DE2803749C3

DE2803749C3 - Schaltungsanordnung für einen nach dem Doppler-Prinzip mit getrennten Sender- und Empfängeranordnungen arbeitenden Bewegungsrichtungsmelder

Info

Publication number: DE2803749C3
Application number: DE19782803749
Authority: DE
Inventors: Heinz vom 5000 Köln Scheidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-01-28
Filing date: 1978-01-28
Publication date: 1981-09-03
Also published as: DE2803749A1; DE2803749B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen nach dem Doppler-Prinzip mit gelrennten Sender- und Empfängeranordnungen arbeitenden Bewegungsriehlimgsmelder, mit einem Ullrasehallsender als Signalsender, und einem Ultraschallempfänger als .Signalempfänger, zur Aufnahme der vom bewegten Objekt zurückkehrenden Signale und einer Auswerteeinrichtiing, wobei Detektoreinrichtungen unier Ausnutzung des Doppler-Effekts abhängig von dem empfangenen Signal ausgangsseitig bei Vomandensein des bewegten Objekts ein Objektsignal unter Verwendung eines Oszillators zur Erzeugung der Sendelrequenz. eines Mischers, einer Phasenschieberanordnimg sowie zwei nachgeschalleten Bandpass-Verstärkern, einer Abtast- und Halteschaltung sowie einer Auswerteschaltung vorgesehen sind.

Eine derartige Schaltungsanordnung wird bei Ultraschall-Alarmanlagen dazu eingesetzt, um das Vorhandensein eines bewegten Zielobjektes innerhalb eines überwachten Bereiches festzustellen und eine Alarmmeldung oder eine Alarmanzeige bei Vorhandensein eines solchen Zielobjektes zu liefern.

In der US-PS 36 65 443 bzw. der gleichlautenden DE-AS 2144 050 ist eine derartige Ultraschall-Alarmanlage beschrieben, die dadurch gekennzeichnet ist,daß unter Auswertung unterschiedlicher Spektralsyminetrieeigenschaften der zurückkehrenden obiektbedinglen und störungsbedingten Signale das Öbjcklsignal von mehreren Detcktoreinrichtungen bei bewegtem Zielobjekt in Abhängigkeit von dessen Bewegungsrichtung entweder ein erstes oder zweites Ausgangssignal darstellt, während das Störsignal bei Störerscheiiiungen gleichzeitig sowohl das erste als auch das zweite Ausgangssignal umfaßt, und daß eine auf die genannten Ausgangssignalc ansprechende Auswerfeinrichtung eine Alarmmeldung nur beim Auftreten des ersten oder des zweiten Ausgangssignals hervorbringt.

Durch die vorbekannte Ultraschall-Alarmanlage soll die Aufgabe gelöst werden, die Häufigkeit von Fehlauslösungen aufgrund von Störerscheinungen herabsetzen zu können, ohne daß die Ansprechempfindlichkeit gegenüber echten bewegten Ziclobjekten leidet. Hierzu wird eine bestimmte spektrale Eigenschaft von Echosignalen aufgrund bewegter Zielobjekte und aufgrund von Störerscheinungen dazu verwendet, eine verbesserte Unterscheidung und Erfassung von bewegten Zielobjeklen beim Vorhandensein solcher Störerscheinungen zu gewährleisten.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gellt, gegenüber der vorbekannten Ultraschall-Alarmanlage eine Schaltungsanordnung für einen Be-

wegungsrichtuiigsmclder zu schaffen, clic einen großen Frequenzbereich der Bewegungserkennung zuläßt und einen wesentlich verhesserten Slör-Nutzabstand aufweist.

Zur Losung dargestellten Aufgabe wird eine Schaltungsanordnung, wie im Patentanspruch angegeben. vorgeschlagen.

Anhand der Zeichnungen soll der Gegenstand tier Erfindung niiher eriäutert werden. Es zeigt

Fig. I ein Prinzipschaltbild der Schaltungsanordnung gcniR'i der Erfindung,

Fig. 2 die grafische Darstellung der Signalbewcitiing an einem Integratorausgang,

Fig. 3 eine grafische Darstellung des Ursprungssignals sowie des korrigierten Signals.

Wie sich aus Fig. I ergibt, besteht die Schallungsanordnungdes Bewegungsriehtuugsmelders nach dem Ultraschall-Zwei-Wandler-System unter Anwendung des Dopplcr-Prinzips aus einem Huuplos/illalor 1. dereinen Rechteckgenerator mit einem Tastverhält-IJis von 3,2% abgeslin?;»! auf vierfache Sender/i-inpfängerfrequen/.darstellt. Mit 2 ist ein Ahslinimpoientiometer bezeichnet.

Der Ausgang des Haiiploszillators ist mit einem Schieberegisters verbunden, welches einerseits die vom Oszillator kommende Frequenz durch \ier leih zur Gewinnung der Scnder/Empfängerfreqiienz. Gleichzeitig erzeugt das Schieberegister zwei um ¹M)" gegeneinander versetzte Impulse mil der Phase Ol und 01, bezogen auf die Scnder/Emplängerlrequenz. In den Vcrkniipfungsstufen 4 wird die Phase Ol bzw. Ol mit einem Impuls von vorzugsweise 0,8'}; der Wandlerfrequenz verknüpft. Die beiden Stufen 4 sind an zwei Umkehrstufe!! 5 zum Invertieren der Phase Ol und der Phase 01 geschaltet.

Der Ultraschallsender 7 isl über einen Treiberverslärker 6 mit dem Schieberegister 3 verbunden.

Der Empfängcrwandler X zum Empfang der reflektierten Ultraschallsignale sieht über einen Ultraschallempfänger- Vorverstärker 9 und einen selektiven Ultraschall-Nachverslärker 10 mit den beiden Schaltern 11 und 12in Verbindung. Durch Auftastung der Schalter mit den Signalen an ilen Ausgängen der Umkehrstufen 5 wird zunächst am Schalter Il die Doppler-Frequenz gewonnen. Am Schaller 12 wird die Doppler-Frequenz erhallen mit gegenüber der am Schalter 11 anliegenden um W vor bzw. ^l)0^r' nacheilender Phase bei Annäherung bzw. Entfernung vom Wandlersyslem. Die Doppler-Frequenz am Sehalter 11 wird über einen Bandpass-Verstärker 13 zur Verstärkung des Doppler-Signals und Unterdrückung der Ultraschall-Trägerfrequenz einem Nachverstärker 14 zugeführt, der die Verstärkung und Begrenzung des Doppler-Signals und die Einspeisung eines Korrektursignals, die noch näher beschrieben wird, vornimmt. Die um 90° phasenverschobene Doppler-Frequenz am Schalter 12 wird über einen Bandpass-Verstärker IS und einen Nachverstärker 16 zur Nachverstärkung und Begrenzung des phasenverschobenen Doppler-Signals zum Synchronimpulsgewinn einem freilaufenden Oszillator 17 zugeführt, indem ab einer bestimmten Amplitude vom Verstärker 16 von diesem in den Nulldurchgängen zwangsläufig synchronisiert wird. Der Oszillator arbeilet dann als übersteuerter Schaltverstärker ohne Signalerzeugung einer Impulsfolge entsprechend einer mittleren Doppler-Frequenz von vorzugsweise 100 Hz bei 50 Hz Netzfreuuenz. Dem Oszillator 17 ist ein Diffe-

icnzicrglicd 18 nachgc schaltet, durch welches ein positiver Auflastimpuls für den nachgeschalteten Schalter 20 aus der positiven Rechteckflanke des Oszillators 17 gewonnen wird. In die Zuleitung am Schaller 17 sind zwei Inverter /u; Signalformung des Schaltsignals zu einem Impuls \on maximal 10'r der IVriodendauer der höchsten erfaßten Doppler-Frequenz geschaltet.

Der Schalter 20 wird im Scheitelpunkt der bei Annäherung positiven und bei Entfernung negativen Halbwelten des Doppler-Signals vom Verstärker 14 mit den Auilastimpulscii \um Inverter 19 durchgeschaliet. Am Ausgang des Schalters liegt ein Speicherkondensator 21 mit Entladewiderstand, an dem eine Zwischenspeicherung der abgetasteten Augenblicksamplitude durchgeführt wird. DiiiTh geeignete Auslegung der Zeitkonstante. vorzugsweise 30 mS. wird eine gleichwertige Bewerlimn hoher und niedriger Doppler-Frequenzen erreicht.

Der nachfolgende Impedanz-Wandler 22 dient zur belasliiiigNireien Abn;ihnie <\cr Kondensuiorl.-tduni! von 21 und biirlct mit dem Schaller 20 und dem Kondensator 21 eine Abtast- und Halteschaltung.

Zur Integralion und zeillichen Mittelwertbildung der Signale von 22 isl ein Integrator 23 nachgeschahet. Bei Vorliegen einer Doppler-Frequenz von bestimmter Dauer und Amplitude wird das jeweils positive oiler negative Signal der Abtast- und Halteschaltung 20. 21, 22 .ti einer »on der Ruhelage abweichenden Spannung aul'integrijit.

Der Integrator 23 ist mit einem Korrekturnetzwerk 31 und über einen Begrenzer 28. der die Ansteuerung der Korreklurverstiirker 29 und 30 auf einen bestimmten Teil des Integratorausgangs 23 begrenzt, mit dem Korreklurvcistärker 29 und dem Integrator 30 verbunden, deren Ausgänge zusammcngeschaltct und einerseits mit dem Eingang des Nachverstärkers 14 und dem Eingang des Korreklurnetzwerkes 31 verbunden sind.

Der Korrekturverstärker 29 führt ein verstärkimgsminderndes Korrektursignul zu dem Verstärker 14. Infolge der Begrenzung durch den Begrenzer 28 wird die Verslärktmgsredu/ierung nur bis zu einer bestimmten Störaiv.plitiide wirksam. Stärker einfallende Nutzsignale werden demgegenüber unwesentlich reduziert. Mit steigender Nutzamplitude wird die Reduzierung prozentual immer geringer (v Fig. 2 und 3). Der Betrag der Verstärkungsminderung ist infoige des Integrators 23 in der Regelschleife umgekehrt proportional der Doppler-Frequenz und damit der statistischen Verteilung der Störfrequenzen angepaßt.

Der Integrator 30 dient der AmpliUidensymmetrierung. Innerhalb des gleichspannungsgekoppelten Verstärkungszuges 14 his 23 vorhandene Offset- oder Driftfehler weiden im Integrator 30 aufintegriert und im Eingang des Verstärkers 14 zur Korrektur eingespeist. Infolge der Amplitudenbewertung der Abtast-U η ti Halteschaltung 20, 21, 22 können länger anhaltende Störsignalc, überwiegend einer Richtung, ebenfalls eine Abweichung von der Ruhelage des Integratorausganges 23 bewirken. Auch diese wird durch den Integrator 30 mit großer Zeitkonstante über einen längeren Zeitraum ausgeglichen (Fig. 3b). Durch Ansteuerung des Integrators 30 mit dem begrenzten Signa! von 28 wird sichergestellt, daß Nutzsignale keine Reduzierung der Regelzeitkonstante bewirken. Durch diese Maßnahme wird eine Unsymmetrie in der Verstärkeraussteuerunu vermieden bzw. korripieri.

Die (icsamtkorrcklur ergibt sich aus Fig. 3a iiiul h.

Durch verbleibende statische Fehler kann die Ruhelage des Inlegratorausganges 23 von der Mille des Sehaltfensters der beiden an das Korrekturnetzwerk geschalteten Schwellwertschalter 24 und 25 abweichen. Dies hai jedoch eine entgegengcset/le Ablage am Integrator:! isgang 30 zur Folge. Im Korrcklmwerk 31 wird also ein Teilbetrag des Integrators 30 dem Ausgangssignal von 23 zugeführt, derart, daß die Summe, langfristig gesehen, konstant auf dem Potential der Fenstermitte verbleibt. Hei Auftreten eines Nutzsignals entsteht infolge der sehr viel größeren /eilkonstanledes Integrators keine sofortige Korrck-Uirspannung. so daß die zur Alarmauslösung benutzte Spannung des Integrators 23 überwiegt.

Die beiden Schwellwertschalter 24 und 25 schalten bei Über- bzw. Unterschreiten des durch zwei bei 34 und 35 angelegte Referenzspannungen gebildeten Fensters(Fig. 2) in den aktiven Zustand. Dazu ist der Ausgang des Schalters 24 über einen Inverter 26 mit einer (Hler-Verknüpfung 27 verbunden, die direkt mit dem zweiten Schwellwertschalter 25 in Verbindung steht. Die Oder-Verknüpfung liefert bei Aktivierung mindestens eines Schwellwertschalter ein Ausgangssignal zur weiteren Verarbeitung in nachfolgenden Einrichtungen 32 entsprechend dem gewünschten Verwendungszweck. Mil 33 ist eine Empfindlichkeit sei nstcl Iu ng bezeichnet.

In F ig. 2 ist die Signalbewertung am Integiatorausgangdargestellt. Wie sich hieraus ergibt, isl die reduzierte Verstärkung um ±40' ; um die miniere Ruhelage dargestellt. Die normale Verstärkung liegt zwischen +40 und l 75 bzw. -40 und -75';. Die Alarmauslösung liegt zwischen -I 75 und ^ KI(I'; bzw. -75 und' - IHO';.

Die durch die oben beschriebene Schaltungsanordnung gegebenen Verhältnisse zwischen dem Ursprungssignal, dem korrigierten Signal sowie der Abtastaniplilude ergeben sich aus Fig. 3, in der in einem waagerechten ausgezogenen Strich die mittlere Ruhelage dargestellt isl. während gestrichelt ansteigend die korrigierte Ruhelage gezeigt ist. Zwischen dem Ursprimgssignal und dem korrigierten Signal beträgt der Anstand u. Der KonekHirbctrag ergibt sich aus der Hreite der Abtaslamplitude und der Höhe der konigierten Ruhelage. Die umerzögen wirkende lineare Gegenkopplung ist bei Fig. 3a gezeigt, die l.angzeitkorrektur bei b. und a -)- b ergeben somit die (iesamtkorreklur.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bestehen nun gegenüber der obengenannten vorbekannten Schaltungsanordnung zunächsl in einem wesentlich größeren Frequenzbereich der Hewegungserkcnnung. insbesondere bei niedrigen Doppler-Frequcn/.eii. Ferner ergibt sich ein wesentlieh verbessertes Stör/Nutzverhältnis bei gleichzeitiger Richlungseikennung. Dies wird erreich! durch

1. den synchronisierten Oszillator 17 vor dem Impulsformer I¹J. Der Oszillator läuft frei auf 100 Hz weiter, auch bei schwachen und langsamen Signalen;

2. durch den Integrator 30 zur Korrektur und Amplitudensymmelrieiung ohne Empfindliehkeitseinbuße:

3. die Wahl der Zeilkonstanten vom 30 mS. der Ablast- und Halteschaltung 20, 21, 22 zur gleichmäßigen AmpliUidenbewertung langsamer und schneller Hewegimgssignalc. und

4. die progressive Hegrcnzimg des der Ablast- und Halteschaltung zügel ülirtcn Signals vom Verstärker 14.

Hierzu 3 HIaM Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Schaltungsanordnung für einen mich dem Doppier-Prinzip mit getrennten Sender- und Hmpfüngeranordnungen arbeitenden Bewegungsrichtungsmelder mit einem Ultraschallsender als Signalsender und einem Ultraschallempfiinger als Signalempfiinger, /ur Aufnahme der vom bewegten Objekt zurückkehrenden Signale und einer Auswerfeinrichtung, wobei Detektoreinrichtungen unter Ausnutzung des Doppler-Effekls abhängig von dem empfangenen Signal ausgangsseitig bei Vorhandensein des bewegten Objektes ein Objektsignal unter Verwendung eines Oszillators zur Erzeugung der Sendefreciuenz. eines Mischers, einer l'hasenschieberanordnung sowie zwei nachgeschalteten Bandpass-Verstärkern, einer Abtast- und Halteschaltung sowie einer Auswerteschaltung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß tier als Rechleckgenerator mit einem Tastverhältnis im Bereich von 3,2% und auf das vierfache der Sender/Empfänger-Frequenz abgestimmte Hauptoszillator (1) an ein Schieberegister (3) als Feiler:4 zur Gewinnung der Sender/Empfänger-Frequenz sowie zur Gewinnung von zwei um 9I)'^J gegeneinander versetzten Impulsen geschaltet ist, wobei die Verknüpfung der beiden Phasen mit einem Impuls von etwa (),S% der \Vand!erfrei|iieiiz in zwei Verknüpfungssturen (4) erfolgt und die invertierten Signale mit zwei Schaltern (11, 12) zur Auf tastung verbunden sind, die über eine Signalempfänger-Verstiirkeranordnung zur Gewinnung der Doppler-Frequenz am Schalter (11) und der Doppier-Frequenz gegenüber um ¹H)" vor, bzw. W nacheilender Phase bei Annäherung bzw. Entfernung vom Wandlersystem am Schalter (12) verbunden ist, wobei die am Schalter (11) auftretende Dopplcr-Frequenz über einen Bandpass-Verstärker (13) und einen Nachveistärker mi: progressiver Begrenzung (14) mit einem Schalter (20) verbunden ist, der im Scheitelpunkt der bei Annäherung positiven und bei Entfernung negativen Halbwellen des Doppler-Signals vom Verstärker (14) mit Aultastinipulsen vom Inverter (19) durchgcschaltet wird, die aus der phasenverschobenen Doppler-Frequenz am Schalter (12) über einen Bandpass-Verstärker (15), einem Nachverstärker (16), einem freilaufenden Oszillator (17), einem Differenzierglied (IS) und einem Inverter (19) gewonnen werden, wobei der Schalter (20) über einen Speicherkondensator (21.) und einen impedanzwandler (22) mit einem ersten Integrator (23) zur Integration und zeitlichen Mittelwertbildung der Signale verbunden ist, dessen Ausgang über einen Begrenzer (28) mit einem Korrekturverstärker (29) zur Einführung eines verstärkungsniindernden Konektursignals zum Verstärker (14) und jincni Integrator (30) zur Amplituden-Symmelrierung in Verbindung steht, wobei der Ausgang des Integrators (23) und die Ausgänge des Korrekturverstärkers (29) und des Integrators (30) mit einem Korickturnet/.weik (31) verbunden sind, um einen Teilbetrag des Integrators (30) dem Ausgangssignal von (23) zuzuführen, derart, daß die Summe auf dem Potential der Mitte des Schaufenster* verbleibt, wobei dem Korrekturnetzwerk zwei Schwellwertschalter (24, 25)nachgesehaltetsind, die bei Über-bzw. Untersehreiten des durch die bei (34) und (35) angelegten Referenzspannungen gebiideten Fensters in den aktiven Zustand schalten, wobei der Ausgang xon (24) über einen Inverter (26) und der Ausgang von (25) direkt einer Oder-Verknüpfung (27) mit nachfolgenden Einrichtungen (32) zur weiteren Verarbeitung des Ausgangssignals verbunden sind.