DE2003396C - Adaptives Filter mit piezoelektrischen Elementen - Google Patents

Description

Das erfindungsgemäße Filter ist durch die Möglich- Das in F ί g. 1 dargestellte adaptive Filter 12 ist

keit der Änderung von piezoelektrischen Eigenschaften ein Resonanzfilter und enthält ein erstes piezoclektnadaptiv, und wegen des Vorhandenseins der ferro- sches Element Ιή und ein zweites piezoelektrisches elektrischen Eigenschaften ist eine vorgenommene Element 16. Unter einem adaptiven Resonanznlter Änderung bis zum Eintreffen eines Rückstellsignals 5 sei im folgenden ein Bauteil verstanden, dessen Spanbleibend. Das erfindungsgemäße Filter kann daher nungsübersetzungsverhältnis (Verhältnis der Leerlautdie Rolle einer Analogsignale speichernden Einrichtung Ausgangsspannung zur Signaleingangsspannung) rein einem elektronischen Steuersystem übernehmen. versibel eingestellt oder zwischen zwei Extremen Die Veränderung des Spannungsübersetzungsver- gewählt werden kann. Die Elemente 14 und 16 haben hältnisses des Filters hängt von der Größe und io außer ihren piezoelektrischen Eigenschaften auch Dauer der dem piezoelektrischen Element von der ferroelektrische Eigenschaften, wenn auch bei der zweiten Spannungsquelle zugeführten Spannung ab. besonderen Ausführungsform nach F i g. 1 nur das Zur Veränderung der Filtereigenschaft ist daher in Element 16 außerdem ferroelektrische Eigenschaften bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung die zweite haben soll. Zwischen den Anschlüssen 18 und ZU Spannungsquelle ein Spannungsimpulsgenerator. 15 und einem gemeinsamen Anschluß 22^ zeigen die Durch Einstellung der Höhe,· Breite, Anzahl und Elemente 14 und 16 jeweils eine Kapazität, eventuell der Form der Impulse erhält man so einen Zwischen die Anschlüsse 18 und 22 wird eine Signal-

grcikn Spielraum für die Veränderung des Filters. quelle angelegt, welche Eingangssignale für das piezo- !i! vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist elektrische Element 14 liefert, ^er Anschluß 22 kann mit dem ersten und mit dem zweiten piezoelektrischen 20 hierbei mit einem Bezugspotential 26, welches als Element ein drittes piezoelektrisches Element mecha- Masse dargestellt ist, verbunden sein. Die Ausgangs_nj,eh gekoppelt und sind die Ausgangsanschlüsse signale werden am Ausgangsanschluß 20 abgenomde·. dritten piezoelektrischen Elements mit den Ein- men und über einen Koppelkondensator jO auf eine gai.gsanschlüssen zur Bildung eines Oszillators ver- Sig· alverarbeitungsschaltung gegeben. Gegenüber den bunden. Die drei piezoelektrischen Elemente, die sich 25 Eingangssignalen sind die Ausgangssignale um VU leii ht in einer kompakten Baueinheit zusammenfassen positiv oder negativ in ihrer Phase verschoben, wenn lassen, werden durch diese Verbindungsart zu einem die Frequenz der Eingangssignale gleich der naturvoi!ständigen Regler oder Stellglied, wobei die zweite liehen Resonanzfrequenz des Fillers ist. Sivnnungsquelle den Regeleingang und die Aus- Mit dem Bauteil ist eine Steuereinrichtung gekoppelt,

gaiigsanschlüsse den Reglerausgang darstellen, ind 30 welche eine wahlweise Veränderung seiner piezoeleK-der die besondere Eigenschaft hat, seine Einstellung Irischen Eigenschaften erlaubt. Ein Bezugswert iur nach Verschwinden des Roglereingangssignals bei- das Spannungsübersetzungsverhaltnis des adaptiven zubehalten Resonanzfilters 12 läßt sich über eine an die Filter-

Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich als anschlüsse 20-22 angelegte Rückstellspannung er-Analogspeicher verwenden, wenn in vorteilhafter 35 halten. Hierzu ist eine Reihenschaltung eines wiaer-Weiterbildung an die Ausgangsanschlüsse des zweiten Standes 32, eines Schalters 34 und einer Batterie 00 piezoelektrischen Elements eine Signalverarbeitungs- zwischen die Filteranschlüsse 20 und 2* geschattet, schaltung zur Gleichrichtung der an den Ausgangs- Zur Änderung oder Anpassung des Spannungsanschlüssen entstehenden Signale angeschlossen ist. Übersetzungsverhältnisses gegenüber dem Bezugsweri Die gleichgerichtete Ausßangsspannurg bleibt dann 40 wird ein Impulsgenerator 38 m Reihe mit einem wiaerfür lange Zeit auf einem Analogwert, der durch die stand 40 zwischen die Filteranschlusse 20 bis 22 gevorübergehend aus der zweiten Spannungsquelle schaltet. Das Anschalten des Impulsgenerators und/ zugeführten Spannung bestimmt worden ist. Dieser oder der Rückstellspannung kann durch Fernsteuerung Analogwert bleibt auch dann erhalten, wenn die erfolgen. . „htii^h

Stromversorgung der Schaltung zwischenzeitlich aus- 45 Der Aufbau des Filters ist aus FJg. 2 ersiehtlieh. und wieder eingeschaltet worden ist. Hier sind in Sandwichbauweise em Metallkontakt40,

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Dar- das piezoelektrische Element 14 ein «^Mittel Stellungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. ^^^SS^iTSiSSiSS^ F i g. 1 eine Schaltungsanordnung mit einem piezo- so Filter 12 hat die folgenden Abmessungen: Breite ferroelektrisch^ adaptiven Filter nach der Erfindung, 1,5 mm Höhe 0 5 mm f^^±]^LTn F ig. 2 eine perspektivische Ansicht des in der dicken Messingblechs) Lange des P'^«£«™ⁿ Schaltungsanordnung nach F ig. !verwendeten Filters, Elementes 4,6 mm und Lange ^_{p n} ^M'™_v ^bJ"^^S F i g. 3 die Übertragungskennlinien des in F i g. 2 5 mm. Die Elemente 14 und 16 bestehena us, keranu dargestellten Filters für verschiedene Werte des piezo- 55 mischen piezo-ferroelektr.schem Material E η der elektrischen Remanenzkoeffizienten, artiges Material wird u nte t tatad eknamen

F ig. 4 ein Schaltbild für eine Steueranordnung PZT-5 H von der Firma Clevite Corporal on. BicMord, unter Verwendung eines piezo-ferroelektrischen adap- Ohio, USA, hergestellt. Es handelt «rh um e.Ma* tiven Filters mit einem dritten Anschluß, der zur rial aus der Familie der mit einem Do.iatordoUerter Bildung eines Oszillators als Rückkopplungsanschluß «o ^i---

⁸TiVs eine perspektivische Darstellung des bei Lead Titanati Zirconate Compositions« von D A der Schaltungsanordnung nach F ί g. 4 verwendeten Berlincourt C. <Cm öl 1 k und H. J Filtersund in Proceedings of the IRE, Bd. 48, Nr. 2 vom

in Proceedings of the I

^dem

Mittelblech 42 verbunden. Der Mctallkontakt 40 und seiner Resonanzfrequenz läßt sich au:>driickcn als

das Mittelblech 42 bilden einen Kondensator, dessen

Dielektrikum durch das piezoelektrische Element 14 (/„ — C,( ] (

gebildet wird. Ebenso bilden der Mctallkontakt 44 \ rf.su / \ rf.sie

und das Mittelblech 42 einen zweiten Kondensator, 5 oder

als dessen Dielektrikum das piezoelektrische Element /rf« 14

16 wirkt. ° V.SI4

Das Filter 12 kann beispielsweise frei tragend
montiert werden, wobei das Ende 43 des Mittelbleches G₁ ist das maximale Resonanz-Spannungsübersetzungsin einen Epoxykleber getaucht und auf einen Tran- 10 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 piczo-fcrroelektrischcn Material, der Geo- Die Adaption oder Einstellung des piezoelektrischen

metric 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- 30 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 Filtermatcrials 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. 25 welches gleichzeitig den Elementen 14 und 16 zu-

Im Betrieb der in F i g. 1 dargestellten Schaltung geordnet ist. Eine maximale positive oder negative hat die von der Signalquclle 24 kommende Wechsel- Remanenz-Polarisation liegt vor, wenn die ferrospunnung 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 piezecick- 3« gerichtet sind. Das piezc-ferroelektrische Element !6 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 Spannungsübcrsctzungsverhältnis, 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 zusammen-

clektrischen 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

mechanischen 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 piczo-fcrroelektrischen Materia- des Spannlingsübersetzungsverhältnisses über kurze

licn direkt proportional. Daher hängt das Spannungs- und lange Zeiträume zu richten. Bei dem in F i g. 2

iibersetzungsNcrhältnis von der Orientierung der dargestellten Filter ist eine Stabilität der Spannungs-

ferroclektrischcn Bereiche in den Elementen 14 und 16 45 einstellung von J. l°/o des maximalen Rückstellwertes

ab. Es läßt sich daher ein piezoelektrischer Remanenz- für kurze Zeiträume (Millisekunden) und für lange

i/ _fr · . j r · ·. ^rf* ^p* ,„ κ«; ρ „r.j Zeiträume (Tage) gemessen worden. Diese Stabilität

Koeffiz.cnt definieren mit ^ = ^ , wöbe. P_n und ^ ^ ^j^ _{das Spannungsübersetzungs}.

du die Größe des Remanenzwertes des piezoelektri- verhältnis eingestellt worden war, und zwar sowohl sehen Koeffizienten bzw. des Polarisationsfeldes sind, 5° bei einem Zustand, bei dem der Signalgenerator 24 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 Filtereingang diejenigen Werte, welche erhalten werden, nachdem angeschlossen wurde. Weiterhin sind die Einstellungen der Impulsgenerator 38 einen Adaptionsimpuls an 55 des Spannungsübersetzungsverhältnisses für das adapdas Filter 12 gegeben hat. Entsprechend sind die tive Resonanzfilter praktisch reduzierbar, in dem man Sättigiingswerte 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 von geschlossen worden ist.' der Größe und Dauer der dem piezo-ferroelektrischen Mit den oben gegebenen Definitionen sind der Element 16 zugeführten Schaltspannung ab. Damit Remanenzwert rf« des piezoelektrischen Koeffizienten die der Kapazität des Elementes 16 eingeprägte und der Remanenzwert Pn des Polarisationsfeldes Spannung nicht eine fortlaufende Veränderung des größer als ihre negativen Sättigungswerte und kleiner 65 Spannungsübersetzungsverhältnisses hervorruft, wird als ihre positiven Sättigungswerte (-— d_s < rf« < + rfs über den Widerstand40 und den Innenwiderstand und — Ps < Pn < + Ps)- Das Spannungsüberset- des Impulsgenerators 38 ein Entladungsweg vorzungsverhältnis G₀ des Filters 12 bei Erregung in gesehen. Der Impulsgenerator 38 kann so gewählt

7 8

werden, daß sich seine Impulse über einen großen ferroelektrische Material in Form von Stäben oder

Bereich in ihrer Höhe, Form und Dauer verändern Scheiben ausgebildet sein. Wichtiger sind jedoch

lassen, so daß die gewünschte Anpassung des Span- unterschiedliche Elektrodcnformeri. So kann das

nungsübcrsetzungsverhältnisses mit jedem dem EIe- F^:ilter mit mehreren Eingängen oder Ausgängen

ment 16 zuf- ^führten Impuls eingestellt werden kann. 5 ausgebildet sein, weiche durch Aufteilung jedes der

Hierzu liefert der Generator 38 rechteckige Spannungs- piezoelektrischen Elemente oder der Kapazitäten in

impulse zwischen I 100 und | 300 Volt, mit denen einer Anzahl von Abschnitten gebildet werden. Diese

sich das Spannungsübersetzungsverhältnis der. 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 j

des Filters 12 zwischen einer maximalen und einer selbst in einzelne Kanäle erfolgen. Die so gebildeten ;

minimalen Spannungsübersetzung innerhalb einer Segmente bilden unabhängige, elektrisch voneinander j

Schaltzeit von etwa 10* bis 10 ⁴ Sekunden je nach getrennte Eingangs- und Ausgangskapazitäten, deren 1

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 Eingangs- ü

stimmt. Die Verstärkung des Filters 12 ist relativ oder Ausgangskapazitäten durch andere Arten von |

unabhängig von der Amplitude des Eingangssignals auf mechanische Beanspruchungen reagierenden EIe- ί

im Bereich von etwa 1 mV_eti bis 1 V_etr und liegt menten modifiziert werden. Ji

üblicherweise im Bereich um 50 db. Natürlich sind In F i g. 4 ist ein Schaltbild eines Steuersystems unter |

hiervon noch geringe Übertragungsverluste abzuziehen, ao Verwendung eines adaptiven Resonar -filters dar- j

In 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 j

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, ν

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 ί Einstellunr der piezoelektrischen Elemente 14 und 16 besonderen Ausführungsform nach F i g. 4 braucht ζ

auf den Maximalwert ihrer remanenten Polarisation, jedoch nur das piezoelektrische Element 56 außerdem -*

oder anders susgedrückt, der piezoelektrische Rema- ferroelektrische Eigenschaften zu haben. Die Elemente i

nenz-K leffizient für jedes der Elemente 14 und 16 30 52, 54 und 56 stellen Kapazitäten zwischen ihren An- ■<

ist gleich seinem Sättigungswert Schlüssen 58, 60 bzw. 62 und einem Masseanschluß 64 '

dar. κ

(djiu _ j _und dn 16 _ A Mit den piezoelektrischen Elementen 52 und 54

\t/.5i4 ί/.νιβ / 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 Odb. 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

daß der piezoelektrische Remanenz-Koeffizient ^d!"* Integrated Circuits«, Technical Series IC-41 auf S. 159

^K rfsif. erläutert. Diese Veröffentlichung kann von der RCA

auf einhalb sinkt, sinkt das Übersetzungsverhältnis G₀ Corporation, Electronic Components and Devices

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

Kurven stellen jeweils ein weiteres Absinken des 45 werden. ⁶

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

Hälfte dar, so daß sich'die einzelnen Kurven jeweils am Anschluß60, und das am Anschluß 58 erzeugte

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

Die Kennlinie des Filters 12 gleicht der eines Par- kopplungssignal auf den Eingangsanschluß des Ver-

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- p

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

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

1.- L. τ->· «~·. nl /<· \ α· d„ „ fin,, r „f ^an der Steckerverbindung2. Ein Widerstand74 wird t

schiebt. Die Gute Q (^) dieser Resonanzfilter hegt _{55 zwischen die Steckverbil}f_dungen 3 _{und 7 des Scha},_ |

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

zwischen 40 und 100. Die durch die Elemente 14 und 16 die Bandbreite und Verstärkung des Verstärkers ein- |

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

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

Filters 12 und damit auf die Güte Q aus. Da die 60 daß Oberschwingungen des Oszillators vermieden I Verluste von der Größe des piezoelektrischen Koeffi- werden. Zwischen den Anschluß 60 und einem Bezugs- |

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

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

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

linien, sondern nur die Größe des Spannungsüberset- 65 Osziliatorschwingungen durch die Vermeidung über- 1

Zungsverhältnisses des Filters. mäßig großer Ausgangssignale am Anschluß 58 (Rück- I Da^r adaptive Resonanzfilter kann auch in anderer kopplung) stabilisiert werden. f Weise aufgebaut sein. Beispielsweise kann das piezo- Die Ausgangssignale des Filters 50 entstehen am

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Anschluß 62 und werden einer Spannungsvcrdoppler- zwischen den Elektroden klein zu machen und eine schaltung mit Gleichrichter und Filteranordnimg zu- genügend elcKtrische Trennung zwischen den Metallgeführt, welche einen Kondensator 84, zwei Dioden kontakten 116 und 114 zu gewährleisten. Um eine atis-86 und 88. einen Kondensator 90 und einen Wider- reichende elektrische Isolation zu erhalten, braucht stand 92 enthält. Dabei erscheint am Anschluß 94 5 man /wischen den piezoelektrischen Elementen 52 eine Ausganßsgleichspannung, deren Hohe von der und 54 keinen Trennungskanal vorzusehen. Diese Spannungsverstärkung des Filters 50 abhängt. drei Kapazitäten können beliebig als Eingangs-,

Zwischen den Fi'ier-Ausgangsanschluß 62 und den Ausgangs- oder Riiekfülmingskapazität verwendet gemeinsamen Anschluß 64 sind in Reihe ein Wider- werden und eignen sich ferner zur Anlegung einer stand 96. ein Schulter 98 und eine Batterie 100 ge- ίο Polarisationsspannung zur Veränderung der rcmancnschaltet. Wird der Schalter 98 kurzzeitig geschlossen. ten Polarisation der besonderen verwendeten dielekdann wird eine Spannung zwischen die Anschlüsse 62 frischen Materialien. Die Kapazitäten können er- und 64 zur Einstellung des Spannungsübcrsetzungs- forderlichenialls in mehrere Abschnitte unterteilt Verhältnisses des Filters auf einen Uczugspegel an- werden, so daß mehrere Ausgänge entstehen, gelegt. In gleicher Weise sind «.in Widerstand 102. 15 Die Ausführungsform nach F i g. 4 ist so uusgebilein Schalter 104 und eine batterie 106 in Reihe zwi- dct, daü der Oszillator das Filter mit seiner Resonan/-schen die Anschlüsse 62 und 64 geschaltet, so daß frequenz speist. Wiederum wird diese Resonanzeinc Veränderung des Spannungsübersetzungsverhält- frequenz durch das verwendete piezo-ferroclcktrische nisscs des Filters gegenüber dem Bezugspegel bei Material, die Abmessungen des Filters, die Befestigungs kurzzeitigem Schließen des Schalters 98 erfolgt. Ein »o 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 piezoelektriwclche 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- 'ind 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 Hfl

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 elektrische!

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

mit dem Metallkontakt 115 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 Ausgangsanschiuß 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. Zui

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

0,5 mm (einschließlich des 0,16 mm dicken Messing- des Filters wird der piezoelektrische Effekt in der irr

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

3,8 mm und Länge des Mittelbleches 4 mm. Die Weise variiert. Der Schalter 104 kann kurzzeitig zun

Elemente 52, 54 und 56 bestehen aus einem kerami- 5° Anlegen einer entgegengesetzt gepolten Spannung

sehen piezo-ferroelektrischen Material, wie es unter geringerer Amplitude als die Rückstellspannunj

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

Corporation, verkauft wird. Ed handelt sich um ein Bei dem in F i g. 5 dargestellten Aufbau des Filter: Material aus der Familie der Donator dotierten Blei- und mit den in F i g. 4 angegebenen Schaltspan η ungei Zirkonatblei-Titanate, wie sie in dtm bereits erwähnten 55 tritt die Rückstellung auf einem Bezugspegel nach den Artikel in der Zeitschrift Proceedings of the IRE Schließen des Schalters 98 in etwa 3 Millisekunde!

erläutert sind. ein. Die Anpassung des Spannungsübersetzungs

Der Metallkontakt 110 und das Mittelblech 11.2 Verhältnisses des Filters 50 von ihrem maximale:

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

als Dielektrikum dient, eine Kapazität. In gleicher ⁶° dauert nach dem Schließen des Schalters 104 etwi

Weise bilden die Metallkontakte 114 und 116 mit 20 Sekunden. Der Schalter 104 und die Batterie 10*

den als Dielektrikum wirkenden piezc elektrischen können auch durch einen fernsteuerbaren Impuls

Elementen 52 und 54 Kapazitäten. Diese drei Kapa- generator ersetzt werden, was auch für din Schalter 91

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

insbesondere für die mit den Metallkontakten 116 65 Umstellzeit läßt sicli erzielen, wenn man höher

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 Ausgangsglei. hspannung am An

kontakten genügend lang ist, um die Koppelkapazität schluß 94 als Funktion von der Dauer der dem Filter 5

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beim Schür üen 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 Nichtlineantät der Änderung der Ausgangsgleichspannung als Funktion von der Zeit kompensiert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

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

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 gekennzeichnet, 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 Elektrodenrichtung (34,36,38) gekoppelt ist, die eine erste paaren versehen, deren eines mit einer Signalquelle Spannungsquelle (36) zur Einstellung der piezo- fü." 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 zv/eite Sraanungsquelle (38) zur Veränderung werden, mit Hilfe dessen sich die Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelek- verschieben läßt. 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 Furm eines piezoelektrischen zeichnet, daß die zweite Spannungsquelle (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 nichtpiezoelektrischeb Element (52) mechanisch gekop- linearer Spannungscharakteristik bilden. Bei Zupelt ist und daß die Ausgangs·i.ischlüsse (58, 64) 30 führung zweier Signale unterschiedlicher Frequenzen des dritten piezoelektrischen Elements mit den entsteht durch Überlagerung an der nichtlinearen Eingangsanschlüssen (60,64) zu: Bildung eines Kennlinie dieser Kapazität ein die Summen- und Oszillators verbunden sind. die Differenzfrequenz enthaltendes FrequenzgemLch,

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,
zwei mechanisch miteinander gekoppelte piezoelek- Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung

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

Adaptive Filter sind elektrische Baueinheiten mit 5° spannung zur Beibehaltung der gewählten Filterfrequenzabhängigem Durchlaßverhalten, deren Span- eigenschaft ermöglicht. Insbesondere soll sich das nungsübersetzungsverhältnis (Leerlaufausgangsspan- Spannungsübersetzungsverhältnis durch kurzzeitiges nung zu Signaleingangsspannung) veränderbar ist. Anlegen «on 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 .irfindungsgemäß dadurch lichkeit der Veränderung ihrer Eigenschaften eignen gelöst, daß mindestens eines der piezoelektrischen sich solche Filter zur Steuerung elektronischer Ein- Elemente ferroelektrische Eigenschaften hat und richtungen mittels analoger Signale insbesondere in mit einer Steuereinrichtung gekoppelt ist, die eine Fernsehempfängern. Bei Steuersystemen wie sie dort 60 erste Spannungsquelle zur Einstellung der piezoverwendet werden, sollen aber auch analoge Signale elektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen EIeohne Veränderung über genügend lange Zeit ge- ments auf einen Bezugspegel und somit des an den speichert werden können. Außerdem soll ein wieder- Ausgangsanschlüssen erzeugten Signals auf einem hohes Zurückstellen möglich sein, wobei der Speicher- bestimmten Pegel enthält, sowie eine zweite Spannungszustand beibehalten werden soll, falls die Strom- 65 quelle zur Veränderung der piezoelektrischen Eigenversorgung zu der elektrischen Schaltung unter- schäften des piezoelektrischen Elements gegenüber brochen werden sollte. Mit einem aduptiven Filter dem Bczugspegel und somit des Signalpegels an den li'ißc sich eine solche Speicherwirkung erzielen, wenn Ausgangsanschlüsscn aufweist.