtung in einem elektronischen Steuersystem übernehmen. Die Veränderung des Spannungsüberset.aingsverrültnisses des Filters hängt von der Größe und Dauer der dem piezoelektrischen Element von der r.'.eiten Spannungsqueile zugeführten Spannung ab. Zur Veränderung der Filtereigenschaft ist daher in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung die zweite {ipannungsquelle ein Spannungsimpulsgenerator. Durch Einstellung der Hohe, Breite, Anzahl und t\ entuel! der Form der Impulse erhält man so einen grcßen Spielraum für die Veränderung des Filters.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist mit dem ersten und mit dem zweiten piezoelektrischen Element ein drittes piezoelektrisches Eiern 'nt mechanisch gekoppelt und sind die Ausgangsanschlüsse ties dritten piezoelektrischen Elements mit den Eingangsanschlüssen zur Bildung eines Oszillators verbunden. Die drei piezoelektrischen Elemente, die sich leicht in einer kompakten Baueinheit zusammenfassen lassen, werden durch diese Verbindungsart zu einem vollständigen Regler oder Stellglied, wobei die zweite Spannungsquelle den Regeleingang und die Ausgangsanschlüsse den Reglerausgang darstellen, und der die besondere Eigenschaft hat, seine Einstellung nach Verschwinden des Reglereingangssignals beizubehalten.

Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich als Analogspeicher verwenden, wenn in vorteilhafter Weiterbildung an die Ausgangsanschlüsse des zweiten piezoelektrischen Elements eine Signalverarbeitungsschaltung r ir Gleichrichtung der an den Ausgangsanschlüssen entstehenden Signale angeschlossen ist. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung bleibt dann für iange Zeit auf einem Analogwert, der durch die vorübergehend aus der zweiten Spannungsquelle zugeführten Spannung bestimmt worden ist. Dieser Analogwert bleibt auch dann erhalten, wenn die Stromversorgung der Schaltung zwischenzeitlich aus- und wieder eingeschaltet worden ist.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Darstellungen von Ausfuhr ungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltungsanordnung mit einem piezoferroelektrischen adaptiven Filter nach der Erfindung,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht des in der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 verwendeten Filters,

F i g. 3 die Ubertragungskennlinien des in F i g. 2 dargestellten Filters für verschiedene Werte des piezoelektrischen Remanenzkoeffizienten,

F i g. 4 ein Schaltbild für eine Steueranordnung unter Verwendung eines piezo-ferroelektrischen adaptiven Filters mit einem dritten Anschluß, der zur Bildung eines Oszillators als Rückkopplungsanschluß geschaltet ist,

F i g. 5 eine perspektivische Darstellung des bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 4 verwendeten Filters und

F i g. 6 eine Darstellung der Ausgangsgleichspannung der in F i g. 4 veranschaulichten Schaltungsanordnung in Abhängigkeit von der Dauer der dem Filier ziigeführten Adaptäonsspannung.

Das in F i g. 1 dargestellte adaptive Filter 12 is' ein Resonanzfilter und enthält ein erstes piezoelektrisches Element 14 und ein zweites piezoelektrisches Element 16. Unter einem adaptiven Resonanzfilter sei im folgenden ein Bauteil verstanden, dessen SpannungsübersetzungsverhäUnis (Verhältnis der Leerlauf-Ausgangsspannung zur Signaleingangsspannung) reversibel eingestellt oder zwischen zwei Extremen gewählt werden kann. Die Elemente 14 und 16 haben ίο außer ihren piezoelektrischen Eigenschaften auch ferroelektrische Eigenschaften, wenn auch bei der besonderen Ausführungsform nach F i g. 1 nur das Element 16 außerdem ferroelektrische Eigenschaften haben soll. Zwischen den Anschlüssen 18 und 20 und einem gemeinsamen Anschluß 22 zeigen die Elemente 14 und 16 jeweils eine Kapazität.

Zwischen die Anschlüsse 18 und 22 wird eine Signalquelle augelegt, welche Eingangssignale für das piezoelektrische Element 14 liefert. Der Anschluß 22 kann hierbei mit einem Bezugspotct dal 26, welches als Masse dargestellt ist, verbunden sein. Die Ausgangssignale werden am Ausgangsanschluß 20 abgenommen und über einen Koppelkondensator 30 auf eine Signalverarbeitungsschaltung gegeben. Gegenüber den Eingangssignalen sind die Ausgangssignale um 90° positiv oder negaüv in ihrer Phase verschoben, wenn die Frequenz der Eingangssignale gleich der natürlichen Resonanzfrequenz des Filters ist.

Mit dem Bauteil ist eine Steuereinrichtung gekoppelt, welche eine wahlweise Veränderung seiner piezoelektrischen Eigenschaften erlaubt. Ein Bezugswert für das Spannungsübersetzungsverhältnis des adaptiven Resonanzfilters 12 läßt sich über eine an die Filteranschlüsse 20-22 angelegte Rückstellspannung erhalten. Hierzu ist eine Reihenschaltung eines Widerstandes 32, eines Schalters 34 und einer Batterie 36 zwischen die Filteranschlüsse 20 und 22 geschaltet. Zur Änderung oder Anpassung des Spannungsübersetzungsverhältnisses gegenüber dem Bezugswert wird ein Impulsgenerator 38 in Reihe mit einem Widerstand 40 zwischen die Filteranschlüsse 20 bis 22 geschaltet. Das Anschalten des Impulsgenerators und/ oder der Rückstellspannung kann durch Fernsteuerung erfolgen.

Der Aufbau des Filters ist aus F i g. 2 ersichtlich. Hier sind in Sandwich-Bauweise ein Metallkontakt 40, das piezoelektrische Element 14, ein leitendes Mittelblech 42 aus Messing, das piezoelektrische Element 16 und ein MetaUkontakt 44 zusammengefügt. Das Filter 12 hat die folgenden Abmessungen: Breite l,.^c mm, Höhe 0,5 mm (einschließlich des 0,16 mm dicken Messingblechs), Länge des piezoelektrischen Elementes 4,6 mm und Länge des Mittelbleches 5 mm. Die Elemente 14 und 16 bestehen aus keramimischen piezo-ferroelektrischem Material. Ein derartiges Material wird unter dem Handelsnamen PZT-5H von der Firma Clevite Corporation, Bickford, Ohio, TJSA, hergestellt. Es handelt sich um ein Material aus der Familie der mit einem Donator dotierten Blei-Zirkonat-Blei-Titanate, wie es beispielsweise im Aufsatz »Piezoelectric Properties of Polycrystalline Lead Titanate Zirconate Compositions« von D. A. Berlincourt, C. Cmolik und H. J äffe in Proceedings of the IRE, Bd. 48, Nr. 2 vom Februar 1960, beschrieben sind.

Die Anschlüsse 18 und 20 sind elektrisch mit Metallkontakten 40 bzw. 4t verbunden. Der gemeinsame Anschluß 22 ist elektrisch mit dem leitenden Messing-

Mittelblech 42 verbunden. Der Metallkontakt 40 und seiner Resonanzfrequenz läßt sich ausdrucken als

das Mittelblech 42 bilden einen Kondensator, dessen .

Dielektrikum durch das piezoelektrische Element 14 (j_o ₌ qA '-' )

gebildet wird. Ebenso bilden der Metallkontakt 44 \'/su /

und das Mittelblech 42 einen zweiten Kondensator, 5 oder

als dessen Dielektrikum das piezoelektrische Element _ r- (^^Ru\

16 wirkt. ^f'° - ⁽"U_SI4]

Das Filter 12 kann beispielsweise frei tragend
montiert werden, wobei das Ende 43 des Mittelbleches G, ist das maximale Resonanz-Spannungsübersetzungsin einen Epoxykleber getaucht und auf einen Tran- io verhältnis bei einem Phasenwinkel des Ausgangssignals sistorsockel gesetzt wird, wobei Zuführungsleitungen gegenüber dem Eingangssignal von -90". wenn die mit dem eingetauchten Ende des Elementes verbunden piezoelektrischen Elemente 14 und 16 ihren maxiwerden. Der Fortsatz 43 wird für die Anbringung des malen piezoelektrischen Effekt zeigen, welche den gemeinsamen Anschlusses 22 ausgebildet. positiven piezoelektrischen Sättigungskoeffizienten ent-

Die Resonanzfrequenz des Filters 12 hängt von dem 15 spricht.

verwendeten piezo-ferroelektrischen Material, derGeo- Die Adaption oder Einstellung des piezoelektrischen

metrie des Filteraufbaues, der Befestigungsart und Pegels oder Koeffizienten des Filters 12, und damit

dem mechanischen Schwingungsmodus ab; all diese das Spannungsübersetzungsverhältnis läßt sich durch

Größen können in geeigneter Weise gewählt werden. wahlweise Veränderung der Größe und Polarität des

Bei der oben gewählten Befestigungsart und den an- so Polarisations-Remanenzfeldes erreichen, welches im

gegebenen Dimensionen schwingt das Filter mecha- Zusammenhang mit den ferroelektrischen Eigenschaf-

nisch in einer Transversalschwingung in der Grund- ten des Filtermaterials des Elementes 16 steht. Dies

welle bei etwa 16 kHz. Es sind auch andere Schwin- wiederum läßt sich durch Einstellen der Größe und

gungsformen möglich, beispielsweise Longitudinal-, Polarität des Polarisations-Remanenzfeldes bewirken,

Torsions- oder Scherschwingungen. »5 welches gleichzeitig den Elementen 14 und 16 zu-

Im Betrieb der in F i g. 1 dargestellten Schaltung geordnet ist. 'line maximale positive oder negative hat die von der Signalquelle 24 kommende Wechsel- Remanenz-Polarisation liegt vor, wenn die ferrospannung abwechselnde Beanspruchungen im EIe- elektrischen Bereiche im gesamten Gebiet des piezoment 14 zur Folge. Diese mechanischen Spannungen elektrischen Elementes in derselben Richtung auswerden durch das Mittelblech 42 auf das piezoelek- 30 gerichtet sind. Das piezo-ferroelektrische Element 16 trische Element 16 übertragen und rufen dort eine des Filters kann jedoch mit Hilfe des Impulsgenerators Spannung zwischen dem Metallkontakt 44 und dem 38 teilweise auf einen Zwischenwert der remanenten Mittelblech 42 hervor. Polarisation eingestellt werden. Dieses entspricht

Das Spannungsübersetzungsverhältnis, d. h. das einem Zustand, bei welchem die Summe der positiv Verhältnis zwischen Leerlauf-Ausgangsspannung zu 35 orientierten Bereiche und die Summe der negativ Eingangsspannung, hängt von der Größe des piezo- orientierten Bereiche sich auf einen Wert zusammenelektrischen Effektes des speziell für die Elemente 14 addieren, der von den Werten der positiven oder und 16 benutzten Materials und von der Güte ihrer negativen Sättigung sich unterscheidet. Die Summe mechanischer. Kopplung ab. Weiterhin ist aber auch stellt den Betrag der remanenten Polarisation dar. der piezoelektrische Koeffizient, der ein Maß für die 40 Beim Entwurf elektronischer Steuerschaltungen Größe des piezoelektrischen Effektes ist, dem ferro- ist besonderes Augenmerk auf die elektrische Stabilität elektrischen Effekt in piezo-ferroelektrischen Materia- des Spannungsübersetzungsverhältnisses über kurze lien direkt proportional. Daher hängt das Spannungs- und lange Zeiträume zu richten. Bei dem in F i g. 2 übersetzungsverhältnis von der Orientierung der dargestellten Filter ist eine Stabilität der Spannungsferroelektrischen Bereiche in den Elementen 14 und 16 45 einstellung von ± 1 °'_o des maximalen Rückstellwertes ab. Es läßt sich daher ein piezoelektrischer Remanenz- für kurze Zeiträume (Millisekunden) und für lange ·,, m ■ χ j c -. d_K P_K , . _ , Zeiträume (Tage) gemessen worden. Diese Stabilität Koeffi_Z1ent defimeren mit -^ = ^ . wöbe, P_n und _efgab ^ ^^ ^ spannungsüberseteungv

d_R die Größe des Remanenzwertes des piezoelektri- verhältnis eingestellt worden war. und zwar sowohl sehen Koeffizienten bzw. des Polarisationsfeldes sind. 50 bei einem Zustand, bei dem der Signalgenerator 2Ί während ds und Ps die Sättigungswerte bedeuten. das Filter 12 dauernd speiste, als auch bei einem Zu-Der Remanenzwert des piezoelektrischen Koeffizienten stand, in dem der Signalgenerator 24 abgetrennt und und der Remanenzwert des Polarisationsfeldes sind anschließend wieder erneut an den Filtereingans diejenigen Werte, welche erhalten werden, nachdem angeschlossen wurde. Weiterhin sind die Einstellungen der Impulsgenerator 38 einen Adaptionsimpuls an 55 des Spannungsübersetiungsverhältnisses für das adapdas Filter 12 gegeben hat. Entsprechend sind die tive Resonanzfilter praktisch reduzierbar, in dem mar Sättigungswerte des piezoelektrischen Koeffizienten dieselbe oder eine gleichwertige Folge von Adaptionsund des Polarisationsfeldes diejenigen Werte, welche impulsen vom Impulsgenerator 38 wiederholt,
auftreten, nachdem der Schalter 34 zur Anlegung Die Adaption oder Veränderung des Spannungseines Rückstellimpulses an das Filter 12 kurzzeitig 60 Übersetzungsverhältnisses des Filters 12 hängt vor geschlossen worden ist. der Größe und Dauer der dem piezo-ferroclektrischer Mit den oben gegebenen Definitionen sind der Element 16 zugeführten Schaltspannung ab. Dami Rem2nenzwert dp, des piezoelektrischen Koeffizienten die der Kapazität des Elementes 16 eingeprägt« und der Remanenzwert Pr des Polarisationsfeldes Spannung nicht eine fortlaufende Veränderung de: größer als ihre negativen Sättigungswerte und kleiner 65 Spannungsübersetzungsverhältnisses hervorruft, wire als ihre positiven Sättigungswerte {—ds < dp, < 4- ds über den Widerstand 40 und den Innemviderstanc _un(j _p_s <Pr< -r Ps)- Das Spannungsüberset- des Impulsgenerators 38 ein Entladungsweg vor Zungsverhältnis G₀ des Filters 12 bei Erregung in gesehen. Der Impulsgenerator 38 kann so gewähl

7 8

»erden, daß sich seine Impulse über einen groRen ferroelektrisch Material in Form von Stäben oder ■ereich in ihrer Höhe. Form und Dauer verändern Scheiben ausgebildet sein. Wichtiger sind jedoch lassen, so daß die gewünschte Anpassung des Span- unterschiedliche Elektrodenformen. So kann das «ungsübersetzungsverhältnisses mit jedem dem EIe- Filter mit mehreren Eingängen oder Ausgängen Bient 16 zugeführten Impuls eingestellt werden kann. 5 ausgebildet sein, welche durch Aufteilung jedes der Hierzu liefert -ler Generator 38 rechteckige Spanntings- piezoelektrischen Elemente oder der Kapazitäten in impulse zwischen '100 und ^: 300 Volt, mit denen einer Anzahl von Abschnitten gebildet werden. Diese »ich das Spannungsübersetzungsverhältnis des Filters Aufteilung kann durch eine Unterteilung der den 12 auf irgendeinen Zwischenwert einstellen läßt. Der piezoelektrischen Elementen zugeordneten Metall-Bereich von 100 bis 300 Volt erlaubt die Einstellung io kontakte mit oder ohne Trennung des Elementes des Filters 12 zwischen einer maximalen und einer selbst in einzelne Kanäle erfolgen. Die so gebildeten minimalen Spannungsiibersetzung innerhalb einer Segmente bilden unabhängige, elektrisch voneinander Schaltzeit von etwa 10³ bis 10 'Sekunden je nach getrennte Eingangs- und Ausgangskapazitäten, deren der Impulsamplitude. Die Schaltzeit wird durch die Verhalten noch erläutert wird. Das Filter kann auch am Element 16 liegende elektrische Feldstärke be- 15 durch Austausch eines oder mehrerer der Eingangsstimmt. Die Verstärkung des Filters 12 ist relativ oder Ausgangskapazitäten durch andere Arten von unabhängig von der Amplitude des Eingangssignals auf mechanische Beanspruchungen reagierenden EIeim Bereich von etwa 1 mV_eff bis 1 V_e(f und liegt menten modifiziert werden.

üblicherweise im Bereich um 50 db. Natürlich sind In F i g. 4 ist ein Schaltbild eines Steuersystems unter hiervon noch geringeÜbertragungsverluste abzuziehen. 20 Verwendung eines adaptiven Resonanzfilters darin F i g. 3 ist das Spannungsübersetzungsverhältnis gestellt, welches einen zusätzlichen Anschluß zur des Filters 12 in Dezibel in Abhängigkeit von der Abnahme einer Rückkopplungsspannung zur Bildung prozentualen Abweichung der Frequenz der Eingangs- einer Oszillatorschaltung aufweist. Das Filter 50 signale von der mechanischen Resonanzfrequenz des enthält drei piezoelektrische Elemente 52. 54 und 56. Filters für verschiedene piezoelektrische Remanenz- as die außer ihren piezoelektrischen Eigenschaften auch Koeffizienten dargestellt. Die Kurve 46 gilt für eine ferroelektrische Eigenschaften aufweisen. Bei der Einstellung der piezoelektrischen Elemente 14 und 16 besonderen Ausführungsform nach F i g. 4 braucht auf den Ma imalwert ihrer remanenten Polarisation. jedoch nur das piezoelektrische Element 56 außerdem oder anders ausgedrückt, der piezoelektrische Rema- ferroelektrische Eigenschaften zu haben. Die Elemente nenz-Koeffizient für jedes der Elemente 14 und 16 30 52. 54 und 56 stellen Kapazitäten zwischen ihren Anist gleich seinem Sättigungswert Schlüssen 58. 60 bzw. 62 und einem Masseanschluß 64

dar.

t 14 1 _uncj </ßi6 _ j\ Mit den piezoelektrischen Elementen 52 und 54

su ds\t ' ist ein in einem Schaltungsplättchen in integrierter

35 Form ausgebildeter Verstärker zur Bildung eines selbst-

Bei Erregung mit seiner Resonanzfrequenz von schwingenden Oszillators zusammengeschaltet. Bei 15.54 kHz ist das Spannungsübersetzungsverhältnis dem Verstärker handelt es sich um den Typ RCA-des Filters 0 db. Durch Einstellen des Elementes 16 CA 3021. Die Funktionweise der integrierten Schaltung mit Hilfe einer Reihe von Spannungsimpulsen zur ist für das Verständnis der Erfindung nicht von BeVeränderung des remanenten Polarisationsfeldes so, 40 deutung. sie ist in der Veröffentlichung »RCA Linear

. „ . · 1 1. ■ u D ν tu ■ , ^d*i« Integrated Circuits«. Technical Series IC-41 auf S. 159

daß der piezoe ektnsche Remanenz-Koeffizient -_y- ..~ . „. ., .... .... . , „.-..

^v ds m erläutert. Diese Veröffentlichung kann von der RCA

auf einhalb sinkt, sinkt das Übersetzungsverhältnis C₀ Corporation. Electronic Components and Devices

um 6 db. wie dies Kurve 48 darstellt. Die folgenden Division. Harrison. New Jersey 07029. USA, bezogen

Kurven stellen jeweils ein weiteres Absinken des 45 werden.

piezoelektrischen Remanenz-Koeffizienten um die Das Ausgangssignal des Verstärkers 66 erscheint

Hälfte dar. so daß sich die einzelnen Kurven jeweils am Anschluß 60. und das am Anschluß 58 erzeugte

6 db unterscheiden. Signal wird über einen Widerstand 59 als Rück-

Die Kennlinie des Filters 12 gleicht der eine? Par- kopplungssignal auf den Eingangsanschluß des Yer-

allelresonanzkreises. Die Anpassung durch Verände- 50 stärkers zurückgeführt. Die Betriebsspannung erhält

rung der Größe der remanenten Polarisation im EIe- der Verstärker von einer an den Anschluß 68 an-

ment 16 führt zu einer Verschiebung der Kennlinie. geschlossenen Stromquelle über die Steckerverbin-

ohne daß sich jedoch die Resonanzfrequenz ver- dung 5 und die Spannungsteilerwiderstände 70 und 72

,. , _^. _.. ^₁ / . \ ,. „ _{cu r} . an der Steckerverbindung 2. Ein Widerstand 74 wird

schiebt Die Gute O ■■-.■„.,.) dieser Resonanzfi her hegt . , ,. _Ci , ... , , _ . _ , ,

.LiiicLi. l^iv. vj ^ _Bn j _o .. _z%viscnen (j_ie Steckverbindungen 3 und 7 des Schal-

bei Resonanzfrequenzen zwischen 100 Hz und 10 MHz tungsplättchens angeschlossen, mit Hilfe dessen sich

zwischen 40 und 100. Die durch die Eiemente 14 und 16 die Bandbreite und Verstärkung des Verstärkers cin-

und die mechanische Befestigung bedingten Verluste stellen läßt, während ein Kondensator 76 die hohen

wirken sich stark auf die Form der Kennlinien des Frequenzen aus dem Rückführungsweg ausfiltriert, so

Filters 12 und damit auf die Güte O aus. Da die 60 daß Oberschwingungen des Oszillators vermieden

Verluste von der Größe des piezoelektrischen Koeffi- werden. Zwischen den Anschluß 60 und einem Bezugs-

zienten des Elementes jedoch praktisch unabhängig potentialpunkt 82, Masse, ist eine Diode 78 und eine

sind, beeinflussen Veränderungen des piezoelektrischen Batterie 80 von 1,5 Volt geschaltet. Dadurch wird die

Remanenz-Koeffizienten nicht die Form der Kenn- Eingangsspannung des Filters begrenzt, so daß die

linien, sondern nur die Größe des Spannungsüberset- 65 Oszillatorschwingungen durch die Vermeidung über-

zungsverhältnisses des Filters. mäßig großer Ausgangssignale am Anschluß 58 (Rück-

Das adaptive Resonanzfilter kann auch in anderer kopplung) stabilisiert werden.

Weise aufgebaut sein. Beispielsweise kann das piezo- Die Ausgangssignale des Filters 50 entstehen am

9 10

Anschluß 62 und werden einer Spannungsverdoppler- zwischen den Elektroden klein zu machen und eine

•chaining mit Gleichrichter und Filteranordnung zu- genügend elektrische Trennung zwischen den Metall-

tefiihrt. welche einen Kondensator 84. zwei Dioden kontakten 116 und Ii4 zu gewährleisten. Um eine aus-

6 und 88. einen Kondensator 90 und einen Wider- reichende elektrische Isolation zu erhalten, braucht

itand 92 enthält. Dabei erscheint am Anschluß 94 5 man zwischen den piezoelektrischen Elementen 52

•ine Ausgangsgleichscannung, deren Höhe von der und 54 keinen Trennungskanal vorzusehen. Diese

Spannungsverstärkung des Filters 50 abhängt. drei Kapazitäten können beliebig als Eingangs-.

Zwischen den Filter-Ausgangsanschluß 62 und den Ausgangs- oder Rückführungskapazität verwendet gemeinsamen Anschluß 64 sind in Reihe ein Wider- werden und eignen sich ferner zur Anlegung einer stand 96. ein Schalter 98 und eine Batterie 100 ge- io Poiarisationsspannung zur Veränderung der remanenschaltet. Wird der Schalter 98 kurzzeitig geschlossen. ten Polarisation der besonderen verwendeten dielekdann wird eine Spannung zwischen die Anschlüsse 62 trischen Materialien. Die Kapazitäten können er- und 64 zur Einstellung des Spannungsübersetzungs- forderlichenfalls in mehrere Abschnitte unterteilt Verhältnisses des Filters auf einen Bezugspegel an- werden, so daß mehrere Ausgänge entstehen,
gelegt. In gleicher Weise sind ein Widerstand 102. 15 Die Ausführungsform nach F i g. 4 ist so ausgebiltin Schalter 104 und eine Batterie 106 in Reihe zwi- det, daß der Oszillator das Filter mit seiner Resonanzschen die Anschlüsse 62 und 64 geschaltet, so daß frequenz speist. Wiederum wird diese Resonanzeine Veränderung des Spannungsübersetzungsverhält- frequenz durch das verwendete piezo-ferroelektrische nisses des Filters gegenüber dem Bezugspegel bei Material, die Abmessungen des Filters, die Befestigungskurzzeitigem Schließen des Schalters 98 erfolgt. Ein ao art und den gewählten mechanischen Schwingungs-Widerstand 108 verbindet die Anschlüsse 62 und 64 modus bestimmt. Durch Zuführung einer Wechsel- und bildet einen Entladungsweg für die Spannung, spannung am Anschluß 60 werden im piezoelektriwelche der Kapazität des piezoelektrischen Elementes sehen Element 54 mechanische Spannungen erzeugt. 56 und dem Kondensator 84 eingeprägt ist. Der Wider- die auf das piezoelektrische Element 52 und über das stand ist als ein Kompromiß von Werten gewählt. »5 Mittelblech 112 auf das piezoelektrische Element 56 so daß die Spannungsteilerwirkung der Widerstände übertragen werden. Diese mechanischen Wechsel-96 und 108 oder 102 und 108 zur richtigen Spannung spannungen in den piezoelektrischen Elementen 52 am Anschluß 62 führt, während andererseits die Ent- und 54 lassen zwischen dem Mittelblech 112 und ladezeitkonstante genügend klein ist, so daß die der den Metallkontakten 110 und 114 eine Spannung Kapazität des piezoelektrischen Elementes 56 ein- 30 entstehen. Die am Metallkontakt 114 und damit geprägte Spannung eine weitere Veränderung durch am Anschluß 58 erscheinende Spannung wird als eine fortlaufende Reorientierung der ferroelektrischen Rückkopplungsspannung zur Aufrechterhaltung der Bereiche verursacht. Schwingungen verwendet. Die am Metallkontakt 110

Das in F i g. 5 dargestellte Filter ist ebenfalls in erscheinende Spannung wird gleichgerichtet und tritt

Sandwich-Bauweise mit einem Metallkontakt 110. 35 als Ausgangsgleichspannung am Anschluß 94 auf.

einem piezoelektrischen Element 56, einem leitenden Diese Gleichspannung kann zur Steuerung elektroni-

Messing-Mittelblech 112. den piezoelektrischen EIe- scher Geräte verwendet werden, beispielsweise zur

menten 52 und 54 und ihren Metallkontakten 114 und Änderung der Vorspannung verschiedener elektrischer

116 aufgebaut. Der Filter-Eingangsanschluß 60 ist Bauteile eines solchen Gerätes,

mit dem Metallkontakt 116 verbunden, und der 40 Durch ein kurzzeitiges Schließen des Schalters 98

Rückkopplungsanschluß 58 ist mit dem Metallkontakt gelangt eine Rückstellspannung an die Anschlüsse 62

114 verbunden. Der Ausgangsanschluß 62 ist an den und 64. welche einen Bezugswert für das Spannungs-

Metallkontakt 110 angeschlossen. Das Filter 50 kann übersetzungsverhältnis einstellt, der durch die Orien-

in der gleichen Weise montiert werden, wie es für das tierung der ferroelektrischen Bereiche im piezo-

Filter 12 erläutert worden ist. Die spezifischen Ab- 45 ferroelektrischen Element 56 bestimmt wird. Zur

messungen des Filters 50 sind: Breite 1,5 mm, Höhe Veränderung des Spannungsübersetzungsverhältnisses

0.5 mm (einschließlich des 0,16 mm dicken Messing- des Filters wird der piezoelektrische Effekt in der im

Mittelbleches). Länge des piezoelektrischen Elementes Zusammenhang mit F i g. 1 bereits beschriebenen

3.8 mm und Länge des Mittelbleches 4 mm. Die Weise variiert. Der Schalter 104 kann kurzzeitig zum

Elemente 52. 54 und 56 bestehen aus einem kerami- 50 Anlegen einer entgegengesetzt gepolten Spannung

fcchen piezo-ferroelektrischen Material, wie es unter geringerer Amplitude als die Rückstellspannung

der Bezeichnung PZT-5B von der Firma Clevite an die Anschlüsse 62 und 64 geschlossen werden.

Corporation, verkauft wird. Es handelt sich um ein Bei dem in F i g. 5 dargestellten Aufbau des Filters

Material aus der Familie der Donator dotierten Blei- und mit den in F i g. 4 angegebenen Schaltspannungen

Zirkonatblei-Titanate. wie sie in dem bereits erwähnten 55 tritt die Rückstellung auf einem Bezugspegel nach dem

Artikel in der Zeitschrift Proceedings of the IRE Schließen des Schalters 98 in etwa 3 Millisekunden

erläutert sind. ein. Die Anpassung des Spannungsübersetzungs-

Der Metallkontakt 110 und das Mittelblech 112 Verhältnisses des Filters 50 von ihrem maximaler

bilden mit dem piezoelektrischen Element 56, welches Wert auf ihren minimalen Wert in der Nähe von NuI

als Dielektrikum dient, eine Kapazität. In gleicher ^6o dauert nach dem Schließen des Schalters 104 et\v£

Weise bilden die Metallkontakte 114 und 116 mil 20 Γekunden. Der Schalter 104 und die Batterie 10(

den als Dielektrikum wirkenden piezoelektrischen können auch durch einen fernsteuerbaren Impuls

Elementen 52 und 54 Kapazitäten. Diese drei Kapa- generator ersetzt werden, was auch für den Schalter 9!

zitäten sind elektrisch voneinander getrennt, dies gilt und die Batterie 100 gilt. Eine wesentlich kürzen

insbesondere für die mit den Metallkontakten 116 ⁶5 Umstellzeit läßt sich erzielen, wenn man höhen

und 114 verbundenen Kapazitäten. Dies ist der Fall. Spannungen an die Anschlüsse 62 und 64 anlegt.

weil der Trennungsspalt 118 zwischen den Metall- In F i g. 6 ist die Ausgangsgleichspannung am An

kontakten genügend lang ist, um die Koppelkapazität Schluß 94 als Funktion von der Dauer der dem Filter 9

beim Schließen des Schalters 104 zugeführten Spannung dargestellt. Zum Zeitpunkt Null nimmt das Filter seinen dem Bezugspegel entsprechenden Zustand an, der durch kurzzeitige Betätigung des Schalters 98 eingestellt wird. Während des Bezugszustandes liegt eine Ausgangsspannung von 260 mV vor, und bei

einer Betätigung des Schalters 104 sinkt die Gleichspannung in etwa 20 Sekunden auf einen Minimalwert ab. Der Einstellspannungsimpuls kann noch geformt werden, damit die Nichtlinearität der Änderung der Ausgangsgleichspannung als Funktion von der Zeit kompensiert wird.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

eine bestimmte vorgenommene Einstellung des Span-Patentansprüche: nungsübersetzungsverhältnisses auch nach Verschwinden des Einstellsignals über eine längere Zeit bis , um

1. Adaptives Filter, das zwei mechanisch mit- Eintreffen eines Rückstellsignals aufrechterhalten einander gekoppelte piezoelektrische Elemente 5 bliebe.

aufweist, deren erstes mit einem Paar Eingangs- Es ist ferner ein piezoelektrisches Filter bekannt

anschlüssen und deren zweites mit einem Paar (USA.-Patentschrift 3 325 743), bei dem zwei ein-Ausgangsanschlüssen versehen ist, dadurch kristalline Halbleiterplättchen unter Zwischenlage ge k e η η ζ e i c h η e t, daß mindestens eines der einer isolierenden Klebstoffschicht miteinander verpiezoelektrischen Elemente (14, 16) ferroelektri- io bunden sind. Der so gebildete Aufbau hat eine längsche Eigenschaften hat und mit einer Steuerein- liehe Form und ist an beiden Enden mit Elektrodenrichuing (34, 36, 38) gekoppelt ist, die eine erste paaren versehen, deren eines mit einer Signalquelle Spannungsquelle (36) zur Einstellung der piezo- für Ultraschallfrequenzen verbunden ist, während an elektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen dem anderen Ende die Signale nach Durchlauf des Elements auf einen Bezugspegel und somit des 15 Filters abgenommen werden. Ferner kann mit Hilfe an den Ausgangsanschlüssen (20,26) erzeugten eines Regelwiderstandes und einer Batterie längs Signals auf einen bestimmten Pegel enthält, sowie durch das Filter ein einstellbarer Strom geschickt eine zweite Spannungsquelle (38) zur Veränderung werden, mit Hilfe dessen sich die Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelek- verschieben laßt. Diese Wirkung beruht auf einer trischen Elements gegenüber dem Bezugspegel 20 Veränderung der Ladungsträgerdriftgeschwindigkeit und somit des Signalpegels an den Ausgangs- innerhalb des Halbleitermaterials,
anschlüssen aufweist. Weiterhin ist aus der USA.-Patentschrift 2 695 357

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ein Frequenzumsetzer in Form eines piezoelektrischen zeichnet, daß die zweite Spannung^quelle (38) ein Wandlers bekannt. Das hierbei verwendete mechani-Spannungsimpulsgenerator ist. 25 sehe Filter besteht aus einem längsgestreckten mecha-

3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekenn- nischen Schwinger, auf den in einem begrenzten zeichnet, daß mit dem ersten und mit dem zweiten Bereich beiderseits Keramikkörper mit Elektroden piezoelektrischen Element (54,56) ein drittes aufgesetzt sind, welche eine Kapazität mit nichtpiezoelektrisches Element (52) mechanisch gekop- linearer Spannungscharakteristik bilden. Bei Zupelt ist und daß die Ausgi.iigsan>.,hlüsse (58, 64) 30 führung zweier Signale unterschiedlicher Frequenzen des dritten piezoelektrischen F.lemenis mit den entsteht durch Überlagerung an der nichtlinearen Eingangsanschlüssen (60,64) zur bildung eines Kennlinie dieser Kapazität ein die Summen- und Oszillators verbunden sind. die Differenzfrequenz enthaltendes Frequenzgemisch,

4. Filter nach Anspruch 1 oder 3, dadurch durch welches der längsgestreckte Resonator mit gekennzeichnet, daß an die Ausgangsanschlüsse 35 seiner in gewünschter Weise gewählten Eigenfrequenz (20, 22 bzw. 62, 64) des zweiten piezoelektrischen in Schwingungen versetzt wird, die an einer anderen Elements (56) eine Signalverarbeitungsschaltung Stelle des Resonators nach Umwandlung in ent-(84, 86, 88, 90, 92) zur Gleichrichtung der an den sprechende elektrische Schwingungen abgenommen Ausgangsanschlüssen entstehenden Signale an- werden können. An der Abnahmestelle ist ebenfalls geschlossen ist. 40 ein Keramikkörper mit Elektroden vorgesehen, und

durch zusätzliches Anlegen einer Gleichvorspannung

an die Elektroden läßt sich die Amplitude des abgenommenen Ausgangssignals (entsprechend einer durch die Gleichspannung bedingten mechanischen

Die Erfindung betrifft ein adaptives Filter, das 45 Vorspannung des Resonators) verändern,
iwei mechanisch miteinander gekoppelte piezoelek- Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung

Irische Elemente aufweist, deren erstes mit einem in der Schaffung eines adaptiven Filters, welches eine Paar Eingangsanschlüssen und deren zweites mit wahlweise Einstellung der Filtereigenschaften ohne einem Paar Ausgangsanschlüssen versehen ist. die Notwendigkeit des Aufrechterhaltens einer Vor-

Adaptive Filter sind elektrische Baueinheiten mit 50 spannung zur Beibehaltung der gewählten Filterfrequenzabhängigem Durchlaßverhalten, deren Span- eigenschaft ermöglicht. Insbesondere soll sich das nungsübenetzungsverhältnis (Leerlaufausgangsspan- Spannungsübersetzungsverhältnis durch kurzzeitiges llung zu Signaleingangsspannung) veränderbar ist. Anlegen von Einstellsignalen verändern lassen und Derartige Filter sind grundsätzlich bekannt (IEEE nach Verschwinden der Einstellsignale erhalten bleiben. Transactions on Audio and Electroacoustics, Bd. AU- 55 Bei einem adaptiven Filter der eingangs beschriebe-[Juni 1968], Nr. 2, S. 165 bis 168). Durch die Mög- nen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch lichkeit der Veränderung ihrer Eigenschaften eignen gelöst, daß mindestens eines der piezoelektrischer sich solche Filter zur Steuerung elektronischer Ein- Elemente ferroelektrische Eigenschaften hat unc richtungen mittels analoger Signale insbesondere in mit einer Steuereinrichtung gekoppelt ist, die ein« Fernsehempfängern. Bei Steuersystemen wie sie dort 60 erste Spannungsquelle zur Einstellung der piezo verwendet werden, sollen aber auch analoge Signale elektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen EIe ohne Veränderung über genügend lange Zeit ge- ments auf einen Bezugspegel und somit des an der speichert werden können. Außerdem soll ein wieder- Ausgangsanschlüssen erzeugten Signals auf einen hohes Zurückstellen möglich sein, wobei der Speicher- bestimmten Pegel enthält, sowie eine zweite Spannungs zustand beibehalten werden soll, falls die Strom- 65 quelle zur Veränderung der piezoelektrischen Eigen Versorgung zu der elektrischen Schaltung unter- schäften des piezoelektrischen Elements gegenübe brochen werden sollte. Mit einem adaptiven Filter dem Bezugspegel und somit des Signalpegels an del lieik sich eine solche Speicherwirkung erzielen, wenn Ausgangsaiisdilüssen aufweist.