DE3009347C2 - Steuerschaltung für eine berührungslos arbeitende Detektionsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für eine berührungslos arbeitende Detektionsanordnung mit einem bei einer bestimmten Frequenz arbeitenden Oszillator; mit einer vom Oszillator angesteuerten Sendeeinrichtung; mit einer Empfangseinrichtung; mit einem der Empfangseinrichtung nachgeschalteten, auf die Frequenz des Oszillators abgestimmten, schmalbandigen Verstärker; mit einer von dem schmalbandigen Verstärker beaufschlagten elektrischen Schalteinrichtung, über die ein bestimmter Vorgang steuerbar ist

Bei bekannten Steuerschaltungen dieser Art, wie sie gegenwärtig insbesondere bei Sanitärarmaturen eingesetzt werden, sind Oszillator und schmalbandiger Verstärker getrennte Schaltungskreise. Sie müssen zur Vermeidung von Störsignalen sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Im Laufe der Zeit können jedoch Verstimmungen dadurch auftreten, daß die frequenzbestimmenden Schaltungselemente durch Alterung und/oder Temperatureinflüsse ihren Wert verändern. Die Steuerschaltung arbeitet dann nicht mehr mit voller Empfindlichkeit und verliert schließlich ihre Funktionsfähigkeit. Der getrennte Aufbau von Oszillator und schmalbandigem Verstärker ist außerdem verhältnismäßig aufwenjo dig.

Eine ähnliche Steuerschaltung als Teil einer Alarmanlage ist in »Elektro-Handel« 1972, Nr. 4, Seite 220, beschrieben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerschaltung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß bei geringerem baulichen Aufwand auch auf lange Zeit hinweg unabhängig von Temperatur- und Alterungseinflüssen eine exakte Abstimmung erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Oszillator der interne Oszillator eines handelsüblichen PLL-Kreises ist und daß der PLL-Kreis zugleich als schmalbandiger Verstärker für das Ausgangssignal der Empfangseinrichtung geschaltet ist, wodurch eine zwangsläufig in sich abgestimmte Sende- und Empfangseinheit entsteht.

PLL-Kreise werden bisher im wesentlichen in der Nachrichtenübertragung, beispielsweise zum Dekodieren von Fernmeldewähltönen eingesetzt. Ihre charakteristische Eigenschaft besteht darin, daß sie dann ein Ausgangssignal erzeugen, wenn ein Eingangssignal innerhalb eines scharf definierten Frequenzbandes an ihrem Eingang liegt. PLL ist die Abkürzung für die englische Bezeichnung »phase-locked-Ioop« (phasenverriegelte Schleife). Derartige Kreise, die in großen Stückzahlen hergestellt werden und im Handel verhältnismäßig preiswert erhältlich sind, besitzen einen internen Oszillator, den sich die vorliegende Erfindung als Sendeoszillator zunutze macht. Innerhalb einer Steuerschalbo tung der gattungsgemäßen Art übernimmt der PLL-Kreis somit die Doppelfunktion von schmalbandigem Verstärker und Oszillator. Eine innere Verstimmung ist bei dieser Bauweise zwangsläufig ausgeschlossen, selbst wenn bestimmte Schaltungselemente durch Alterung b^r> und/oder Temperatur ihren Wert ändern sollten.

Das Ausgangssignal des internen Oszillators des PLL-Kreises kann an einem Anschluß des PLL-Kreises für ein freqiien/bcstinimendes Schaltungselement abge-

nommen werden. Zweckmäßigerweise liegt zwischen dem Anschluß des PLL-Kxeises, an dem das Signal des internen Oszillators abgenommen wird, und der Scndceinnchtung eine Treiberstufe. Diese stellt die notwendige Leistung für die Sendceinrichiung bereit.

In entsprechender Weise sollte zwischen der Empfangseinrichtung und dem Signaleingang des PLL-Krcises ein Verstärker liegen.

Zur Aussteuerung der elektrischen Schalteinrichtung ist es im allgemeinen erforderlich, daß zwischen dem Signalausgang des PLL-Kxeises und der elektrischen Schalteinrichtung ein Verstärker liegt.

Das frequenzbestimmende Schaltungselement des PLL-Kreises kann variabel sein. Die Arbeitsfrequenz der gesamten Steuerschaltung kann dann jederzeit, auch noch am Einsatzort, verändert werden. Auf diese Weise lassen sich mehrere gleichartige Steuerschaltungen in einem Raum nebeneinander verwenden, ohne daß zwischen den Sende- und Empfangse^;nrichtungen besondere optische Abschirmungen vorgesehen werden müssen. Der Wert des frequenzbestimmenden Schaltungselementes kann sowohl in Stufen als auch kontinuierlich veränderbar sein.

Zur Erzielung einer optimalen Phasenlage des vom Sendelicht erzeugten Eingangssignals am PLL-Kreis ist es vorteilhaft, wenn zwischen die Empfangseinrichtung und den PLL-Kreis ein die Phase des Eingangssignals verschiebender Kreis geschaltet ist. Dieser kann ein WC-Glied enthalten.

Damit der Vorverstärker nicht durch Störsignale übersteuert wird, die außerhalb des Frequenzbandes des PLL-Kreises liegen, kann zwischen die Empfangseinrichtung und den PLL-Kreis ein Bandpaß-Filter geschaltet sein. Dabei kann es sich um den entsprechend geschalteten Verstärker selbst handeln.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 schematisch ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung;

Fig. 2 ein detailliertes Schaltungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung;

F i g. 3 schematisch ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung.

In F i g. 1 ist das Grundprinzip der Steuerschaltung als Blockschaltbild dargestellt. Kernstück ist der mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete PLL-Kreis. Wie erwähnt, ist PLL die Abkürzung für die engliche Bezeichnung »phase-locked-loop« (phasenverriegelte Schleife). PLL-Kreise sind an und für sich bekannt und im Handel erhältlich. Sie zeichnen sich dadurch aus, daß sie ein Ausgangssignal erzeugen, solange ein Signal innerhalb eines scharf definierten Frequenzbandes an ihrem Eingang liegt. PLL-Kreise sind außerordentlich unempfindlich gegen Temperatur und Alterung. Sie enthalten neben einem Phasendetektor und anderen Elementen regelmäßig einen steuerbaren, internen Oszillator.

Wie F i g. 1 zeigt, wird der Eingang a des PLL-Kreises 1 über einen Verstärker 2 vom Ausgangssignal einer Empfangsdiode 3 angesteuert, die der Erfassung des in noch zu beschreibender Weise erzeugten Meßlichtes dient. Da das Meßlicht frequenzmoduliert ist, liegt am Eingang a des PLL-Kreises 1 eine Wechselspannung mit eben dieser Frequenz an.

Wie oben erläutert, erzeugt der PLL-Kreis 1 am Ausgang b ein Signal, wenn am Eingang α ein Signal geeigneter Frequenz und Phase iiegt. Dieses Ausgangssignal wird über einen Verstärker 4 an ein Magnetventil, ein Relais 5 oder dergleichen gelegt. Dieses Magnetventil oder Relais 5 löst dann den gewünschten Vorgang aus: beispielsweise wird ein Wasserfluß eingeleitet, ein Licht- oder Alarmsignal ausgelöst, ein Gegenstand in Bewegung vorsetzt oder dergleichen.

Das Ausgangssignal des internen Oszillators des PL! .-Kreises 1 erscheint an einem Ausgang c. Es wird über eine Treiberstufe 6 an die Sendediode 7 gelegt. Das von der Sendediode 7 ausgestrahlte Licht ist also mit der ίο Frequenz des internen Oszillators des PLL-Kreises 1 amplitudenmoduliert.

Diese Frequenz des internen Oszillators wird durch eine äußere Beschaltung festgelegt, die hier schematisch durch den zwischen die Anschlüsse c und d gelegten Widerstand 8 angedeutet ist.

Die Funktion der beschriebenen Schaltungsanordnung ist folgende:

Der inlerne Oszillator des PLL-Kreises 1 schwingt kontinuierlich mit der durch den Widerstand 8 bestimmten Frequenz. Entsprechend strahlt die Sendediode 7 kontinuierlich Sendelicht dieser Frequenz aus. Gelangt dieses Sendelicht direkt oder über die Reflektiön an einem Gegenstand oder einer Person auf die Empfangsdiode 3, so erscheint am Eingang a des PLL-Kreises 1 ein Signal, das zwangsläufig auf die innere Frequenz des internen Oszillators abgestimmt ist. Daher erzeugt der PLL-Kreis am Ausgang b ein Signal, mit dem über den Verstärker 4 die Einrichtung 5 durchgesteuert wird: der gewünschte Vorgang beginnt, z. B. setzt ein Wasserfluß jo ein.

Die Vorteile dieser Steuerschaltung sind auffallend: Der PLL-Kreis 1 übernimmt die Funktion zweier Baugruppen, die bei herkömmilichen Schaltungsanordnungen erforderlich waren. Er ist gleichzeitig der die jü Sendediode 7 speisende Oszillator und der schmalbandige, auf den Oszillator abgestimmte Empfangsverstärker. Der bauliche Aufwand ist also erheblich geringer als bei bekannten Schaltungen. Während bei diesen aber die richtige Abstimmung des Empfängers auf den Sender keine Selbstverständlichkeit ist und im Laufe der Zeit durch Temperatureinfluß und Alterung wieder verloren gehen kann, stimmt sich die hier beschriebene Schaltung automatisch immer selbst ab. Temperatur und Zeit haben auf die richtige Funktion keinen Einfluß. In Fig. 2 ist eine detaillierte Schaltungsanordnung dargestellt, deren Aufbau nachfolgend in den Grundzügen skizziert wird. Soweit einzelne Bauelemente der Zeichnung in der nachfolgenden Beschreibung nicht erwähnt sind, ist deren Funktion dem Fachmann ohne weiteres verständlich.

Die Empfangsdiode 103 ist über den Widerstand R 1 mit einer positiven geregelten Versorgungsspannung + Vi und über den Widerstand R 2 mit Masse verbunden. Der Verbindungspunkt von Empfangsdiode 103 und Widerstand R 2 ist über einen Kondensator Cl an einen Eingang eines Operationsverstärkers 102 gelegt. Der Arbeitspunkt dieses Operationsverstärkers 102 ist durch den Widerstand /?3 eingestellt. Zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 102 und dem zweiten Eingang liegt ein Widerstand R 4, wie dies bei der äußeren Beschaltung von Operationsverstärkern üblich ist.

L>as Ausgangssignal des Operationsverstärkers 102 wird über den Widerstand R 5 und den Kondensator C2 b5 an den Eingang a des PLL-Kreises 101 geführt. Dieser ist zwischen die positive Versorgungsspannung + Vi und Masse geschaltet. Zwei Kondensatoren C3, C 4, die ebenfalls an Masse geführt sind, dienen zu Filtrations-

zwecken und werden entsprechend den Vorschriften im Datenblatt des verwendeten PLL-Kreises 101 dimensioniert. Der Signalausgang b ist über eine Zener-Diode Zl an die Basis eines Transistors 7Ί gelegt. Der Kollektor des Transistors T1 ist über einen Widerstand R 6 mit der positiven Versorgungsspannung + V\ und über eine Zener-Diode Z2 mit der Basis des Transistors T2 verbunden. Die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T2 liegt als Schalter im Stromkreis (Versorgungsspannung + V2) des Relais bzw. Magnetventils 105. Letzteres ist durch eine Schutzdiode D 1 überbrückt.

Die frequenzbestimmende äußere Beschallung des PLL-Kreises 101 wird bei diesem Beispiel durch den Widerstand R 7, der zwischen den Anschlüssen c und d des PLL-Kreises 101 liegt, und durch den Kondensator C 5 bestimmt. Letzterer Hegt zwischen dem Anschluß d des PLL-Kreises 101 und Masse. Der Anschluß c des PLL-Kreises 101, an welchem das Signal des internen Oszillators erscheint, ist außerdem über den Widerstand Ri an die Basis des Transistors Γ3 gelegt. Der Kollektor des Transistors 73 ist mit der positiven Versorgungsspannung + Vi verbunden. Der Emitteranschluß des Transistors T3 führt über einen Schutzwiderstand R 8 und über die Sendediode 107 an Masse.

Die Funktion der Schaltungsanordnung von F i g. 2 stimmt mit der Funktion der Schaltungsanordnung von F i g. 1 vollständig überein.

In F i g. 3 ist eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 dargestellt. Hinsichtlich der Sendediode 203, der Verstärker 202, 204, 206, des PLL-Kreises 201, der Sendediode 107 und der zu schaltenden elektrischen Einrichtung 205 entsprechen die Verhältnisse vollständig denjenigen von F i g. 1. Anstelle eines einzigen frequenzbestimmenden Widerstandes sind jedoch mehrere Widerstände 208 unterschiedlichen Wertes vorgesehen, die wahlweise mittels eines Stufenschalters 210 angelegt werden können. Auf diese Weise ist es möglich, mittels eines einzigen Handgriffes die Frequenz zu ändern, bei der die gesamte Schaltungsanordnung arbeitet.

Dies ist dort von Bedeutung, wo innerhalb eines Raumes mehrere Geräte unabhängig voneinander durch die von der Sendeeinrichtung ausgestrahlten Wellen gesteuert werden sollen. Am Beispiel der beschriebenen Schaltung, bei denen die Sende- und Empfangseinrichtungen Dioden und die ausgestrahlten Wellen Lichtwellen sind: Arbeiten alle Steuerschaltungen bei derselben Frequenz, ist es zur Vermeidung von Fehlschallungen durch fremdes Streulicht unerläßlich, für eine vollkommene gegenseitige optische Abschirmung der Geräte zu sorgen. Dies erfordert sehr großen Aufwand, ist unzuverlässig oder zuweilen sogar unmöglich. In diesem Falle werden die verschiedenen, im selben Räume vorgesehenen Steuerschaltungen mittels des Stufenschalters 210 auf unterschiedliche Frequenz eingestellt Eine gegenseitige Störung ist dann nicht mehr möglich, auch wenn keinerlei optische Abschirmungsmaßnahmen getroffen werden.

In diesem Zusammenhang erweist sich die Doppelfunktion des PLL-Kreises 201 als Sendeoszillator und als selektiver Empfangsverstärker als besonders glücklich: zur Umstellung von einer Frequenz auf die andere braucht nur der Wert eines einzigen Bauelements (in F i g. 3 der Wert des Widerstands 208) verändert zu werden.

Anstelle des Stufenschalters 210. dem eine bestimmte Anzahl von Widerständen 208 diskreter Werte zugeordnet ist. kann auch ein kontinuierlich verstellbares Potentiometer verwendet werden. Die Schaltungsanordnung besitzt dann ein durchgängiges Band möglicher Arbeitsfrequenzen.

In Fig.3 ist als weiteres, frequenzbestimmendes ■j Schaltungselement der zwischen den Anschluß c des PLL-Kreises 201 und Masse gelegte Kondensator 211 gezeigt. Selbstverständlich kann auch dieser zur Einstellung der Arbeitsfrequenz anstelle des Widerstands 208 stufenweise oder kontinuierlich veränderbar sein.
iu Zur Erläuterung von zwei zweckmäßigen Ausgestaltungen der Schaltung sei noch einmal auf Fig.2 bezug genommen:

Zunächst sei noch einmal daran erinnert, daß die beschriebene Schaltung die dauernde, zwangsläufige Selbstabstimmung zwischen Sender und Empfänger sicherstellt, was die Aröeitsfrequenz angeht. Darüber hinaus ist eine feste Phasenbeziehung zwischen dem Sendelicht und dem hieraus entstehenden Eingangssignal am PLL-Kreis gewährleistet. Dies Phasenlage kann jedoch von der zur optimalen Funktion des PLL-Kreises 101 erforderlichen abweichen. Aus diesem Grunde sind in F i g. 2 die KC-Glieder R 5-C6 sowie R 3-Cl vorgesehen, die so dimensioniert werden, daß die Phase des Eingangssignals, das durch Sendelicht erzeugt wird, am Eingang α des PLL-Kreises 101 optimal ist.

Das zweite Problem, das bei den Schaltungsanordnungen nach den F i g. 1 und 8 auftreten könnte, ist darin zu sehen, daß der Verstärker 2 bzw. 202 durch Störsignale mit einer Frequenz, die sich von der Oszillatorfrequenz unterscheidet, übersteuert wird. Aus diesem Grunde ist in F i g. 2 der Verstärker 102 als Hochpaß-Filter geschaltet. Hierzu dienen die geeignet dimensionierten Schaltelemente R3, C\ und RS, CT. Die Bauelemente R 5 und CS, deren Funktion bei der Drehung der Phasenlage des Eingangssignals schon erwähnt wurde, haben in Richtung der oberen Frequenz einen begrenzenden Einfluß.

Oben wurde ein Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung beschrieben, bei dem die Sende- und Empfangseinrichtungen Dioden waren und mit Licht als zur Detektion benutzten Wellen gearbeitet wurde. Selbstverständlich können auch andere Wellenarten, z. B. Ultraschallwellen, verwendet werden, wobei dann entsprechend angepaßte Sende- und Empfangseinrichtungen zu benutzen sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

1. Patentansprüche:

   !. Steuerschaltung für eine berührungslos arbeitende Detektionsanordnung mit einem bei einer bestimmten Frequenz arbeitenden Oszillator; mit einer vom Oszillator angesteuerten Sendeeinrichtung; mit einer Empfangseinrichtung; mit einem der Empfangseinrichtung nachgeschalteten, auf die Frequenz des Oszillators abgestimmten, schmalbandigen Verstärker; mit einer von dem schmalbandigen Verstärker beaufschlagten elektrischen Schalteinrichtung, über die ein bestimmter Vorgang steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator der interne Oszillator eines handelsüblichen PLL-Kreises (1; 101; 201) ist und daß der PLL-Kreis (1; 101; 201) zugleich als schmalbandiger Verstärker für das Ausgangssignal der Empfangseinrichtung geschaltet ist, wodurch eine zwangsläufig in sich abgestimmte Sende- und Empfangseinheit entsteht.
2. 2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des internen Oszillators des PLL-Kxeises (101) an einem Anschluß (c) des PLL-Kreises für ein frequenzbestimmendes Schaltungselement (R 7) abgenommen ist.
3. 3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anschluß (c) des PLL-Kreises (1; 101; 201), an dem das Signal des internen Oszillators abgenommen wird, und der Sendeeinrichtung (7; 107; 207) eine Treiberstufc (6; Γ3) liegt.
4. 4. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Empfangseinrichtung (3; 103; 203) und dem Signaleingang (a) des PLL-Kreises ein Verstärker (2; 102; 202) liegt.
5. 5. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Signalausgang(b)des PLL-Kreises(1; 101;201)und der elektrischen Schalteinrichtung (5; 105; 205) ein Verstärker (4; 71, 72; 204) liegt.
6. 6. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzbestimmende Schaltungselement (208) des PLL-Kreises (201) variabel ist.
7. 7. Steuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des frequenzbeslimmenden Schaltungselements (208) in Stufen veränderbar ist.
8. 8. Steuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des frequenzbestimmenden Schaltungselements kontinuierlich veränderbar ist.
9. 9. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Empfangseinrichtung (103) und den PLL-Kreis (101) ein die Phase des Eingangssignals verschiebender Kreis geschaltet ist.
10. 10. Steuerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der die Phase verschiebende Kreis mindestens ein flCGIied (R5-C6, R3-Ci) enthält.
11. 11. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche I bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß /wischen die Empfangseinrichtung (103) und den Pl.L-Kieis (101) ein Bandpaß-Filter geschaltet ist.
12. 12. Steuerschaltung nach Anspruch 11 bei Riickbe/.ichung auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (102) als Bandpaß-Filter geschaltet ist