DE3618222A1 - Transmitting/receiving circuit for ultrasonic transducers - Google Patents

Transmitting/receiving circuit for ultrasonic transducers

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Abstract

In a transmitting/receiving circuit for an ultrasonic transducer (W), the excitation circuit for the ultrasonic transducer and the evaluating circuit for the received signals are decoupled from one another via a protective diode (D2) which is polarised in the reverse direction so that a subsequent amplifier (V) is protected from destruction, and a high-pass filter (Ck2, Rk) at the output of the amplifier (V) results in automatic adaptation of the trigger level to weaker received signals (Figure 1). <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sende/ Empfangsschaltung nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.The present invention relates to a transmission / Receiving circuit according to the preamble of the claim 1.

Es ist bekannt, einen Ultraschallwandler im Sendebetrieb mit einem Hochspannungsimpuls von einigen 100 V zur Schwingung anzuregen. Eine andererseits an den Ultraschallwandler angeschlossene Empfangsschaltung weist in der Regel einen empfindlichen, rauscharmen Verstärker auf, den es vor Zerstörung durch den Hochspannungsimpuls zu schützen gilt. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird im allgemeinen einem Komparator zugeführt, und es besteht hierbei die Forderung, daß nur Echosignale detektiert werden sollen und das u. U. durchschlagende Sendesignal keine Bewertung erfährt.It is known to operate an ultrasonic transducer with a high voltage pulse of some 100 V for To stimulate vibration. On the other hand to the ultrasonic transducer connected receiving circuit points in the Rule up a sensitive, low-noise amplifier, the it from being destroyed by the high voltage pulse protect applies. The output signal of the amplifier is in generally fed to a comparator, and it exists here the requirement that only echo signals are detected should be and that u. U. resounding transmission signal experiences no evaluation.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sende/Empfangsschaltung für einen Ultraschallwandler anzugeben, bei der der Anregungsimpuls für den Ultraschallwandler auf einfache Weise erzeugt werden kann, die Empfangsschaltung gegen Zerstörung durch den Anregungsimpuls geschützt ist und eine sichere Auswahl der empfangenen Echoimpulse ermöglicht wird.It is therefore the object of the present invention, a Specify transmit / receive circuit for an ultrasonic transducer, where the excitation pulse for the ultrasonic transducer can be easily generated, the Receive circuit against destruction by the excitation pulse is protected and a safe selection of the received Echo pulses is made possible.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sende/ Empfangsschaltung sind den Unteransprüchen entnehmbar.This problem is solved according to the characteristic ones Features of claim 1. Further advantageous Refinements of the transmission / Receiving circuit can be found in the subclaims.

Anhand von in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Based on the figures shown in the accompanying drawings Exemplary embodiments are the following explained in more detail. Show it:  

Fig. 1 eine Sende/Empfangsschaltung für einen piezoelektrischen Ultraschallwandler; Figure 1 shows a transmit / receive circuit for a piezoelectric ultrasonic transducer.

Fig. 1a-1c verschiedene Signale innerhalb der Schaltung gemäß Fig. 1; Fig. 1a-1c different signals within the circuit of FIG. 1;

Fig. 2 eine Modifikation der Schaltung gemäß Fig. 1 für einen elektrostatischen Ultraschallwandler; FIG. 2 shows a modification of the circuit according to FIG. 1 for an electrostatic ultrasound transducer;

Fig. 2a den Spannungsverlauf über dem elektrostatischen Ultraschallwandler; und FIG. 2a shows the voltage waveform on the electrostatic ultrasonic transducer; and

Fig. 3 eine gegenüber Fig. 1 modifizierte Sende/ Empfangsschaltung für einen elektrostatischen Ultraschallwandler. Fig. 3 is a modified compared to Fig. 1 transmit / receive circuit for an electrostatic ultrasonic transducer.

Gemäß Fig. 1 ist die Reihenschaltung eines Siebgliedes R S , L S und eines Ladekondensators C L zwischen die Betriebsspannung +U B und Bezugspotential (Masse) geschaltet. Die Siebschaltung steht aus der Reihenschaltung eines Widerstandes R S und einer Induktivität L S . Parallel zu dem Ladekondensator C L ist die Reihenschaltung der Primärwicklung eines Impulsübertragers Ü und eines elektronischen Schalters ES geschaltet. Der elektronische Schalter ES ist vorzugsweise durch einen hochspannungsfesten Feldeffekttransistor vorgegeben, der mittels eines Schaltimpulses U P betätigt wird und bei Unterbrechung des fließenden Stromes i p einen Impuls in der Sekundärwicklung des Impulsübertragers Ü erzeugt. Dieser Impuls wird über eine Hochspannungsdiode D 1 auf einen piezoelektrischen Wandler W gegeben, der durch diesen Impuls zu eigenfrequenten Schwingungen angeregt wird, wodurch die Abstrahlung von entsprechenden Ultraschallimpulsen erfolgt.Referring to FIG. 1, the series circuit of a screening member of R S, L S, and a charging capacitor C L between the operating voltage + U B and the reference potential (ground) is connected. The filter circuit consists of the series connection of a resistor R S and an inductor L S. The series connection of the primary winding of a pulse transformer U and an electronic switch ES is connected in parallel with the charging capacitor C L. The electronic switch ES is preferably predetermined by a high-voltage-resistant field effect transistor, which is actuated by means of a switching pulse U P and generates a pulse in the secondary winding of the pulse transformer U when the current i p is interrupted. This pulse is applied to a piezoelectric transducer W via a high-voltage diode D 1 , which is excited by this pulse to produce natural-frequency vibrations, as a result of which the corresponding ultrasonic pulses are emitted.

Dem Ultraschallwandler W ist ein Dämpfungswiderstand R 1 parallelgeschaltet. Ferner ist der Ultraschallwandler W über eine weitere Hochspannungsdiode D 2 und einen Schutzwiderstand R 2 an die Betriebsspannung +U B angeschlossen. Der gemeinsame Schaltungspunkt von Hochspannungsdiode D 2 und Schutzwiderstand R 2 ist über einen Koppelkondensator C k1 an einen Verstärker V angeschlossen. Am Ausgang des Verstärkers V ist ein Hochpaßglied bestehend aus einem in Reihe geschalteten Koppelkondensator C k2 und einem parallel zum Ausgang geschalteten Lastwiderstand R k angeordnet. Die am Ausgang anstehende Spannung U k wird einem nicht dargestellten Komparator zugeführt, der ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die angelegte Ausgangsspannung einen bestimmten Triggerpegel überschreitet.A damping resistor R 1 is connected in parallel with the ultrasonic transducer W. Furthermore, the ultrasonic transducer W is connected to the operating voltage + U B via a further high-voltage diode D 2 and a protective resistor R 2 . The common circuit point of high-voltage diode D 2 and protective resistor R 2 is connected to an amplifier V via a coupling capacitor C k 1 . At the output of the amplifier V there is a high-pass element consisting of a coupling capacitor C k 2 connected in series and a load resistor R k connected in parallel with the output. The voltage U k present at the output is fed to a comparator, not shown, which generates an output signal when the applied output voltage exceeds a certain trigger level.

Unter Hinzuziehung der Fig. 1a-1c sei im folgenden die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Sende/ Empfangsschaltung erläutert.The operation of the transmit / receive circuit described above will be explained below with reference to FIGS. 1a-1c.

Schaltet man den elektronischen Schalter ES durch einen Schaltimpuls U P kurz ein und sodann wieder aus, wie dies in Fig. 1a dargestellt ist, so wird sekundärseitig an dem Impulsübertrager Ü für den Ultraschallwandler W ein Anregungsimpuls U W erzeugt, der gemäß Fig. 1b aperiodisch abklingt. Die Hochspannungsdiode D 2 ist für den Hochspannungs- Anregungsimpuls U W in Sperrrichtung gepolt. Erst beim Abklingen des Anregungsimpulses auf eine bestimmte Größe schlägt der Sendeimpuls S I zu dem Ausgang durch, was in Fig. 1c dargestellt ist. Infolge des relativ hohen Gleichspannungspegels in dem modulierten Ausgangsimpuls U K liegt dieser Sendeimpuls jedoch über dem Triggerpegel U T des Komparators, so daß er keine Bewertung erfährt. Die Gleichspannungsaufladung des Koppelkondensators C k2 erfährt jedoch über den Lastwiderstand R K eine Entladung, so daß allmählich der Gleichspannungspegel in der Ausgangsspannung U K auf 0 heruntergeführt wird. Dies hat zur Folge, daß ein starkes Echosignal E 1 von einem Meßobjekt im Nahbereich aufgrund der relativ großen Amplituden bereits eine Bewertung erfährt und ein schwaches Echosignal, hervorgerufen durch ein entferntes Meßobjekt, aufgrund der abgesenkten Gleichkomponente ebenfalls noch durch den gleichen Komparator ausgewertet werden kann. Obgleich der Triggerpegel U T konstant gewählt ist, verändert sich mit Vorteil der effektive (relative) Triggerpegel aufgrund des Einschwingvorganges, der durch den Hochpaß vorgegeben ist. Am Anfang ist der Triggerpegel hoch, so daß auch ein bei abfallender Wandlerspannung U W durchschlagender Sendeimpuls S I durch den Komparator nicht erfaßt wird. Mit wachsendem Abstand der Meßobjekte und dadurch in ihrer Amplitude verringerten Echosignalen wird die Empfindlichkeit größer, d. h. der relative Triggerpegel geringer. Bei Wandlerspannungen, bei denen folgende Beziehung gilt:If the electronic switch ES is briefly switched on by a switching pulse U P and then switched off again, as shown in FIG. 1 a, an excitation pulse U W is generated on the secondary side at the pulse transmitter U for the ultrasonic transducer W , which according to FIG. 1 b is aperiodic subsides. The high-voltage diode D 2 is polarized in the reverse direction for the high-voltage excitation pulse U W. Only when the excitation pulse has decayed to a certain size does the transmission pulse S I break through to the output, which is shown in FIG. 1c. As a result of the relatively high DC voltage level in the modulated output pulse U K, however , this transmission pulse lies above the trigger level U T of the comparator, so that it is not evaluated. However, the DC voltage charging of the coupling capacitor C k 2 is discharged via the load resistor R K , so that the DC voltage level in the output voltage U K is gradually brought down to 0. The result of this is that a strong echo signal E 1 from a measurement object in the near range is already being evaluated due to the relatively large amplitudes, and a weak echo signal caused by a distant measurement object can also be evaluated by the same comparator due to the lowered DC component. Although the trigger level U T is chosen to be constant, the effective (relative) trigger level advantageously changes due to the transient response, which is predetermined by the high-pass filter. At the beginning, the trigger level is high, so that a transmission pulse S I, which breaks through when the converter voltage U W drops, is not detected by the comparator. As the distance between the objects to be measured and the amplitude of the echo signals is reduced, the sensitivity increases, ie the relative trigger level decreases. For transformer voltages where the following relationship applies:

U W ≦λτ U B · R 1 / (R 1 + R 2) U W U ≦ λτ B · R 1 / (R 1 + R 2)

ist der Verstärker V ohnehin über die Hochspannungsdiode D 2 von dem Wandler W entkoppelt. Ansonsten ist diese Hochspannungsdiode D 2 in Durchlaßrichtung geschaltet und stellt einen geringen Wechselspannungswiderstand dar.the amplifier V is decoupled from the converter W via the high-voltage diode D 2 anyway. Otherwise, this high-voltage diode D 2 is switched in the forward direction and represents a low AC resistance.

Fig. 2 zeigt eine Modifikation der Schaltung gemäß Fig. 1, bei der ein elektrostatischer Wandler W, C W zur Anwendung gelangt. Ein solcher sogenannter Sell-Wandler arbeitet kapazitiv und benötigt im Empfangsfall eine konstante Vorspannung, die im vorliegenden Fall automatisch mittels einer Zenerdiode ZD und eines in Reihe geschalteten Dämpfungswiderstandes R D gewonnen wird, wobei diese Reihenschaltung dem elektrostatischen Wandler parallelgeschaltet ist. Gemäß Fig. 2a wird bei Beaufschlagung mit dem Sendeimpuls U W zunächst der Wandler (Kondensator) auf die volle Spannung aufgeladen und entlädt sich sodann über den Dämpfungswiderstand R D solange bis die Wandlerspannung die Zenerspannung U Z erreicht. Danach sperrt die Zenerdiode ZD, so daß auf dem Wandler W eine Ladung erhalten bleibt, die sich aus der nun konstanten Vorspannung U Z = U W entsprechend Q W = C W · U W (C W = Kapazität des Sell-Wandlers) ergibt. FIG. 2 shows a modification of the circuit according to FIG. 1, in which an electrostatic converter W , C W is used. Such a so-called sell converter works capacitively and requires a constant bias voltage when received, which in the present case is obtained automatically by means of a zener diode ZD and a series-connected damping resistor R D , this series connection being connected in parallel with the electrostatic converter. Referring to FIG. 2a upon application of the excitation pulse initially U W of the converter (capacitor) is charged to full voltage and then is discharged through the damping resistor R D until the transducer voltage reached the Zener voltage U Z. The Zener diode ZD then blocks, so that a charge is retained on the converter W which results from the now constant bias voltage U Z = U W corresponding to Q W = C W · U W ( C W = capacitance of the sell converter).

Fig. 3 zeigt eine gegenüber Fig. 1 leicht modifizierte Schaltungsanordnung für den Sende/Empfangsbetrieb eines elektrostatischen Wandlers W, C W . Zur Anregung des Wandlers ist zwischen die Betriebsspannung +U B und Bezugspotential (Masse) ein Siebglied S, eine Diode D 5, eine Drossel L und ein elektronischer Schalter ES geschaltet. Durch Unterbrechung des Stromes i L durch Auftrennen des elektronischen Schalters ES ergibt sich ein Hochspannungsimpuls in Form einer Sinushalbwelle, mit der der Wandler W angesteuert wird. Eine weitere Modifikation gegenüber der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 besteht in der Antiparallelschaltung der beiden Begrenzerdioden D 3 und D 4, die zusätzlich zur Schutzdiode D 2 vorgesehen sind und dem Eingang des Verstärkers V parallelgeschaltet sind. FIG. 3 shows a circuit arrangement for the transmission / reception operation of an electrostatic converter W , C W that is slightly modified compared to FIG. 1. To excite the converter, a filter element S , a diode D 5 , an inductor L and an electronic switch ES are connected between the operating voltage + U B and the reference potential (ground). By interrupting the current i L by opening the electronic switch ES , a high-voltage pulse in the form of a sine half-wave results, with which the converter W is controlled. A further modification to the circuit of Fig. 1, in the anti-parallel connection of the two limiter diodes D 3 and D 4, which are provided in addition to protection diode D 2 and the input of the amplifier V are connected in parallel.

Claims (9)

1. Sende/Empfangsschaltung für Ultraschallwandler mit einem Schaltkreis zur Anregung des Ultraschallwandlers im Sendebetrieb und mit einem, einen Verstärker aufweisenden Schaltkreis zur Auswertung der durch den Ultraschallwandler empfangenen Signale im Empfangsbetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ultraschallwandler (W) und Verstärker (V) eine für das Anregungssignal in Sperrichtung gepolte Schutzdiode (D 2) angeordnet ist.1. Transmitting / receiving circuit for ultrasonic transducers with a circuit for excitation of the ultrasonic transducer in transmit mode and with a circuit having an amplifier for evaluating the signals received by the ultrasonic transducer in receive mode, characterized in that a between ultrasonic transducer ( W ) and amplifier ( V ) for the excitation signal polarized in the reverse direction protective diode ( D 2 ) is arranged. 2. Sende/Empfangsschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Hochpaß (C k2, R k ) am Ausgang des Verstärkers (V).2. Transceiver circuit according to claim 1, characterized by a high-pass filter ( C k 2 , R k ) at the output of the amplifier ( V ). 3. Sende/Empfangsschaltung nach Anspruch 1 für elektrostatische Ultraschallwandler, gekennzeichnet durch die Parallelschaltung einer Zenerdiode (ZD) zu dem Ultraschallwandler (W).3. Transmitting / receiving circuit according to claim 1 for electrostatic ultrasonic transducers, characterized by the parallel connection of a Zener diode ( ZD ) to the ultrasonic transducer ( W ). 4. Sende/Empfangsschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine an Antiparallelschaltung zweier Dioden (D 3, D 4) zwischen dem Eingang des Verstärkers (V).4. Transceiver circuit according to claim 1, characterized by an anti-parallel connection of two diodes ( D 3 , D 4 ) between the input of the amplifier ( V ). 5. Sende/Empfangsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode der Schutzdiode (D 2) über einen Schutzwiderstand (R 2, R V ) einerseits an eine Gleichspannung (+U B , +U V ) und andererseits über einen Koppelkondensator (C k1) an den Verstärker (V) angeschlossen ist und daß die Anode der Schutzdiode (D 2) über einen dem Ultraschallwandler (W) parallelgeschalteten Dämpfungswiderstand (R 1, R D ) mit dem Bezugspotential verbunden ist.5. Transmitting / receiving circuit according to claim 1, characterized in that the cathode of the protective diode ( D 2 ) via a protective resistor ( R 2 , R V ) on the one hand to a DC voltage (+ U B , + U V ) and on the other hand via a coupling capacitor ( C k 1 ) is connected to the amplifier ( V ) and that the anode of the protective diode ( D 2 ) is connected to the reference potential via a damping resistor ( R 1 , R D ) connected in parallel with the ultrasonic transducer ( W ). 6. Sende/Empfangsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungssignal durch Unterbrechung eines durch eine Induktivität (L) bzw. einen Impulsübertrager (Ü) fließenden Gleichstromes erzeugt wird.6. Transceiver circuit according to one of claims 1 to 5, characterized in that the excitation signal is generated by interrupting a direct current flowing through an inductor ( L ) or a pulse transformer ( Ü ). 7. Sende/Empfangsschaltung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Reihenschaltung eines Siebgliedes (R S , L S ) und eines Kondensators (C L ) zwischen Betriebsspannung (+U B ) und Bezugspotential und die Parallelschaltung der Primärwicklung des Impulsübertragers (Ü) in Reihe zu einem elektronischen Schalter (ES) zu dem Kondensator (C L ).7. Transceiver circuit according to claim 6, characterized by the series connection of a filter element ( R S , L S ) and a capacitor ( C L ) between the operating voltage (+ U B ) and reference potential and the parallel connection of the primary winding of the pulse transformer ( Ü ) in series to an electronic switch ( ES ) to the capacitor ( C L ). 8. Sende/Empfangsschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung des Impulsübertragers (Ü) über eine Diode (D 1) an den Ultraschallwandler (W) angeschlossen ist.8. Transceiver circuit according to claim 7, characterized in that the secondary winding of the pulse transformer ( Ü ) is connected via a diode ( D 1 ) to the ultrasonic transducer ( W ). 9. Sende/Empfangsschaltung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Reihenschaltung eines Siebgliedes (S), einer Schaltinduktivität (L) und eines elektronischen Schalters (ES) zwischen Betriebsspannung (+U B ) und Bezugspotential, wobei der elektronische Schalter (ES) dem Ultraschallwandler (W) parallelgeschaltet ist.9. Transceiver circuit according to claim 6, characterized by the series connection of a filter element ( S ), a switching inductance ( L ) and an electronic switch ( ES ) between operating voltage (+ U B ) and reference potential, the electronic switch ( ES ) the ultrasonic transducer ( W ) is connected in parallel.
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