DE2448726B2 - Ultraschallwellen-Generator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwellen-Generator mit mindestens einem piezoelektrischen Wandler, der mindestens eine Treiberelektrode aufweist, welche an einen in seiner Frequenz veränderbaren Oszillator angeschlossen ist, dessen Frequenz durch eine Rückkopplungsschaltung bestimmt wird, wobei der Wandler eine Rückkopplungselektrode aufweist, deren von der Amplitude des Wandlers abhängige Spannung die Frequenz des Oszillators steuert.

Ultraschallwellen-Generatoren werden in den verschiedensten Anwendungsgebieten, wie zum Beispiel sonaren Fischsuchgeräten, Befeuchtern, Tintennebeldruckern usw. verwendet. Der die Ultraschallwellen abgebende piezoelektrische Wandler soll hierbei in seiner Resonanzfrequenz betrieben werden, bei welcher die maximale Ultraschallwellenleistung erzeugt wird und der Wirkungsgrad des Wandlers maximal ist.

Es ist bekannt, den durch den Wandler fließenden Strom und die Spannung, an welcher der Wandler liegt abzugreifen und zur Frequenzregelung des Oszillators zu verwenden. Hierbei ist jedoch nachteilig, daß die Änderung des den Wandler durchfließenden Stroms

bzw. die Änderung der am Wandler liegenden Spannung nihcht immer mit einer Änderung der Resonanzfrequenz des Wandlers korrespondiert Bei Änderungen der Resonanzfrequenz infolge äußerer Einflüsse, wie zum Beispiel infolge von Temperaturänderungen, ist es nicht möglich, die optimale Ausgangsleistung zu erhalten.

Bei einem weiteren bekannten Ultraschallwellen-Generator wird die Amplitude des Wandlers gemessen, die dann die Frequenz des Oszillators bestimmt Dies bedeutet, daß bei einer Amplitudenabnahme des Wandlers die Oszillatorfrequenz verringert wird, dadurch sich die Amplitude des Wandlers wieder erhöht, gleichzeitig jedoch diese Amplitudenerhöhung sich durch die Rückkopplung in einer Erhöhung der Oszillatorfrequenz auswirkt. Diese Frequenzregelung kann nur dann wirken, wenn zwischen Oszillator und Wandler ein eine Hysterese aufweisender Transformator geschaltet ist. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist also nachteilig, daß die Amplitude des Wandlers nahezu ungedämpft um die Maximalamplitude pendelt, sich jedoch nicht auf diese einspielt.

Es besteht daher die Aufgabe, den eingangs genannten Ultraschallweilen-Generator so zu verbessern, daß die Maximalamplitude des Wandlers mit weitestgehender Genauigkeit sich einstellt.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Bei der Lösung wird von dem Regelprinzip ausgegangen, bei einer Amplitudenabnahme die Oszillatorfrequenz abfallen zu lassen, was zu einem Anwachsen der Amplitude führt, bis die Oszillatorfrequenz so weit abgefallen ist, daß wiederum eine Amplitudenabnahme auftritt. Diese abermalige Amplitudenabnahme führt

to nunmehr jedoch zu einem Anwachsen der Oszillatorfrequenz und die Amplitude steigt von neuem bis die Oszillatorfrequenz wiederum einen Wert aufweist, bei welchem die Amplitude abermals abfällt. Dieser abermalige Amplitudenabfall führt jedoch dann wiederum zu dem erstbeschriebenen Regelvorgang.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt
F i g. 1 eine Schaltungsanordnung eines Ultraschallwellen-Generators;

Fig.2 eine Ausführungsform der Bauweise eines Wandlers;

F i g. 3 Kurvenverläufe, welche die Arbeitsweise des Generators von Fig. 1 erläutern;

F i g. 4 die Eingangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators in F i g. 1 als Funktion der Frequenz und F i g. 5 eine Schaltungsanordnung eines Komparators vom Integraltyp.
F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild einer Ausführungs-

form des Ultraschallwellen-Generators gemäß der vorliegenden Erfindung. In F i g. 1 bezeichnet die Bezugszahl 4 einen Gleichrichter, dessen Ausgangssignal einem Rückkopplungs-Detektorschaltkreis 5 zugeführt wird. Der Rückkopplungs-Detektorschaltkreis 5 umfaßt einen »sample Hold«-Kreis mit den Feldeffekttransistoren 5a und 5b und deren zugeordneten Widerständen und Kondensatoren, einen Oszillator 5c, dessen Taktimpuls die Zeitgabe des wirklichen »samp-

ling«-Vorgangs im »sample hold«-Schaltkreis bestimmt, einen Komparator 5d, welcher die Eingangsspannung des »sample hold«-Kreises mit der Ausgangsspannung des »sample hold«-Kreises vergleicht Der »sample hold«-Kreis bewahrt das Gleichspannungsniveau vom Gleichrichter 4 nach einem bestimmten Taktimpuls so lange auf, bis der darauffolgende Taktimpuls vom Oszillator 5c erscheint Der Komparator 5d vergleicht die Eingangsspannung des »sample hold«-Kreises mit der Ausgangsspannung desselben und stellt fest, ob sich iu die Eingangsspannung am »sample hold«-Kreis während jedem Zyklus des Taktimpulses vom Oszillator 5c erhöht oder verringert hat

Der Detektorschaltkreis 5 liefert ein Ausgangssignal, wenn die Eingangsspannung am »sample hold«-Kreis kleiner als die vorhergehende ist Das Ausgangssignal des Detektorschaltkreises 5 wird an den Differentiationsschaltkreis 6 gelegt, dessen Ausgangssignal über das ODER-Gatter 7 einen Binärzähler 8 triggert und dessen Ausgangssignal von 1 nach 0 oder umgekehrt umschaltet Das Ausgangssignal des Zählers ?■■ wird von einer Integrierschaltung 9 integriert Deren integriertes Ausgangssignal wird einem Spannungsbegrenzer 10 zugeführt. Dieser Spannungsbegrenzer 10 stellt im voraus einen bestimmten Spannungsbereich für die 2^r> Frequenzkontrolle ein. 11 ist ein spannungsgesteuerter Oszillator, der eine zur Eingangsspannung proportionale hohe Frequenz erzeugt. Die vom Oszillator 11 kommende hohe Frequenz wird vom Leistungsverstärker 12 verstärkt; dessen Ausgangssignal wird an die Jo Treiberelektrode 13a des Wandlers 13 angelegt.

F i g. 2 zeigt den Aufbau des Wandlers 13, der eine Treiberelektrode 13a und eine Rückkopplungselektrode 13Z» besitzt. Die Spannung, die von der Rückkopplungselektrode 13i> erfaßt wird, wird zum Gleichrichter 4 J3 zurückgespeist.

Nun wird die Arbeitsweise des Ultraschallwellen-Generators von F i g. 1 anhand der Diagramme in F i g. 3 erläutert. Die horizontale Achse in F i g. 3 ist eine Zeitachse. Kurve (a) zeigt die Ausgangswellenform des »sample hold«-Kreises 4; Kurve (b) die Ausgangswellenform des »sample hold«-Kreises 5; Kurve (c) die Ausgangswellenform des Komparators 5d; Kurve (d) die Ausgangswellenform des Differentiationsschaltkreises 6; Kurve (e) die Ausgangswellenform des Binärzählers 8; Kurve (f) die Eingangswellenform am spannungsgesteuerten Oszillator 11 und Kurve (g) den Frequenzwert, der an die Treiberelektrode 13a des Wandlers gelegt wird.

Es sei nun angenommen, daß die Resonanzfrequenz des Wandlers 13 sich zur Zeit (T\) aufgrund der Atmosphärentemperatur verändert. Die Ausgangsspannung der Rückkopplungselektrode 136 verringert sich; diese Ausgangsspannung wird vom Gleichrichter 4, wie in Fig.6 (a) gezeigt, verarbeitet. Der ;>tample hold«-Kreis im Detekorschaltkreis 5 untersucht über eine bestimmte »sampling«-Periode hinweg das Ausgangssignal des Gleichrichters 4. Der aufgezeichnete Wert reduziert sich zur Zeit 7Ί (F i g. 6(b))\ entsprechend liefert der Komparator 5d ein Ausgangssignal, wie in &o Fig.6 (c) gezeigt. Der Differentiationsschaltkreis 6 empfängt ein Signal a und erzeugt ein Signal b, wie in F i g. 6 (d) gezeigt. Das differenzierte Signal b wird als Triggerimpuls an den Binärzähler 8 gelegt. Dessen Ausgangssignal wird, wie in F i g. 6 (e), durch das differenzierte Signal b umgeschaltet. Daher verringert sich das Ausgangsniveau der Integrierschaltung 9 und die Eingangsspannung am spannungsgesteuerten Oszillator 11 nach der Zeit Ti (Fig.6 (ff) mit einer Geschwindigkeit, die von der Zeitkonstante C · R bestimmt ist Aufgrund der Verringerung der Eingangsspannung nimmt die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 11 nach der Zeit Ti wie in F i g. 6 (g) gezeigt ab. Es sei angenommen, daß die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators U sich verringert. Die Treiberfrequenz, die vom Leistungsverstärker 12 geliefert wird, nähert sich der Resonanzfrequenz /0 des Wandlers 13, wenn die Detektorspannung der Rückkopplungselektrode 136 sich erhöht. Dagegen divergiert die Treiberfrequenz, die vom Leistungsverstärker 12 geliefert wird, von der Resonanzfrequenz f₀ des Wandlers 11, wenn die Detektorspannung der Rückkopplungselektrode 13/j sich verringert Im letzteren Falle wird die Verringerung der Spannung der Rückkopplungselektrode 13Z? durch den Detektorschaltkreis 5 erfaßt. Der Komparator 5d liefert ein weiteres Ausgangssignal. Der Ausgang des Binärzählers 8 wird wiederum umgekehrt, die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 11 vergrößert sich und die Frequenz, die der Treiberelektrode 13a zugeführt wird, nähert sich der Resonanzfrequenz des Wandlers 13. Im ersten Falle vergrößert sich die Detektorspannung, da die Treiberfrequenz sich der Resonanzfrequenz nähen. Die gleiche Arbeitsweise wird wiederholt, bis die Detektorspannung ein Maximum erreicht.

Wenn sich die Detektorspannung an der Rückkopplungselektrode 136 wiederum zur Zeit T2 verringert, wird ein ähnlicher Vorgang ausgeführt. Zunächst erzeugt der Komparator 5d ein Ausgangssignal a'; ein Triggerimpuls b' vom Differentiationsschaltkreis 6 kehrt den Ausgang des Binärzählers 8 um. Die Integrierschaltung 9 erzeugt eine Ausgangsspannung, deren Amplitude sich mit einer Geschwindigkeit vergrößert, die durch die Zeitkonstakte C ■ R bestimmt ist. Diese Ausgangsspannung wird an den spannungsgesteuerten Oszillator durch den Spannungsbegrenzer 10 hindurch angelegt und erhöht dessen Ausgangsfrequenz. Sollte die Rückkopplungselektrode 13Z> zur Zeit T3 eine Verringerung der Spannung erfassen, wird ein Vorgang, der dem oben geschilderten entgegengesetzt ist, ausgeführt und die Treiberfrequenz am Wandler 13 reduziert. Der oben geschilderte Vorgang wird jedesmal ausgeführt, wenn die Detektorspannung sich verringert.

Ein Oszillator 14, der eine beträchtlich geringere Frequenz als die Frequenz der von der Integrierschaltung 9 kommenden Triggerimpulse liefert, sorgt für ein automatisches Ingangsetzen der Vorrichtung, wenn der elektrische Strom angeschaltet wird. Das Ausgangssignal des Oszillators 14 wird über das ODER-Gatter 7 an den Binärzähler 8 gelegt. Der Binärzähler 8 kann entweder durch den Differentiationsschaltkreis 6 oder durch den Oszillator 14 getriggert werden.

Fig.4 zeigt die Beziehung zwischen der Eingangsspannung (senkrechte Achse) des spannungsgesteuerten Oszillators 11 und der Oszillatorfrequenz (horizontale Achse). V_a ist die maximale Eingangsspannung, Vt, die minimale Eingangsspannung. Wenn der elektrische Strom angeschaltet wird, ist der Zustand des Binärzählers 8 zufällig. Der Punkt A in Fig.4 kann also dem zurückgestellten (0) Zustand des Binärzählers 8 entsprechen. Unter diesen Bedingungen kann jedoch der spannungsgesteuerte Oszillator nicht bei der Resonanzfrequenz /0 schwingen. In diesem Falle verändert der Oszillator 14 den Zustand des Binärzählers 8 und macht es möglich, daß der Oszillator U bei

der Resonanzfrequenz fa schwingt.

Als Abwandlung der Ausführungsform nach F i g. 1 kann der »sample hold«-Kreis im Rückkopplungs-Detektorschaltkreis durch einen Komparator vom Integraltyp (F i g. 5) ersetzt werden. Dieser hat eine große Zeitkonstante.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Ultraschallwellen-Generator mit mindestens einem piezoelektrischen Wandler, der mindestens eine Treiberelektrode aufweist, welche an einen in seiner Frequenz veränderbaren Oszillator angeschlossen ist, dessen Frequenz durch eine Rückkoppiungsschaltung bestimmt wird, wobei der Wandler eine Rückkopplungselektrode aufweist, deren von der Amplitude des Wandlers abhängige Spannung die Frequenz des Oszillators steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungselektrode (i3b) mit einem Rückkopplungsdetektorschaltkreis (5) verbunden ist, der bei Abfall der Wandleramplitude einen Binärzähler (8) umschaltet, dessen binärer Schaltzustand für eine Erhöhung bzw. Verringerung der Frequenz des Oszillators (11) bestimmend ist

2. Ultraschaüwellen-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (11) ein spannungsgesteuerter Oszillator ist und zwischen Binärzähler (8) und Oszillator (11) eine Integrierschaltung (9) geschaltet ist

3. Ultraschallwellen-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß zwischen dem Rückkopplungsdetektorschaltkreis (5) und dem Binärzähler (8) ein ODER-Gatter (7) geschaltet ist, dessen einer Eingang mit einem weiteren Oszillator (14) verbunden ist.

4. Ultraschallwellen-Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rückkopplungsdetektorschaltkreis (5) und Binärzähler (8) vor dem ODER-Gatter (7) ein Triggerschaltkreis in Form eines Differentiationsschaltkreises (6) geschaltet ist.

5. Ultraschallwellen-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rückkopplungselektrode (i3b) und Rückkopplungsdetektorschaltkreis (5) ein Gleichrichter (4) geschaltet ist.

6. Ultraschallwellen-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Rückkopplungsdetektorschaltkreis (5) einen Komparator {5d) aufweist, der periodisch den Augenblickswert der Wandleramplitude mit dem vorherigen in einem sample hold-Kreis (5a, 5b) gespeicherten Augenblickswert vergleicht