Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur digitalen
Spitzenwertmessung für Ultraschallimpulse nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 und stellt eine Verbesserung und weitere
Ausbildung des Verfahrens nach Patent P 35 38 948.6 dar.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Dynamikbereich des Verfahren
nach dem Hauptpatent zu vergrößern.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung ausgehend von dem Ver
fahren nach dem Hauptpatent gelöst durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale.
Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles veranschaulicht
und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnungen beschrie
ben.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Schaltung zur
Durchführung des Verfahrens.
Fig. 2 zeigt den Signalverlauf in der Schaltung nach Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Schaltung zur
Durchführung des Verfahrens.
Fig. 4 zeigt eine mögliche Aufteilung des Meßbereiches.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Schaltung zur
Durchführung des Verfahrens.
In der in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellten Schaltung ist
ein Ultraschallsender 2 mit einem Prüfkopf 4 wiedergegeben, der
gleichzeitig als Sender und Empfänger für die Prüfimpulse
arbeitet, die vom Prüfkopf auf ein zu prüfendes Werkstück 6
abgegeben werden, das in üblicher Weise in einem mit einer
Flüssigkeit gefüllten Tank untergebracht ist, wobei der Prüfkopf
4 in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Das vom Prüfkopf 4
empfangene Meßsignal wird einem linearen Vorverstärker 10 auf
gegeben. Der Sender 2 wird von einem Taktgenerator 12 ange
steuert, dessen Triggerimpuls gleichzeitig einer Zeitsteuerung 14
zugeführt wird, über die eine Zeitblende 16 erzeugt wird, die
den Signalerwartungsbereich eingrenzt und beispielsweise auf den
Bereich eingestellt ist, in dem ein Fehlerecho zu erwarten ist.
Für die Spitzenwertmessung des Ausgangssignals 18 des Vorver
stärkers 10 ist ein durch den Gesamtblock 20 repräsentierter
Meßschaltkreis zur Messung des Spitzenwertes des Signals 18
vorgesehen. Dieser Meßschaltung wird auch die Zeitblende 16
zugeführt.
Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 10 wird auf einen Kompara
torbaustein 28 zugeführt. Dieser Komparatorbaustein ist als
Fensterkomparator ausgebildet und weist zwei getrennte Kompa
ratoren 30, 32 auf, deren Referenzspannungen sich um eine
Spannungsstufe, hier beispielsweise um 2 dB, unterscheiden, wie
durch einen eingezeichneten festen Spannungsteiler angedeutet,
der hier zwischen den Minuseingängen der Komparatoren angeordnet
ist, während an den Pluseingängen der Komparatoren parallel das
Ausgangssignal des Vorverstärkers anliegt.
Das Ausgangssignal des Fensterkomparators 28 wird einer Tor
schaltung 34 zugeführt, die beispielsweise aus zwei parallelen
Und-Gliedern besteht und auf die die Zeitblende 16 als zweites
Torsignal aufgeschaltet ist. Die Torschaltung kann auch im nach
folgenden Speicher integriert sein.
Die Ausgangssignale beider Tore der Torschaltung werden einem
Speicher 36 zugeführt, der hier aus zwei Flip-Flop besteht, die
jeweils das Ausgangssignal der beiden Komparatoren 30, 32 des
Fensterkomparators 28 speichern. Dem Speicher 36 ist ein weiterer
Speicher 38 nachgeschaltet.
Eine von der Zeitblende 16 gesteuerte Logik 40 erzeugt einen
Impuls zur Übertragung des Speicherinhalts des Speichers 36 auf
den Speicher 38 und zum Rücksetzen des Speichers 36. Die Speicher
36 und 38 liegen an einer Zählersteuerung 42 an. Von dieser
Steuerung wird ein von der Logik 40 getakteter Digitalzähler 44
gesteuert. Dieser Zähler ist beispielsweise ein 4-Bit-Binär
zähler, der vorwärts und rückwärts zählt. Der Zählerausgang ist
auf einen D/A-Wandler 46 geschaltet, von dem die gestufte
Referenzspannung auf den Fensterkomparator 28 gegeben wird. Die
Referenzspannung im Komparator wird also in Abhängigkeit von der
Zählrichtung des Zählers 44 entweder um eine Stufe herauf- oder
herabgesetzt. Die Zählersteuerung 42 bestimmt in Abhängigkeit vom
Verhältnis des Scheitelwertes zur Referenzspannung die Zähl
richtung des Zählers 44 und setzt den Zähler still, wenn der
Scheitelwert des dem Fensterkomparator zugeführten Signals 18
zwischen den beiden Referenzwerten liegt, die an den Komparatoren
32 und 30 anliegen, also im Komparatorfenster. Der Ausgang des
Zählers 44 gibt digital die jeweiligen Referenzspannungen an. Die
jeweilige Referenzspannung kann also zwischen dem Zähler 44 und
dem D/A-Wandler 46 abgegriffen werden und steht am Ausgang 48 des
Schaltkreises 20 zur Verarbeitung zur Verfügung.
Zur Signalverarbeitung ist hier ein Baustein 50 dargestellt, in
dem das digitale Eingangssignal beispielsweise direkt mit einer
Leuchtdiodenanzeige 52 wiedergegeben wird. Die Zahl der Leucht
dioden kann dabei der Zahl der vorgesehenen Spannungsschritte
entsprechen und beispielsweise bei 16 Spannungsschritten aus 16
Leuchtdioden bestehen. Im Baustein 50 ist weiter in Interface 54
wiedergegeben, an dessen Ausgang beispielsweise ein Rechner 56
anschließbar ist. Weiter ist ein D/A-Wandler 58 dargestellt, in
dem das digitale Signal in ein Analogsignal gewandelt wird, das
dann beispielsweise von einer Registriereinheit 60 analog auf
zeichenbar, aber auch über ein analoges Anzeigegerät darstellbar
ist.
In Fig. 2 ist der zeitliche Ablauf der Messung wiedergegeben. In
der obersten Zeile I ist der Triggerimpuls A wiedergegeben. Mit
seiner negativen Flanke kann beispielsweise der in der Zeile II
wiedergegebene Sendeimpulse B ausgelöst werden. Vom Triggerimpuls
A wird weiter die Erzeugung der Zeitblende 16 ausgelöst, welche
hier für den Fehlererwartungsbereich gesetzt ist - Zeile III.
Das in Zeile IV wiedergegebene Ultraschallsignal besteht aus drei
Impulsen, nämlich dem Eintritts- bzw. Oberflächenecho 17, dem
Fehlerecho 18 und dem Rückwandecho 19. Die Zeitblende 16 ist
dabei so gesetzt, daß nur das Fehlerecho 18 ausgewertet wird.
Über der Zeile IV sind die um eine Referenzspannungsstufe x dB
verschiedenen Referenzspannungen 31, 33 wiedergegeben, die an den
beiden Komparatoren 30, 32 des Fensterkomparators 28 anliegen.
Diese Referenzspannungen werden am Ende der Zeitblende um eine
Spannungsstufe verändert, hier erhöht.
Für die Ausgänge der beiden Komparatoren 30 und 32 gibt es drei
Zustände:
- 1. Liegt die Spannung des Spitzenwertes des aufgegebenen Signales
18 im Komparatorfenster, also zwischen den an den Kompa
ratoren 30 und 32 anliegenden Referenzspannungen, wird nur
der Komparator mit der kleineren Referenzspannung getriggert.
Im Speicher 36 wird damit über das Tor 4 eines der beiden
Flip-Flop gesetzt. In Abhängigkeit hiervon wird über die
Zählersteuerung 42 der Zähler 44 gestoppt und der Ultra
schallsender abgeschaltet. Der Zählerstand gibt dann digital
den Spitzenwert an, der über den Baustein 50 angezeigt oder
bearbeitet werden kann. Dieser Zustand ist in Fig. 2 rechts
dargestellt.
- 2. Liegt der Spitzenwert oberhalb des Komparatorfensters,
triggern beide Komparatoren 32, 30. Im Speicher 36 werden
beide Flip-Flop gesetzt. Dies veranlaßt die Zählersteuerung,
den Zähler 44 aufwärts zählen zu lassen - Fig. 2 links. Es
wird nach jedem Blendentakt die Referenzspannung um eine
Stufe erhöht, bis sich der unter 1. beschriebene Zustand
einstellt.
- 3. Liegt der Spitzenwert unterhalb des Komparatorfensters,
triggert keiner der beiden Komparatoren. Im Speicher 36 wird
keiner der beiden Flip-Flop gesetzt. Damit veranlaßt die
Zählersteuerung 42 den Zähler zum Abwärtszählen, bis sich
der in 1. beschriebene Zustand einstellt.
- 4. Es besteht die Möglichkeit, daß das Eingangssignal außerhalb
des Meßbereiches liegt - Überbereich bzw. Unterbereich. Es
würde dann der Zustand 1 nicht erreicht. In diesem Fall wird
der Zähler in seiner höchsten bzw. niedrigsten Stufe still
gesetzt und Bereichsüberschreitung angezeigt.
In den dem Speicher 36 nachgeschalteten Speicher 38 wird jeweils
am Ende der Zeitblende der Inhalt des Speichers 36 überführt, und
zwar hier gesteuert durch die negative Flanke der Zeitblende. Mit
den beiden Speichern 36 und 38 ist ein Vergleich der n-ten
Messung mit der (n-1)-ten Messung möglich. Durch Toleranzen der
im Fensterkomparator eingebauten Teilerwiderstände kann die
Breite des Fensters kleiner sein als eine Spannungsstufe des
D/A-Wandlers 36. Dies würde dazu führen, daß die Zählersteuerung
42 den Zähler 44 ständig auf- und abwärts zählen läßt, da der
Spitzenwert aufgrund der Toleranzen jeweils abwechselnd oberhalb
bzw. unterhalb des Komparatorfensters liegt. Durch den Vergleich
der Inhalte der beiden Speicher 36 und 38 in der Zählersteuerung
während zweier aufeinanderfolgender Messungen wird dieser
instabile Zustand vermieden. Es wird dann eine der beiden
Referenzspannungen der Bestimmung des Spitzenwertes zugrunde
gelegt, wobei Meßungenauigkeiten nicht vermeidbar sind.
Eine solche Instabilität kann auch dadurch vermieden werden, daß
die Fensterscheibe als die Referenzspannungsstufung des Fenster
komparators größer gewählt wird als eine Spannungsstufe des
D/A-Wandlers 46, und zwar um so viel, daß auch unter Berück
sichtigung der Bauteiletoleranzen die Fensterbreite mindestens der
Teilerstufe des D/A-Wandlers 46 entspricht. Im allgemeinen reicht
es dabei aus, die Fensterbreite um etwa 5 bis 10% größer vor
zusehen als eine Spannungsstufe.
Das beschriebene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß nur
wenige kritische schnelle Bauelemente, nämlich für den Fenster
komparator 28, das Tor 34 und den ersten Speicher benötigt
werden, während alle weiteren Bauelemente mit dem relativ langsamen
Triggertakt des Taktgenerators 12 , d. h. der Pulsfolgefrequenz für
die Ansteuerung des Ultraschallsenders, arbeiten. Die Grenz
frequenz des Gerätes wird also von dem Fensterkomparator 28, dem
Signaltor 34 und der ersten Speichereinheit 36 bestimmt.
Durch die Verwendung von ECL-Bausteinen im Fensterkomparator 30,
im Signaltor 34 und im Speicher 36 kann die maximale Frequenz der
US-Impulse bis zu 300 MHz betragen. Die übrigen Bauteile, die nur
mit dem Triggertakt arbeiten, können in TTL-Technik ausgeführt
werden.
Mit der Schaltung nach Fig. 1 ist eine Dynamik von 30 dB erreich
bar mit einer Stufung von 2 dB. Der Dynamikbereich kann auf
einfache Weise dadurch verdoppelt werden, daß die Schaltung mit
einem elektronisch steuerbaren Spannungsteiler bzw. einem Vor
verstärker mit umschaltbarem Verstärkungsfaktor versehen wird.
Eine entsprechend abgewandelte Ausführung des Meßschaltkreises 20
ist in Fig. 3 dargestellt. An dem Schaltkreis liegen die gleichen
Eingangswerte wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 an. Dem
Fensterkomparator 28 ist hier ein elektronisch umschaltbarer
Spannungsteiler 62 vorgeschaltet. Der zweite Speicher 38 fehlt
hier, und der Fensterkomparator ist, wie oben angegeben, mit einer
um eine Toleranzspanne gegenüber der Stufung der vom D/A-Wandler
46 abgegebenen Referenzspannung vergrößertem Fenster ausgebildet.
Der Zähler 44 ist hier als 5-Bit-Binär-Zähler ausgebildet und der
D/A-Wandler 46 ist ein logarithmischer 4-Bit-D/A-Wandler mit
1 dB-Stufung. Der elektronische Umschalter des Spannungsteilers
62 wird von der Zählersteuerung 42 betätigt. Dem größten Spitzen
wert ist hier der Zählerstand 0 dB zugeordnet. Der Teiler 62 vor
dem Fensterkomparator 28 kann elektronisch zwischen 0 dB und
-16 dB umgeschaltet werden. Eine Abschwächung erfolgt beim MSB
(Most Significant Bit) des Zählers = 0, also für den Referenz
spannungsbereich 0 bis -15 dB. Die Spitzenwertamplituden können
also in beiden Meßbereichen mit den gleichen Referenzspannungen
verglichen werden.
Die Meßgeschwindigkeit der vorstehend beschriebenen Geräte, das
ist die Zahl der Messungen, die zur Ermittlung des Spitzenwertes
im ungünstigsten Fall durchgeführt werden muß, ist abhängig von
der Anzahl der für das jeweilige Meßproblem erforderlichen bzw.
vorgesehenen Referenzspannungsstufen. Im ungünstigsten Fall
werden bei n Referenzspannungsstufen (n-1) Messungen mit Meß
wertauswertung bis zur Feststellung des Spitzenwertes benötigt.
Eine höhere Meßgeschwindigkeit ist erreichbar, wenn der Dynamik
bereich mit n Referenzspannungsstufen in m Bereiche mit n/m
Referenzspannungsstufen unterteilt werden, wobei m größer als n und n
gleich 3, 4, 5 . . . sein sollte.
Eine solche Aufteilung des Dynamikbereiches auf m Bereiche ist in
Fig. 4 dargestellt. In der Zeile I sind hier die beispielsweise
benötigten 32 Amplitudenstufen mit 1 dB Abstufung und einem
Dynamikbereich 0 bis -31 dB dargestellt. Dieser Gesamtbereich ist
hier in m = 4 Bereiche mit je 8 Referenzspannungen aufgeteilt.
Wie in den Zeilen II bis V der Fig. 4 wiedergegeben, enthält der
Bereich m 1 die Stufen 0 bis -7 dB, der Bereich m 2 die Stufen -8
bis -15 dB, der Bereich m 3 die Stufen -16 bis -23 dB und der
Bereich m 4 die Stufen -24 bis -31 dB.
Jedem Bereich m 1-m 4 ist hierbei ein Meßschaltkreis entsprechend
dem Meßschaltkreis 20 nach Fig. 1 oder 3 zugeordnet, die
jeweils identisch ausgebildet sind und bei denen jeweils der
D/A-Wandler 46 acht Referenzspannungsstufen liefert und der
Zähler 44 ein 3-Bit-Binärzähler sein kann.
Eine entsprechende Schaltung ist in Fig. 5 in einem Ausführungs
beispiel wiedergegeben. Das Eingangssignal ist hier das Ausgangs
signal des Vorverstärkers, beispielsweise des
Vorverstärkers 10 eines Pegelanpassungs-Bausteines 64
in dem eine Pegelanpassung entsprechend Fig. 4 vorgenommen wird.
An den vier Ausgängen dieses Bausteines liegen jeweils die
Signalpegelbereiche entsprechend den Zeilen II bis V der Fig. 4
an, also die Pegelbereiche m 1 bis m 4. Auf die einzelnen
Meßschaltkreise ist ferner das Blendensignal 16 aufgeschaltet.
Die Ausgänge der Signalpegel für die Bereiche m 1 bis m 4 des
Anpassungsbausteines 64 sind jeweils einem Meßschaltkreis 66 a bis
66 d aufgeschaltet. Diese Meßschaltkreise 66 a bis 66 d sind iden
tisch und haben beispielsweise als Ausgang jeweils den Ausgang
des Zählers 44. Diese Zählerausgänge sind auf einen gemeinsamen
Ausgabe-Baustein 68 aufgeschaltet, der prinzipiell dem Baustein
50 nach Fig. 1 entsprechen kann.
Statt eines vorgeschalteten Pegelanpassungsbausteines 64 kann
jedem der Meßschaltkreise 66 a bis 66 d, wie bei der Ausführung
nach Fig. 3, ein Spannungsteiler zugeordnet sein, über den die
einzelnen Meßschaltkreise jeweils auf einen der Bereiche m 1 bis
m 4 einstellbar sind. Es könnte dann der Ausgang des Vorver
stärkers 10 direkt parallel auf die Bausteine 66 a bis 66 d auf
geschaltet werden.
Die einzelnen Meßschaltkreise 66 a bis 66 d arbeiten in der oben
beschriebenen Weise. Da jedem Schaltkreis ein bestimmter Dynamik
bereich zugeordnet ist, wird der Spitzenwert in dem Schaltkreis
ermittelt, in dessen Dynamik-Bereich der Spitzenwert liegt.
Sobald in einem der Schaltkreise der Spitzenwert dadurch fest
gestellt wird, daß der Scheitelwert innerhalb des Komparator
fensters liegt, wird der an dem Ausgabebaustein 68 anliegende
Zählerstand in diesem Baustein mit einem dem jeweiligen Dynamik-
Bereich zugeordneten Faktor multipliziert und dann als Scheitel
wert digital oder analog ausgegeben.
Bei m -Bereichen mit n-Referenzspannungsstufen in jedem der
Bereiche liegt damit der Spitzenwert nach maximal (n-1) Ultra
schallmeßimpulsen vor.
Bereichsüber- bzw. Bereichsunterschreitungen werden mit den
Bausteinen 66 a bzw. 66 d in Verbindung mit dem Ausgabebaustein
ermittelt.
Vorstehende Beschreibung bezieht sich auf die Messung eines
positiven Spitzenwertes. Durch Erzeugung negativer Referenz
spannung in Verbindung mit einer entsprechenden Beschaltung der
Komparatoren des Fensterkomparators können auch negative Spitzen
werte gemessen werden. Eine andere Möglichkeit hierzu bietet
beispielsweise ein invertierend schaltbarer Vorverstärker.