DE3337041C1 - Schaltungsvorrichtung zur Logarithmierung und Digitalisierung analoger Signale - Google Patents

Description

a) Die Verstärkung der einzelnen Verstärker (810-814; 810, 815-818) ist derart gewählt, daß die Dynamikbereiche der A/D-Wandler (800—804) entsprechend der vorgegebenen Auflösung der Schaltungsvorrichtung (8; 80) sich überlappend aneinander anschließen;

b) es werden A/D-Wandler (800—804) mit linearer Abstufung der Quantisierungsstufen verwendet;

c) die Logarithmierung der Signalwerte erfolgt mit Hilfe eines dem A/D-Wandler (800—804) nachgeschalteten Kodierers (840).

2. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß jeweils benachbarte A/D-Wandler (800—804) über einen Verstärker (815—818) miteinander verbunden sind und

— daß alle Verstärker (815—818) den gleichen Verstärkungsgrad aufweisen.

3. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß A/D-Wandler (800—804) in Form monolithisch integrierter Schaltungen verwendet werden.

4. Verwendung der Schaltungsvorrichtung nach 1, 2 oder 3 in Ultraschallanlagen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsvorrichtung zur Logarithmierung und Digitalisierung analoger Signale, bei der die zu digitalisierenden analogen Signale mehreren A/D-Wandlern, welche jeweils nach dem Parallelverfahren arbeiten, zugeführt werden und wobei den A/D-Wandlern Verstärker vorgeschaltet sind. Die Erfindung bezieht sich ferner auf die Verwendung derartiger Schaltungsvorrichtungen in Ultraschallgeräten zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.

Derartige Schaltungsvorrichtungen sind beispielsweise aus der DE-OS 29 39 617 bekannt. Durch die Digitalisierung der analogen Signale mit Hilfe mehrerer A/D-Wandler wird erreicht, daß über einen praktisch beliebig großen Dynamikbereich (Verhältnis von größtem zu kleinsten Signal, das digitalisiert werden soll) digitalisiert werden kann. Dabei sollen die Verstärker eine möglichst gleiche Ansteuerung der einzelnen A/D-Wandler bewirken. Die Logarithmierung erfolgt bei diesen bekannten Schaltungsvorrichtungen dadurch, daß die Quantisierungsstufen der einzelnen A/D-Wandler nicht linear, sondern nach einer logarithmischen Kennlinie abgestuft sind.

Nachteilig bei dieser bekannten Schaltungsvorrichtung ist vor allem der relativ hohe Preis derartiger direkt logarithmierender A/D-Wandler. Denn im Gegensatz zu linear gestuften A/D-Wandlern, sind logarithmische A/D-Wandler, die mit einer hohen Wandelrate (d. h. mit Abtastfrequenzen im 100 MHz-Bereich) arbeiten, nicht im Handel erhältlich und müssen für den jeweiligen Verwendungszweck speziell angefertigt werden.

Bisher vor allem in Ultraschallanlagen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzte Schaltungsvorrichtungen wiesen eine maximale Wandelrate auf,

ίο die in der Größenordnung der Signalfrequenz (einige MHz) lag. Um trotzdem mit der an sich zu niedrigen Wandelrate arbeiten zu können, wurden die Abtastungen der analogen Signale zeitlich so gesteuert, daß jeweils der Scheitelwert der Signalhalbwelle digitalisiert wurde. Die Genauigkeit dieser Zeitsteuerung war von der Signalform abhängig und häufig nur unzulänglich möglich.

Aus Proc. of the IRE, 1961, Juli, S. 1219 ist ferner eine Schaltung bekannt, bei der zwecks Datenkompression digitaler Meßwerte, diese mit digitalen Mitteln logarithmiert werden. Über mit dieser bekannten Schaltung verbundene A/D-Wandler oder über deren Dynamikbereich und Wandelrate, werden in der vorstehend erwähnten Druckschrift keinerlei Angaben gemacht.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsvorrichtung zu schaffen, mit der es auf einfache und kostengünstige Weise möglich ist, trotz hoher Wandelrate sowohl eine Logarithmierung als auch Digitalisierung analoger Signale vorzunehmen, wobei der Dynamikbereich und das Auflösungsvermögen bekannter (und wesentlich teurerer) Schaltungsvorrichtungen entsprechen soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Es erfolgt also unter Verwendung käuflicher linear gestufter A/D-Wandler zunächst eine Digitalisierung der analogen Signale und erst anschließend werden die digitalen Signale mit Hilfe eines Kodierers logarithmiert. Wie noch im Einzelnen beschrieben werden wird, wird die Auflösung der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung der Auflösung logarithmisch gestufter A/D-Wandler dadurch angeglichen, daß die Verstärkung der einzelnen Verstärker derart gewählt wird, daß die Dynamikbereiche der A/D-Wandler sich überlappend aneinander anschließen.

Mit den erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtungen ist es möglich eine A/D-Wandlung hochfrequenter Signale mit einem Dynamikumfang von mindestens 8OdB und einer Wandelrate im 100 MHz-Bereich durchzuführen. Damit kann der Aufwand der bei herkömmlichen Schaltungsvorrichtungen für die Zeitsteuerung der Abtastung der analogen Signale erforderlich sind, entfallen. ·
Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung in Ultraschallanlagen verwendet werden. Denn durch den großen Dynamikumfang kann auf eine manuelle Pegeleinstellung der Eingangssignale verzichtet werden. Damit ist eine wesentliche Voraussetzung für die vollständige Automatisierung von Datenerfassung- und Datenauswerteeinheiten erfüllt, wie sie besonders bei Ultraschallanlagen gefordert werden. Die Erfindung bietet weiterhin den Vorteil, daß handelsübliche lineare A/D-Wandler in Form monolithisch integrierter Schaltungen verwendet werden können.

Dadurch wird der Aufbau der gesamten Funktionseinheit so kompakt, daß er auf einer Doppel-Europa-Karte unterzubringen ist. Der Abgleich der Schaltung vereinfacht sich erheblich, da die monolithischen Wandler be-

reits für sich abgeglichen und genau spezifiziert sind.

Die erzielte Genauigkeit und Linearität liegt erheblich höher, als mit analogen logarithmischen Verstärkern oder mit konventionell aufgebauten logarithmisch gestuften A/D-Wandlern erreichbar, da die Vorteile monolithischer Technologie (alle Schaltungselemente auf einem Kristall im gemeinsamen Fertigungsprozeß hergestellt), wie z. B. gleicher Temperaturgang und gleichsinnige sonstige Toleranzen, hier voll zum Tragen kommen.

Der Einsatz linearer A/D-Wandler erlaubt zusätzlich, die digitalisierten Signale in linear gestufter Form weiterzuverwenden, wie es z. B. bei der Abbildung in grafischer Form auf Sichtgeräten erwünscht ist. Logarithmisch gestufte Wandler bieten diese Möglichkeit nur in unzulänglicher Weise durch rechnerische Rückwandlung der logarithmischen Werte in lineare Werte. Die dabei erzielbare Auflösung im linearen Maßstab ist sehr grob, da sie auf den logarithmischen Stufensprung begrenzt ist.

Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung in Ultraschallgeräten und Ultraschallanlagen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung verwendet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Figuren 1 bis 7 näher beschrieben.

Es zeigt:

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Ultraschallvorrichtung, in der die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtu ng verwendet wird;

F i g. 2 das Blockschaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung,

Fig.3 das Blockschaltbild eines an sich bekannten A/D-Wandlers;

Fig.4 und 5 Diagramme zur Erklärung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung nach F i g. 2; und

F i g. 6 das Blockschaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung.

In Fig. 1 ist ein Impulsgenerator 1, der über eine Leitung 2 mit einem Prüfkopf 3 verbunden ist, dargestellt. Der Prüfkopf 3 befindet sich auf einem zu prüfenden Werkstück 4, in dem Fehler 5 vorhanden sind. Ebenfalls mit dem Prüfkopf 3 ist ein Empfangsverstärker 6 verbunden, dem über eine Leitung 7 eine Schaltungsvorrichtung 8 zur Digitalisierung und Logarithmierung der empfangenen Echosignale nachgeschaltet ist. Die Signalwerte der Schaltungsvorrichtung 8 gelangen über eine Leitung 9, in eine Auswerteeinheit 10.

Die Wirkungsweise derartiger Schaltungsvorrichtungen ist an sich bekannt und soll daher im folgenden nur kurz erläutert werden:

Die von dem Generator 1 periodisch erzeugten Impulse erregen den Prüfkopf 3, der einen entsprechenden Ultraschallimpuls erzeugt. Dieser Ultraschallimpuls gelangt in das zu prüfende Werkstück 4 und wird von dem Fehler 5 reflektiert, gelangt wieder zu dem Prüfkopf 3 und wird in einen entsprechenden elektrischen Impuls umgewandelt. Dieser elektrische Impuls wird in dem Empfangsverstärker 6 verstärkt, anschließend in der Schaltungsvorrichtung 8 digitalisiert und logarithmiert und dann zur weiteren Auswertung der Einheit iO zugeführt. Über die Leitung 11 gelangen Strobesignale an die Schaltungsvorrichtung 8, die bewirken, daß die Zwischenspeicher der Schaltungsvorrichtung 8, in denen die digitalisierten Werte zwischengespeichert sind, gelöscht werden, sobald die gespeicherten Werte in die Auswerteeinheit 10 übertragen sind.

F i g. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung 8. Die Schaltungsvorrichtung enthält im Handel übliche A/D-Wandler 800 bis 804 (besonders vorteilhaft haben sich A/D-Wandler der Firma Siemens, Typen-Nr. SDA 5010 bewährt).

Jedem dieser A/D-Wandler ist ein Verstärker 810—814 vorgeschaltet, deren Eingänge mit der Leitung 7 verbunden sind. Die Ausgänge der A/D-Wandler sind über eine Prioritätslogik 820 und gegebenenfalls über eine Schaltungsvorrichtung 830 zur Maximalwerterkennung, mit einem Kodierer 840 verbunden. Mit Hilfe dieses Kodierers 840 erfolgt die Transformation der (linearen) digitalisierten Werte in entsprechende logarithmische Werte. Über die Leitungen 833 können auch die linear digitalisierten Werte entnommen und von der Auswerteeinheit 10 weiterverarbeitet werden bzw. zur grafischen Darstellung einem nicht gezeichneten Sichtgerät zugeführt werden.

Die Leitungen 822, 832 und 834 dienen zur Übertragung von Freigabesignalen, die der jeweils nachgeordneten Schaltungseinheit melden, daß die auf den Leitungen 821,831 und 833 anstehenden Signale übernommen werden können.

F i g. 3 zeigt ein an sich bekanntes Blockschaltbild eines A/D-Wandlers 800. Der A/D-Wandler besteht im wesentlichen aus einer Reihe von Komparatoren 900, 901 etc. Der erste Eingang der Komparatoren ist mit der Leitung 70, über die das zu digitalisierende analoge Signal zugeführt wird, verbunden. An dem jeweils zweiten Eingang der Komparatoren liegt eine Vergleichsspannung, die mit Hilfe von Widerständen 910,911 etc., von einer Referenzspannung Uref., einer Spannungsquelle 920, abgeleitet wird. Die Widerstände 910,911 etc. besitzen alle den gleichen Widerstandswert, so daß die Vergleichsspannung an den Komparatoren 900, 901 etc. linear abnimmt (linearer A/D-Wandler).

Die Ausgänge der Komparatoren 900, 901 etc. sind mit D-Flip-Flops 930,931 verbunden. Die D-Flip-Flops dienen als Zwischenspeicher und ihre Ausgänge sind mit einem Prioritätscodierer 940 verbunden. Dieser Codierer übersetzt die Komparatorzustände in einen entspre^ chenden Dualcode. Über die Leitung 941 wird dann die entsprechende Dualzahl auf die Prioritätslogik 820 der Schaltungsvorrichtung 8 (Fig.2) übertragen. Auf der Leitung 942, die ebenfalls mit der Prioritätslogik 820 verbunden ist, erscheint immer dann ein Impuls (eine logische 1), wenn die Spannung auf der Leitung 70 so groß ist, daß sie die Vergleichsspannung an dem Komparator 900 überschreitet (sogenanntes Überlauf bit).

Im folgenden soll mit Hilfe der F i g. 4,5 und 6 näher auf die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung nach F i g. 2 eingegangen werden.

Als A/D-Wandler seien die o.e. 6-bit-Wandler der Firma Siemens verwendet, bei denen 64 Komparatoren (Stufen) vorgesehen sind. Erfindungsgemäß wird die Verstärkung der Verstärker 810 bis 814 (Fig.2) so gewählt, daß die Dynamikbereiche der einzelnen A/D-Wandler sich überlappen. Dieses ist in Fig.4 dargestellt.

Die senkrechte Gerade 12 gibt den gesamten Spannungsbereich (Dynamikbereich), der digitalisiert werden soll, in Prozenten wieder. Die vertikalen Geraden 13 bis 17 geben die Spannungsbereiche an, in denen die einzelnen A/D-Wandler 800 bis 804 in Verbindung mit den vorgeschalteten Verstärkern 810 bis 814 arbeiten sollen. Wie F i g. 4 zu entnehmen ist, überdecken sich die

5 .

Arbeitsbereiche der Wandler 800 bis 804. Wächst also Schaltungsvorrichtungen nur dadurch, daß in der F i g. die über die Leitung 7 ankommende Spannung, so er- Verstärker 810 bis 814 mit unterschiedlicher Verstärzeugen zunächst die Komparatoren des A/D-Wandlers kung vorgesehen sind, während in F i g. 6 alle Verstär-804 einen digitalen Ausgangswert. Überschreitet die ker 810 bis 818 die gleiche Verstärkung aufweisen. Hier-Eingangsspannung die Vergleichsspannung des Kompa- 5 zu sind die Verstärker anders als in Fig. 2 nicht einrators 55 des A/D-Wandlers 804, so beginnt gleichzeitig gangsseitg miteinander verbunden, sondern hintereinder A/D-Wandler 803 zu arbeiten. Denn die Ver- ander geschaltet. Bei den A/D-Wandlern 800 bis 804, gleichsspannung des ersten !Comparators des Wandlers der Prioritätslogik 820, den Einheiten 830 und 840, han-803 wird ebenfalls überschritten. Allerdings wirkt sich delt es sich um die gleichen Baugruppen wie sie auch in die Erzeugung von digitalen Signalen durch den A/D- io F i g. 2 dargestellt sind.

Wandler 803 auf den gesamten Digitalisierungsvorgang Um die einzelnen Dynamikbereiche so zu überlappen,

der Schaltungsvorrichtung 8 nicht aus. Erst wenn der daß sich eine Auflösung von < 0,8 dB ergibt, wurden Komparator 64 des A/D-Wandlers 804 ein Überlaufsi- Verstärker 810,815 bis 818 verwandt, die eine Verstärgnal über die Leitung 950 an die Prioritätslogik 820 kung von jeweils 16 dB aufweisen, abgibt, ergibt sich auf der Leitung 821 ein Digitalwert, 15 Bei dem digitalen Maximalwertdetektor 830 handelt der den dann vorhandenen Komparator Zuständen des es sich um an sich bekannte Schaltungsvorrichtungen, A/D-Wandlers 803 entspricht. Auf der Leitung 821 er- die hier nicht näher erläutert werden brauchen. Im wescheinen also zunächst Dualwerte, die den Zuständen sentlichen hat der Maximalwertdetektor nur die Aufgader Komparatoren 1 bis 64 des A/D-Wandlers 804 ent- be eine Datenverdichtung durchzuführen. Er kann in isprechen. Anschließend erscheinen Dualwerte, die den 20 vielen Fällen auch entfallen und ist nicht Gegenstand Zuständen der Komparatoren 10 bis 64 des A/D-Wand- der Erfindung, lers 803 entsprechen usw. Mit den vorstehend beschriebenen Schaltungsvor-

Durch die Wahl der sich überlappenden Arbeitsberei- richtungen war es möglich, eine A/D-Wandlung hochche der A/D-Wandler 800 bis 804 wird eine ausreichend frequenter Signale mit einem Dynamikumfang von hohe Auflösung bei großem Dynamikumfang mit der 25 8OdB und einer Wandelrate im 100 M Hz-Bereich (logarithmierenden) Schaltungsvorrichtung 8 erreicht. durchzuführen.

Denn die unteren Stufen der Wandler, also insbesonde-

re die Zustände der Komparatoren 1 bis 10, legen im Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

wesentlichen die Auflösung der gesamten Schaltungs-

vorrichtung 8 fest. Dieses sei mit Hilfe von F i g. 5 erläutert:

Die vertikale Gerade 120 charakterisiert den gesamten, zu digitalisierenden Spannungsbereich (Dynamikbereich) jn Dezibel. Die vertikalen Geraden 130 bis 170 charakterisierten wiederum die Arbeitsbereiche (Dynamikbereiche) der linearen A/D-Wandler 800 bis 804. Dabei wurden die den einzelnen Stufen entsprechenden Spannungswerte in Dezibel (also im logarithmischen Maßstab) aufgetragen. Man entnimmt nun der Darstellung, daß jeweils die ersten 10 Stufen der A/D-Wandler bereits einen Dynamikbereich von 20 dB überdecken.

Die restlichen 54 Stufen stehen hingegen für einen Dynamikbereich von 16 dB zur Verfügung, so daß die Stufung, d. h. der Abstand der einzelnen Stufen im logarithmischen Maßstab, in diesem Fall wesentlich feiner ist als die Stufung zwischen den ersten 10 Komparatoren. Der Abstand der einzelnen Stufen nimmt dabei mit wachsender Stufenzahl (Komparatorzahl) ab. Beispielsweise entspricht ein Stufensprung von der ersten Stufe zur zweiten Stufe einer Spannungsänderung von 6 dB, von der zweiten Stufe zur dritten Stufe einer Spannungsänderung von 3,5 dB usw. Soll die Spannungsänderung (Auflösung) der Schaltungsvorrichtung 8 z. B. kleiner 0,8 dB pro Stufe sein, so ist es erforderlich, daß die Digitalisierung erst ab der zwölften Stufe wirksam ist. Denn erst der Stufensprung von der elften zur zwölften Stufe bewirkt eine Spannungsänderung, die kleiner 0,8 dB ist.

Da in der Praxis die Auflösung der Schaltungsvorrichtung 8 für sehr kleine Spannungswerte (Rauschsignale) auch schlechter als 6 dB sein darf, reicht es aus, wenn lediglich die A/D-Wandler 800 bis 803 die Bedingung erfüllen, daß eine Digitalisierung erst ab der zwölften Stufe wirksam ist. Der A/D-Wandler 804 kann dann bereits von der ersten Stufe ab wirksam digitalisieren.

In F i g. 6 ist mit 80 eine Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung 8, gemäß F i g. 2, dargestellt. Im wesentlichen unterscheiden sich beide

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Schaltungsvorrichtung zur Logarithmierung und Digitalisierung analoger Signale, bei der die zu digitalisierenden Signale mehreren Analog-Digital-Wandlern (A/D-Wandlern), welche jeweils nach dem Parallelverfahren arbeiten, zugeführt werden und wobei den A/D-Wandlern Verstärker vorgeschaltet sind, gekennzeichnet durch die Merkmale,