DE2722982B1

DE2722982B1 - Schaltungsanordnung fuer eine nach dem Doppler-Prinzip arbeitende Ultraschall-Einbruchssicherungsanlage

Info

Publication number: DE2722982B1
Application number: DE2722982A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl-Phys Kleinschmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-05-20
Filing date: 1977-05-20
Publication date: 1978-09-07
Also published as: US4198618A; CH624502A5; FR2391476A1; JPS53144700A; IT1095141B; CA1102440A; SE7805766L; NL7805449A; ATA361278A; DE2722982C2; GB1603347A; AT364626B; IT7823264A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebene Schaltungsanordnung.

In der nicht vorveröffentlichten deutschen Auslegeschrift 26 13 375 ist eine dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 entsprechende Schaltungsanordnung be- ■>< > schrieben. Es handelt sich dabei um eine Detektorschaltung für Ultraschall-Alarmanlagen, die mit Aussenden und Empfang im Raum reflektierter, in diesem ausgesandter Ultraschall-Strahlung arbeitet Diese Schaltung hat einen Verstärker und einen Demodulator für das empfangene frequenzveränderte Signal zur Weiterleitung desselben an einen mit einer Alarm auslösenden Einrichtung zu verbindenden Ausgangsanschluß. Für das Empfangssignal der Schaltungsanordnung ist ein Amplitudenbegrenzer vorgesehen, mit dem die gesamte Amplitudenmodulation dieses Empfangssignals abgeschnitten wird. Dazu wird das Empfangssignal zuvor so hoch verstärkt, daß das vollständige amplitudenbeschnittene Empfangssignal zur Weiterverarbeitung noch ausreichend Intensität hat Einem Produktdetektor werden dieses amplitudenbeschnittene Signal und ein vom Sender für die Ultraschall-Strahlung direkt abgeleitetes Referenzsignal zugeführt und ein Frequenzdifferenz-Signal gebildet, das an den Ausgangsanschluß zur Weiterleitung an die den Alarm auslösende Einrichtung weitergeleitet wird. Vorteilhafterweise ist zwischen dem Produktdetektor und dem Ausgangsanschluß der gesamten Detektorschaltung ein Bandpaßfilter eingefügt, durch dessen obere und untere Bandpaßfrequenz ein Geschwindigkeitsbereich festgelegt wird. Nur solche Objekte werden dann detektiert, deren Geschwindigkeit in diesen Geschwindigkeitsbereich fällt

In besonderen Anwendungsfällen kann es bei einer Ultraschall-Einbruchssicherungsanlage der genannten älteren Anmeldung erforderlich sein, den exakten Ort der Aufstellung insbesondere des Ultraschall-Empfangswandlers (bzw. desjenigen Geräteteiles, in dem dieser Empfangswandler enthalten ist) speziell im Hinblick darauf auszuwählen, daß nicht durch irgendwelche Interferenzen der Ultraschall-Wandler ein Signal erhält, das für den Phasenvergleich mit dem vom Oszillator dem Phasendetektor zugeführten Signal für die Auswertung ungünstige Phasenlage besitzt Dieses Problem kann an sich in einfacher Weise durch relativ geringfügige differentielle Ortsveränderung des Empfangs- und/oder Sendewandlers behoben werden. Andererseits könnte es aber auch erforderlich sein, bei einer Veränderung der Einrichtung des zu überwachenden Raumes, etwa bei Verrücken eines Schrankes oder dergleichen, eine Ortskorrektur wenigstens eines Wandlers (oder gegebenenfalls des Sendewandlers) vorzunehmen.

Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung für eine Ultraschall-Einbruchssicherungsanlage anzugeben, die eine insoweit verbesserte Ausgestaltung hat, daß auch solche wie voranstehend erwähnte Maßnahmen überflüssig werden.

Diese Aufgabe wird mit einer im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Schaltungsanordnung erfindungsgemäß gelöst, wie dies im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Anhand der Figuren werden, ausgehend von einer kurzen Erörterung der Schaltungsanordnung der älteren Anmeldung, weitere Erläuterungen zur Erfindung (F i g. 2 und 3) gegeben.

F i g. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung nach der älteren Anmeldung P 26 13 375.5;

F i g. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Fig.3 zeigt ein Schaltbild mit Detailangaben einer besonders bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Die in F i g. 1 gezeigte Schaltungsanordnung hat einen Oszillator 1, der eine Oszillatorwechselspannung an einen Ultraschall-Sendewandler 2 liefert Mit 21 ist die ausgesandte Ultraschall-Strahlung angedeutet Mit 31 ist an Wänden des zu überwachenden Raumes und an in diesem Raum befindlichen Objekten reflektierte Ultraschall-Strahlung schematisch angedeutet. Sie wird von einem Ultraschall-Empfangswandler 3 aufgenommen und in elektrische Signale verwandelt. Bei Reflexion an ruhenden Objekten stimmen die Ultra-

schall-Frequenzen der Sendestrahlung 21 und der Empfangsstrahlung 31 überein. Bei bewegten Objekten, die von der Anlage zu detektieren sind, tritt die bekannte Doppelfrequenz-Verschiebung auf, die zur Alarmgabe ausgewertet wird.

Das vom Empfangswandler 3 erzeugte elektrische Signal geht in einen Verstärker 4 und weiter an einen Phasendetektor 5, der außerdem einen Anteil der Oszillatorwechselspannung des Oszillators 1 des Sendeteiles zugeführt erhält. Der Phasendetektor 5 liefert ein ι ο Ausgangssignal, dessen Amplitude vom Phasenunterschied zwischen Oszillatorwechselspannung des Oszillators 1 und vom Empfangswandler 3 gelieferten Empfangssignal abhängig ist. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 5 geht über ein Tiefpaßfilter 6 an eine Auswerteschaltung 7, in der entsprechend einer Wechselstromkomponente des Phasendetektor-Ausgangssignals, nämlich aufgrund an einem bewegten Objekt reflektierter Strahlung, ein Alarmsignal abgegeben wird.

Die Ausrüstung einer Schaltungsanordnung nach F i g. 1 mit einem wie üblichen Phasendetektor bringt gewisse Schwierigkeiten insoweit, als alle bekannten Phasendetektoren keine konstante Empfindlichkeit aufweisen. Die Detektionsempfindlichkeit bezüglich kleiner Phasenschwankungen zwischen den zugeführten Signalen hängt davon ab, wie groß der generelle Phasenunterschied zwischen diesen dem Phasendetektor zugeführten Signalen ist. Für gewisse periodische Werte des Phasenunterschiedes kann die Empfindlichkeit sogar Null werden. Dies kann dann eintreten, wenn bei einer Einbruchssicherungsanlage bzw. einem Raumschutzgerät die empfangenen Signale je nach Aufstellung und Raumgegebenheiten jede beliebige und zeitliche gleichbleibende Phase gegenüber der Sende- a Oszillatorwechselspannung annehmen können. Durch wie oben bereits erwähnte Maßnahmen läßt sich dies jedoch beheben, was gegebenenfalls — speziell bei Veränderungen — Nachjustierung bedingen kann.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung hat die in F i g. 2 gezeigte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine phasenstarre Regelschleife, die auch als PLL-Schaltung bekannt ist. Zu ihr gehören die in der F i g. 2 mit den Bezugszeichen 9,10 und 110 sowie auch 11 und 102 angegebenen Einzelheiten, die noch nachfolgend näher erläutert werden. Die übrigen Einzelheiten der F i g. 2 entsprechen den bereits zur F i g. 1 erläuterten Merkmalen und haben deshalb auch übereinstimmende Bezugszeichen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein in seiner Frequenz — wenn auch nur in geringem Maße von z. B. ±5% — steuerbarer Oszillator 110 mit einem Steuereingang 102 vorgesehen.

Wie an sich zur F i g. 1 bereits beschrieben, liefert dieser Oszillator 110 eine Oszillatorwechselspannung an den Sendewandler 2 und auch an den Phasendetektor 5. Bei der Erfindung wird aber auch ein Teil der Oszillatorwechselspannung des Oszillators 110 einem weiteren Phasendetektor 9 zugeführt, dem ebenfalls ein Anteil des Empfangssignals des Empfangswandlers 3 t,o zugeführt wird. Dieser Signalanteil kann hinter dem Vorverstärker 4 oder auch unmittelbar am Empfangswandler 3 über einen Verstärker 8 abgenommen werden. Letztere Ausführungsform eignet sich insbesondere für die Fälle, in denen der Phasendetektor 9 b5 ohnehin einen Verstärker 8 enthält.

Von dem weiteren Phasendetektor 9 geht dessen Ausgangssignal, das in seiner Amplitude vom Phasenunterschied abhängig ist, durch einen Tiefpaß 10, der in noch anzugebender Weise bemessen ist. Das Ausgangssignal des Tiefpasses 10 geht über einen weiteren Verstärker 11 an den Steuereingang 102 des Oszillators 110.

Ein wie hier vorgesehener steuerbarer Oszillator 110 wird auch als VCO (voltage controlled oscillator) bezeichnet.

Die durch den Phasendetektor 9, das Tiefpaßfilter 10 und den Oszillator 110 gebildete PLL-Regelschleife ermöglicht es, eine vom im Phasendetektor 9 festgestellten Phasenunterschied abhängige Steuerung der Frequenz des Oszillators 110 vorzunehmen.

Die Wirkungsweise der so weit beschriebenen Schaltungsanordnung ist die, daß die Frequenz der Oszillatorwechselspannung so verändert wird, daß — solange sich im Überwachungsbereich keine Objekte bewegen — zwischen Sende-Oszillatorwechselspannung und Empfangssignal am Wandler 3 ein vorgebbarer gleichbleibender Phasenwinkel einstellt Der Phasenwinkel wird je nach Wahl des verwendeten Typs des Phasendetektors so vorgegeben, daß sich eine günstige Detektionswirkung ergibt.

Zur Lösung der Aufgabe ist es aber außerdem zwingend erforderlich, daß stets ein ausreichend großes Empfangssignal am Empfangswandler 3 vorliegt, was nicht gewährleistet ist, wenn auch bei Empfang von Reflexionssignalen an nicht bewegten Objekten aufgrund günstiger Interferenzbedingungen der Ultraschall-Strahlung im Überwachungsbereich das Empfangssignal so schwach ist, daß das PLL-Regelsystem außer Tritt kommt. Diesem Umstand wird mit einem weiteren Merkmal der Erfindung Rechnung getragen. Aus der speziellen Anwendung der Erfindung ergibt sich nämlich, daß Zeiträume vorhanden sind, in denen Ultraschall-Empfangssignale vorliegen, die auf Reflexion an nicht bewegten Objekten beruhen. Solange keine Bewegungen der reflektierenden Objekte auftreten, ist die Frequenz der empfangenen Ultraschall-Strahlung übereinstimmend mit der Frequenz der Sende-Oszillatorwechselspannung. Das bedeutet, daß die PLL-Schaltung während dieser Zeitdauer keine Regelung durchzuführen braucht, so daß das in der PLL-Schaltung vorhandene Tiefpaßfilter 10 eine ungewöhnlich hohe Zeitkonstante von ζ. Β. τ> 1 sec haben kann. Der Arbeitsbereich der PLL-Schaltung mit einem Tiefpaßfilter 10 derartig niedriger Grenzfrequenz reduziert sich dabei auf z. B. Bruchteile von 1 Hz. Dies ist für den Betriebsfall, während dem keine Bewegung von zu detektierenden Objekten auftritt, ohne nachteilige Wirkung. Andererseits wird aber damit gewährleistet, daß die phasenstarre Regelung in diesem stationären Zustand derart auf den Oszillator 110 einwirkt, daß zwischen Empfangssignal und Oszillatorsignal eine andauernd konstante Phasenabweichung besteht, von z.B. 90°. Damit erreicht man eine erste Voraussetzung für eine empfindliche Detektion, nämlich daß keine Phasenunbestimmtheit bezüglich der auszuwertenden Signale besteht.

Durch diese große Zeitkonstante des Tiefpaßfilters 10 wird also diese zweite Voraussetzung erfüllt, nämlich die Vermeidung von Intensitätsauslöschungen am Empfangswandler 3. Würde nämlich zufällig ein solcher Zustand vorliegen, so bekäme der Oszillator 110 keine definierte Steuerspannung mehr und verändert in an sich unkontrollierter Weise seine eigene Oszillatorfrequenz. Wegen der sehr großen Zeitkonstanten der PLL-Schaltung erfolgt dies aber sehr langsam, d. h. in

Zeiträumen, die groß gegenüber der Laufzeit der Ultraschall-Strahlung im Überwachungsraum sind. Bei dieser selbsttätigen Frequenzveränderung des Oszillators 110 ändern sich die Interferenzbedingungen im Raum und es findet sich stets eine von beliebig vielen möglichen neuen Frequenzen für die Oszillatorwechselspannung, für die sich eine ausreichend große Empfangsamplitude am Empfangswandler 3 ergibt. Damit kommt aber der Oszillator HO in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wieder von selbst in die Phasenkontrolle. Die für das Tiefpaßfilter 10 zu wählende Grenzfrequenz wird so bemessen, daß nur solche Signale im wesentlichen unvermindert passieren können, deren Frequenz kleiner als eine kritische Frequenz F₀= -^ ist. Darin ist c die

Schallgeschwindigkeit der Ultraschall-Strahlung im Raum. E ist der Weg für eine Ultraschall-Strahlung, die vom Sendewandler 2 ausgesandt worden ist, an einem in maximaler Entfernung befindlichen Objekt reflektiert worden ist und in den Empfangswandler gelangt. Die Bemessung der Größe Eist unproblematisch und relativ unkristisch. Für ein Gerät einer Ultraschall-Einbruchssicherungsanlage ist im allgemeinen bekannt, wie groß etwa der Raum ist, der zu überwachen ist. Der Wert E kann also nicht das Doppelte der größten Entfernung in dem Raum (Raumdiagonale) übersteigen. Damit ist aber auch keine derartige Einschränkung gesetzt, daß nun für das Gerät eine besondere Bedingung für den Anwendungsbereich geschaffen wäre. Die Größe E kann ohne weiteres eine Größenordnung — sogar bis zu zwei Größenordnungen — größer vorausgewählt sein als diejenige Weglänge ist, die nachher im einzelnen tatsächlichen Anwendungsfall als maximale Weglänge für Ultraschall-Strahlung vorliegt.

Andererseits unterscheidet sich aber die angegebene Bemessung für das Tiefpaßfilter 10 noch ganz entscheidend gegenüber solchen Werten für Filter in PLL-Schaltungen, wie sie üblicherweise in deren Regelkreis vorhanden sind.

Für den Betriebsfall des Empfangs frequenzverschobener Signale, die an bewegten Objekten reflektiert worden sind — Detektionsfall — arbeitet die in der Schaltungsanordnung vorhandene PLL-Schaltung nicht immer direkt als eine solche Schaltung. Die überlagerte Doppler-Frequenzmodulation von z. B. 40 bis 400 Hz ist für die aufgrund der voranstehenden Bemessung vorliegende träge Reaktion dieser PLL-Schaltung, d. h. aufgrund der niedrigen Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 10, schon zu schnell. Dennoch arbeitet aber die PLL-Schaltung weiterhin für die durchschnittliche Einhaltung der Phasenbeziehung und vermeidet auch im Fall der Detektion einer Bewegung, d. h. bei Vorliegen eines dopplerfrequenzverschobenen Empfangssignals, ungünstige generelle Phasenlagen.

Es ist an sich nicht erforderlich, darauf einzugehen, daß für eine längere Zeitdauer vorliegende Empfangssignale gleicher einsinniger Dopplerverschiebung besonders berücksichtigt werden müßten. Ein solcher Fall könnte zwar die starre Phasenregelung außer Tritt bringen. Solche dopplerfrequenzverschobenen Empfangssignale sind aber stets so intensitätsstark, daß eine nicht strenge Einhaltung der Phasenregelung im Sinne der Erfindung zu einem Ausbleiben der Detektion führen könnte, da solche Empfangssignale stets ausreichend intensitätsstark sind.

F i g. 3 zeigt ein vollständiges Schaltbild mit einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung. An sich bedarf dieses Ausführungsbeispiel keiner besonderen Erläuterung für den Fachmann. Es sollte aber dennoch eine Erläuterung in bezug auf die Verwendung eines handelsüblichen integrierten PLL-Schaltkreises (Signetics PLL-Tondecodertyp NE 576) gegeben werden. Der Oszillator 110 besteht aus einem Oszillator, wie er in F i g. 1 mit 1 bezeichnet ist, und aus vom Eingang 102 her beeinflußbaren Schaltungsmitteln zur Frequenzsteuerung des Oszillators. Dieser Oszillator HO ist zusammen mit dem Verstärker 11 und einem Widerstand des Tiefpaßfilters 10 in diesem IC-Schaltkreis enthalten. Als frequenzbestimmender Kondensator des Tiefpaßfilters 10 der PLL-Schaltung dient der Kondensator 100 der F i g. 3. Der weitere Phasendetektor 9 ist ebenfalls in der IC-Schaltung enthalten. In der Schaltung der F i g. 3 sind der Verstärker 8 und der Verstärker 4 der Schaltungsdarstellung nach F i g. 2 ein und derselbe Verstärker. Der Phasendetektor 5 wird von einem logischen NAND-Glied gebildet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für eine nach dem Doppler-Prinzip arbeitende Ultraschall-Einbruchs- ^r> sicherungsanlage mit einem Sendewandler, der von einem Oszillator mit einer Oszillatorwechselspannung gespeist ist und der im Betrieb kontinuierlich Ultraschall-Strahlung aussendet, mit einem Empfangswandler mit einer mit dem Empfangswandler ι ο verbundenen Empfangsschaltung, die eine Auswerteschaltung und einen Phasendetektor aufweist, der das Empfangssignal des Empfangswandlers fortlaufend mit der Oszillatorwechselspannung vergleicht und ein vom gegenseitigen Phasenwinkel abhängiges Detektionssignal bildet, das der auf die Wechselstromkomponente dieses Detektionssignals ansprechenden Auswerteschaltung zuführbar ist, gekennzeichnet dadurch, daß die Schaltungsanordnung eine phasenstarre Regelschleife (PLL) hat, zu der ein weiterer Phasendetektor (9), ein diesem Phasendetektor (9) nachgeschaltetes Tiefpaßfilter (10) und der Oszillator (UO) gehören, wobei der Oszillator (110) ein an einem Steuereingang (102) in seiner Frequenz steuerbarer Oszillator ist, und wobei das Tiefpaßfilter (10) bezüglich seiner Grenzfrequenz so bemessen ist, daß nur solche Signale praktisch unvermindert passieren können, deren Frequenz kleiner als eine kritische Frequenz F_c= ψ ist, worin c die Schallgeschwindigkeit der

Ultraschall-Strahlung im Raum und E der Weg für die Ultraschall-Strahlung vom Sendewandler (2) zu einem in vorgegeben maximaler Entfernung befindlichen reflektierenden Gegenstand und weiter zum r> Empfangswandler (3) ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das dem weiteren Phasendetektor (9) zuzuführende Signal hinter einem dem Empfangswandler (3) nachgeschalteten Verstärker (4) abgenommen wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das dem weiteren Phasendetektor (9) zuzuführende Signal diesem Detektor vom Empfangswandler (3) über einen weiteren Verstärker (8) direkt zugeführt ist.