DE3713758A1 - Empfaenger-schaltung fuer ein ultra-schall-impuls-echo-geraet, vorzugsweise fuer distanzmessungsapparate - Google Patents

Description

Es sind Ultraschall-Distanzmeßgeräte bekannt, die nach dem Lauf­ zeitverfahren arbeiten. Vereinfacht gesagt wird diejenige Zeit gemessen, die zwischen Aussenden, Reflektion an einem Objekt, und Empfang eines kurzzeitigen Ultraschallimpulses benötigt wird. Da bei bekannter Schallgeschwindigkeit die Laufzeit ein Maß für die Entfernung ist, läßt sich aus der Laufzeit unschwer die Ent­ fernung berechnen. In der Patentschrift ist der Tatsache Rechnung getragen, daß die Intensität des Echos sehr stark - mit einer nichtlinearen Funktion - mit der Entfernung ab­ nimmt. Es sind daher verschiedene Schaltungen und Methoden ange­ geben worden, die das Ziel verfolgen, diese natürliche Dämpfung des Schalls in der Luft zu kompensieren.

In Abhängigkeit von der Gestalt, Größe und Oberflächenbeschaffen­ heit des Ziels kommt es trotzdem zu Amplitudenveränderungen, die sehr groß sein können.

Da weiterhin die Meßzeit üblicherweise dann beendet wird, wenn das empfangene Signal einen gewissen Pegel - der beispielsweise an einem Komperator voreingestellt werden kann - überschreiten muß, kommt es zu weiteren Üngenauigkeiten, die daraus resultieren, daß der ausgesandte Impuls verschliffen wird, also eine gewisse An­ stiegszeit benötigt (Fig. 1). In Fig. 1 sind zwei Echos symbo­ lisch dargestellt. Echo 1 hat eine relativ große Amplitude, Echo 2 eine geringere, weil beispielsweise der Reflektor aus einem Tex­ tilmaterial besteht. Wenn die Triggerschwelle fest eingestellt ist erreicht das Echo 2 die Triggerschwelle erst nach ca. 10 aus­ gesandten Schwingungen. Das Echo 1 dagegen bereits nach 2 Schwin­ gungen. Da die Wellenlänge etwa 8 mm ist, wäre die Meßdifferenz ohne besondere Maßnahmen etwa 50 mm.

Die nachstehend beschriebene Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, mit relativ geringem Aufwand die Ergebnisse zu verbessern.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Apparatur.

Das Empfangssignal wird durch einen zeitgesteuerten Vorverstärker vorverstärkt (1).

Eine Selektionsstufe unterdrückt unerwünschte Frequenzbereiche (2). Eine Verstärkerstufe, die in der Art eines Bandpaßes be­ schaltet ist, verstärkt das Signal (3). Eine weitere und letzte Verstärkerstufe ist ein Logarithmierverstärker (4).

Bei kleinen Signalamplituden ist der Verstärker so ausgelegt, daß eine Verstärkung sehr hoch ist. In der bevorzugten Ausführung ist sie einhundertfach.

Bei größeren Signalamplituden wird die Verstärkung kleiner. Sie kann kleiner als 1 werden. Ohne den Verstärker zu übersteuern, sind damit Signale zu verarbeiten, die im Bereich mehrerer Zehner Potenzen liegen.

Ergebnismäßig erreicht die in Fig. 1 beschriebene Kombination der einzelnen Verstärkerstufen, daß

• 1. der Zeitabhängigen natürlichen Dämpfung der Echosignale durch die Regelungsstufe (1) in erster Näherung entgegengewirkt wird.
• 2. die schwachen Einzwingvorgänge zu Beginn eines Impulspaketes relativ stärker verstärkt werden, als die maximale Amplitude. Dadurch wird aus verschliffenen Impulspaketen mit langsamen Einschwingvorgängen wieder ein Impulspaket rekonstruiert, das nach der Demodulation scharf begrenzte Einschaltflanken hat.

Da ein schulmäßiger Logarithmierverstärker eine zu hohe Signal­ kompession zur Folge haben würde, wird erfindungsgemäß eine Konfiguration nach Fig. 3 vorgeschlagen.

Durch das Verhältnis der Widerstände R 1 und R 2 zueinander wird die maximale Verstärkung auch bei kleinsten Signalen begrenzt. Die Großsignalverstärkung wird mit Hilfe des Widerstands R 3 so ge­ wählt, daß der Operationsverstärker auch bei den größten zu er­ wartenden Signalen noch nicht in die Begrenzung geht.

Üblicherweise wird das Ausgangssignal des Echoverstärkers demodu­ liert und wie in Fig. 4 gezeichnet einem Komperator zugeführt. Die Einstellung der Komperatorschwelle ist dabei problematisch.

Wünschenswert wäre für eine sehr große Ansprechempfindlichkeit eine Komperatorschwelle die kurz oberhalb des Signalniveaus hinter der Demodulatordiode liegt.

Durch Temperaturdrifts oder durch wechselnde Umgebungsgeräusche kann dieses Niveau jedoch variieren.

Erfindungsgemäß wird dagegen eine Anordnung nach Fig. 4 vorge­ schlagen.

Erfindungsgemäß wird das Spannungsniveau am Komperator mit Hilfe des Widerstandes R 4 und des Kondensators C 1 einem Integrator hoher Zeitkonstante zugeführt. Die Zeitkonstante ist so gewählt, daß die kurzzeitigen Echoimpulse keinerlei Auswirkung haben. Über den Widerstand R 5 wird das Spannungsniveau des Komperators um einen Betrag oberhalb des Triggerpegels gezogen, der einerseits einen sicheren Abstand zum Grundrauschen der Anordnung garantiert, an­ dererseits eine ausreichende Ansprechempfindlichkeit gewährleistet.

Bei sehr hohem Grundgeräuschpegel, beispielsweise in äußerst ver­ lärmter Umgebung, hebt sich - gleichzeitig mit dem Signal am Aus­ gang des Demodulators - der Triggerpegel um den gleichen Betrag an. Es wird daher in jedem Fall ein ausreichender Schaltabstand ge­ währleistet, wobei die Ansprechempfindlichkeit stets so hoch wie möglich bleibt.

Insbesondere bei speziellen Meßaufgaben kann es notwendig sein, die Triggerschwelle variabel gestalten zu müssen. Erfindungsgemäß wird das einfach erreicht, indem der Widerstand R 5 mit einer ent­ sprechenden Entkopplungsdiode zu einer Veränderung des Komperator­ niveaus sorgt, wenn über die Diode D 1 ein entsprechendes Potential angelegt wird.

Eine beispielhafte Ausführung ist in Fig. 5 beschrieben.

Ergebnismäßig wird durch die erfindungsgemäß beschriebene, neu­ artige Kombination der verschiedenen Stufen erreicht, daß

• 1. verschliffene, schwache Echosignale steilere Anstiegsflanken erhalten und in sofern eine exaktere Zeitbestimmung möglich machen.
• 2. eine Einstellung der Triggerschwelle in Abhängigkeit vom Eigenrauschen der Schaltung und von der Umgebungslautstärke sich von selbst einstellt.
• 3. der Triggerpunkt durch einfache Schaltungmaßnahmen extern ver­ ändert werden kann um die Schaltung bei unterschiedlichen Ein­ satzzwecken optimal geeignet zu machen.

Claims (2)

1. Empfängerschaltung in einem vorzugsweise für Luftschall vorgesehenen Ultraschall-Distanzmeßgerät nach dem Impuls- Echo-Laufzeitverfahren unter Verwendung eines mehrstufigen Verstärkerkonzeptes mit zeitgesteuerter Verstärkungsein­ stellung vorzugsweise der Eingangsstufe, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens eine Stufe ein nichtlineares, annähernd logarithmisches Verstärkerverfahren aufweist, indem im Gegenkopplungszweig eines Operationsverstärkers ein Bauteil mit nichtlinearer Spannungs-/Stromkennlinie - etwa ein oder mehrere Dioden oder ein Transistor - einge­ fügt ist, wobei die maximale Verstärkung (Kleinstsignal­ verstärkung) durch einen parallelen Widerstand begrenzt wird, und daß durch Reihenschaltung zum nichtlinearen Bauteil die minimale Verstärkung (Großsignalverstärkung) begrenzt wird, und daß im Anschluß an die Demodulations­ stufe ein Komperator geschaltet wird, bei dem das demodu­ lierte Signal (Hüllkurve)direkt dem Komperator zugeführt wird und über eine R/C-Kombination eine weitere Integration erfährt und damit den Schaltpegel des Komperators bildet, wobei die Schaltschwelle in einem definierten Abstand zur mittleren Demodulatorspannung gehalten wird, indem ein Widerstand den Pegel der Schaltspannung schaltrichtig vom Mittelpegel wegzieht.

2. Empfangsschaltung nach Anspruch 1, d. g., daß der Empfänger aus einer zeitgesteuerten Vorstufe mit variabler Verstärkung, einer Bandfilter-Stufe, einer Bandpaß-Verstärkerstufe, einer Verstärkerstufe mit nichtlinearer Verstärkung und einer Kom­ peratorstufe mit selbsttätig sich einstellender Schaltwelle besteht.