DE3815205C2 - Verstärkerschaltung mit regelbarem Verstärkungsfaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung mit regelbarem Verstärkungsfaktor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Verstärkerschaltung ist aus der Literaturstelle "Elektronics", Bd. 44 Nr. 18 vom 30. August 1971, Seite 52 bis 56 bekannt.

Diese Druckschrift zeigt eine Anordnung für eine automatische Regelung der Verstärkung, bei der das Ausgangssignal eines Verstärkers mit variabler Verstärkung in einem Fehlerverstärker mit einem Bezugssignal verglichen wird und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers entsprechend der Differenz zwischen dem Verstärker-Ausgangssignal und dem Bezugssignal eingestellt wird. Diese Anordnung dient dazu, bei der Verstärkung eines im wesentlichen kontinuierlichen Eingangssignals (beispielsweise ein Rundfunksignal) trotz eines schwankenden Eingangssignalpegels ein Ausgangssignal mit immer gleichbleibenden Pegel zu erhalten.

Ähnliche Anordnungen, die dem gleichen Zweck dienen, sind auch aus der DE-OS 21 61 657, der DE 26 17 114 A1 und der DE 34 01 748 A1 bekannt.

Die bekannten Anordnungen sind jedoch nicht zur Anwendung bei Ultraschallgeräten geeignet, da im Pegel des Ultraschallsignales (des reflektierten Signales) erwünschte Informationen über die Intensität der Reflektion und damit zum Beispiel über die Größe des Risses oder ähnlichem, der den Ultraschall reflektiert, enthalten sind. Ein Anheben des Verstärker-Ausgangssignals auf einen einheitlichen Pegel würde diese Informationen verschwinden lassen.

Bei einer Ultraschall-Prüfvorrichtung wird das von einem Impulssender/Empfänger erzeugte Sendesignal zu einem Ultraschall-Prüfkopf geleitet und von diesem Prüfkopf in ein Ultraschallsignal umgewandelt, das auf das zu prüfende Material übertragen wird. Das Ultraschall-Echo vom Testmaterial oder das Ultraschallsignal, das das Testmaterial durchlaufen hat, wird von dem Prüfkopf aufgenommen und vom Impulssender/Empfänger nach einer elektroakustischen Umwandlung verstärkt. Das Sendesignal wird in vorbestimmten Zeitabständen abgegeben, so daß es zwischen den Sendeperioden eine Ruheperiode gibt, in der keine Abgabe des Sendesignales erfolgt.

Bei solchen Ultraschallgeräten ist es erforderlich, einen Verstärker zu verwenden, dessen Verstärkungsfaktor auf einen geeigneten Wert eingestellt werden kann. Aus dem oben genannten Grund ist es bei Ultraschallmessungen üblich, die Einstellung der Verstärkung manuell vorzunehmen.

Die Einstellung des Verstärkungsfaktors wird dabei mittels Abschwächern vorgenommen, die jeweils zwischen aufeinanderfolgende Stufen von Hochfrequenzverstärkern eingefügt sind. Am Eingang der ersten Verstärkerstufe kann ein weiterer Abschwächer vorgesehen sein, der wählbare Dämpfungselemente von z. B. 20 dB und 40 dB enthält. Der zwischen der ersten und der zweiten Verstärkerstufe vorgesehene Abschwächer ist z. B. über 20 Stufen von jeweils 2 dB schaltbar und der zwischen der zweiten und der dritten Verstärkerstufe vorgesehene Abschwächer über 20 Stufen von jeweils 0,5 dB.

Ein bestimmter, gewünschter Wert für die Gesamtabschwächung läßt sich meist durch mehrere verschiedene Einstellkombinationen erreichen. Damit in der Verstärkerschaltung keine Verschlechterung des Rauschabstandes auftritt, ist es jedoch sehr wichtig, die jeweils beste Einstellung für die einzelnen Abschwächer auszuwählen. Um diese Anforderung zu erfüllen, wird den Bedienern der Geräte eine beträchtliche Übung und Erfahrung abgefordert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebene Vorrichtung so auszugestalten, daß die Verstärkerschaltung für Ultraschallmessungen geeignet ist, wobei der Verstärkungsfaktor durch ein äußeres Steuersignal mit hoher Genauigkeit einstellbar sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 beschrieben.

Demnach wird während der Ruheperiode, in der kein Ultraschallsignal erhalten wird, ein Bezugssignal an den Verstärkereingang gelegt und das sich ergebende Verstärker-Ausgangssignal mit einem Vorgabewert verglichen, um den Verstärkungsfaktor entsprechend einzustellen. Der während der Ruheperiode so eingestellte Verstärkungsfaktor wird dann während der Erfassungsperiode des folgenden Ultraschallsignales (z. B. ein Ultraschall-Echosignal) aufrechterhalten, ohne daß der Pegel des Ultraschallsignales einen Einfluß auf den Verstärkungsfaktor hat.

Da die Verstärkung der Verstärkerschaltung mittels des Ver­ stärkungsfaktor-Steuersignales in Übereinstimmung mit dem Vorgabewert gesteuert wird, besteht keine Notwendigkeit mehr für eine stufenweise Abschwächung des erhaltenen Ultraschall­ signales. Es ist daher möglich, ein Ausgangssignal mit hohem Rauschabstand abzugeben, auch wenn das erhaltene Eingangs­ signal einen sehr niedrigen Pegel aufweist. Da keine große Anzahl von Abschwächern mehr erforderlich ist, die üblicherweise aus Widerstandselementen bestehen, ist auch der negative Einfluß der Widerstände auf die Frequenzabhängigkeit der Verstärkerschaltung beseitigt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Verstärkerschaltung für Ultraschallgeräte;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer ähnlichen Verstärkerschaltung;

Fig. 3 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung von Fig. 2;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer dritten Art der Verstärkerschaltung;

Fig. 5 ein Kennliniendiagramm für die Verstärkungsregelung der Fig. 4;

Fig. 6 ein Blockschaltbild der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ver­ stärkerschaltung für Ultra­ schallgeräte; und

Fig. 7 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der zeitlichen Steuerung des Verstärkungsfaktors der Verstärker­ schaltung der Fig. 6.

In der Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Eingangs­ anschluß für ein elektrisches Signal, das einer Ultraschall­ welle entspricht, die durch ein zu untersuchendes Material gelaufen ist bzw. die ein Echo der Welle ist, die durch einen Ultraschall-Prüfkopf 4 eines Ultraschallgerätes aufge­ nommen wurde. Das Bezugszeichen 2 steht für ein Dämpfungs­ element und 3 für einen Schalter für den Grad der Abschwä­ chung. Diese beiden Komponenten bilden einen Abschwächer mit zwei Dämpfungspegeln von 0 und 30 dB, wobei letzterer durch das Dämpfungselement 2 vorgegeben wird.

Das Eingangssignal am Eingangsanschluß 1 wird über den Schalter 3 zu einem Hochfrequenz-Verstärker 20 geführt. Der Verstärker 20 hat einen Eingangsanschluß 21a, der mit dem Ausgang des Schalters 3 verbunden ist, einen Ausgangsan­ schluß 21b, einen weiteren Eingangsanschluß 21c für die An­ nahme eines Bezugspegelsignals und einen Verstärkungsfaktor- Steuereingang 21d, an dem eine äußere Gleichspannung an­ liegt, die den Verstärkungsfaktor des Verstärkers steuert.

Das am Eingangsanschluß 21c anliegende Bezugspegelsignal wird während einer Ruheperiode, in der kein Ultraschall­ signal erhalten wird, von einem Bezugssignalgenerator 22 zugeführt. Am Steuereingang 21d liegt ein Steuersignal für den Verstärkungsfaktor von einer Verstärkungsfaktor-Steuer­ schaltung 23 an. Das Verstärkungsfaktor-Steuersignal ist ein Gleichstromsignal, das durch Verstärken des Ausgangssignales eines Fehlerverstärkers 24 erhalten wird.

Das Bezugssignal vom Bezugssignalgenerator 22 hat zum Bei­ spiel eine Rechteck-Wellenform mit einem vorgegebenen Spannungshub. An einem Anschluß 22a des Bezugssignalgene­ rators 22 liegt ein äußeres Impulssignal, z.B. ein Takt­ signal an, das zu einem an den Prüfkopf 4 geführten Sende­ signal synchron ist und somit die Ruheperiode anzeigt. Der Bezugssignalgenerator 22 erzeugt in der Ruheperiode ent­ sprechend dem äußeren Impulssignal auch ein Abtastsignal.

Das zu dem Verstärker 20 während der Ruheperiode geführte Bezugssignal wird verstärkt und an einem Anschluß 6a bereit­ gestellt, wobei der Anschluß 6a sowohl ein Ausgangsanschluß des Verstärkers 20 als auch ein Eingangsanschluß eines nachfolgenden Verstärkers ist. Das Bezugssignal am Anschluß 6a wird auch zu einem Abtast- und Haltekreis 25 geführt.

Der Abtast- und Haltekreis 25 hält das verstärkte Bezugs­ signal synchron zum Abtastsignal fest. Wenn das Bezugssignal wie erwähnt ein Rechtecksignal ist, hat das von dem Abtast­ und Haltekreis 25 festzuhaltende Signal einen Pegel, der einer Gleichstromkomponente des Rechtecksignales am Ausgang des Verstärkers 20 entspricht. Der abgetastete Spannungswert wird an einen "Minus"-Eingangsanschluß des Fehlerverstärkers 24 geführt.

Ein "Plus"-Eingangsanschluß des Fehlerverstärkers 24 wird mit einem Signal von einer Vorrichtung 26 zur Einstellung des Verstärkungsfaktors versorgt. Die Vorrichtung 26 ist ein Spannungsteiler, der von einem Kalibrierspannungsgenerator 27 mit einer konstanten Spannung versorgt wird und eine Steuer-Bezugsspannung als Verstärkungsfaktor-Einstellsignal (Vorgabewert) durch Auswahl eines Abgriffs erzeugt.

Der Ausgang des Fehlerverstärkers 24 ist mit der Verstär­ kungsfaktor-Steuerschaltung 23 verbunden.

Bei dem beschriebenen Aufbau wird durch den Abtast- und Haltekreis 25, dem Fehlerverstärker 24 usw. eine Verstär­ kungsfaktor-Regelschleife gebildet. Wenn der Fehlerver­ stärker 24 ein hochverstärkender Differentialverstärker ist, gibt er ein Ausgangssignal ab, bis der Pegel am Eingang von dem Abtast- und Haltekreis 25 mit dem von der Vorrichtung 26 zur Einstellung des Verstärkungsfaktors vorgegebenen Wert übereinstimmt, um den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 20 einzuregeln. Im Ergebnis wird der Ausgangspegel des Fehler­ verstärkers 24 zum Zeitpunkt des Zusammenfallens der Werte an seinen beiden Eingängen konstant, so daß der Verstär­ kungsfaktor des Verstärkers 20 entsprechend dem Vorgabewert einen konstanten Wert annimmt.

Während der Meßzeit, in der das Ultraschall-Eingangssignal aufgenommen wird, hält der Abtast- und Haltekreis 24 den Wert der vorhergehenden Ruheperiode fest. Der Fehlerverstär­ ker 24 erhält damit das Ausgangssignal des Abtast- und Haltekreises 25 auch dann, wenn der Verstärker 20 das Ein­ gangssignal aufnimmt, so daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 20 während der Meßperiode nicht wesentlich vom eingestellten Wert abweicht.

Der Vorgabewert kann entsprechend dem Steuersignal von der Vorrichtung 26 zur Einstellung des Verstärkungsfaktors oder von außen über einen Eingangsanschluß 28 beliebig einge­ stellt werden, wobei der Eingangsanschluß 28 ähnlich mit einem Vorgabewert in der Form einer Gleichspannung versorgt werden kann, zum Beispiel mit einem Steuersignal von einer Vorrichtung mit einem Mikroprozessor. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 20 kann damit wie erwähnt stufenweise wäh­ rend der Ruheperiode gesteuert werden. Durch einen Schalter 29 wird entweder die Vorrichtung 26 oder der Eingangsanschluß 28 als Quelle für das Verstärkungsfaktor-Steuersignal ausgewählt.

Bei der in der Fig. 2 gezeigten Schaltung wird der Abtast- und Haltekreis 25 wie beschrieben zum Festhalten eines Verstärkungsfaktor-Steuersignales verwendet. Das Ausgangssignal des Verstärkers 20 wird jedoch direkt an den "Minus"-Anschluß des Fehlerverstärkers 24 geführt, dessen Ausgangssignal zu dem Abtast- und Haltekreis 25 geleitet wird. Das Ausgangssignal des Abtast- und Haltekreises 25 wird dann an den Steuereingang 21d des Verstärkers 20 gelegt. Alternativ ist es auch möglich, die Verstärkungs­ faktor-Steuerschaltung 23 mit dem Ausgang des Abtast- und Haltekreises 25 zu verbinden, wodurch das Verstärkungs­ faktor-Steuersignal zum Eingang 21d des Verstärkers 20 geführt wird, wie es in der Fig. 1 gezeigt ist.

Gemäß Fig. 2 erzeugt eine Zeitschaltung 30 ein Startsignal für den Bezugssignalgenerator 22, um diesen zu veranlassen, während der Ruheperiode ein Bezugssignal und ein Abtast­ signal für den Abtast- und Haltekreis 25 abzugeben, damit dieser das erhaltene Signal abtastet.

Die Arbeitsweise der Schaltung der Fig. 2 ist ähnlich der der Schaltung der Fig. 1 und wird mit Bezug zur Fig. 3 näher erläutert.

Wie in der Fig. 3a gezeigt, wird von dem Bezugssignalgene­ rator 22 (Fig. 2) ein Bezugssignal A in Übereinstimmung mit dem Startsignal von der Zeitschaltung 30 erzeugt, das während der Ruheperiode zum Verstärker 20 geleitet wird. Wie in der Fig. 3b gezeigt, gibt die Zeitschaltung 30 ein Ab­ tastsignal B aus, das eine Abtastperiode anzeigt. Das Abtastsignal wird für eine feste Zeitspanne innerhalb der Ruheperiode erzeugt, für die der Abtast- und Haltekreis 25 in einen Abtastmodus geschaltet wird. Der Fehlerverstärker 24 spricht auf eine Differenz zwischen dem Verstärkungs­ faktor-Einstellsignal C und dem Bezugssignal A an.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 20 wird durch den Abtast- und Haltekreis 25 aufgenommen und festgehalten, womit der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 20 zum Beispiel angehoben wird, um das Bezugssignal A auf den gleichen Pegel zu ver­ stärken wie das Verstärkungsfaktor-Einstellsignal C, wie in der Fig. 3a gezeigt, wobei der Pegel E des Verstärkungs­ faktor-Einstellsignales bezüglich des Verstärkers 20 all­ mählich angehoben wird, wie in der Fig. 3b gezeigt, bis das verstärkte Bezugssignal A mit dem Pegel C der Spannung des Verstärkungsfaktor-Einstellsignales zusammenfällt. Wenn dies erreicht ist, wird das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers 24 eine feste Spannung D, die der Ausgangsspannung des Verstärkers entspricht, und schließlich wird der Wert D entsprechend dem Abtastsignal B von der Zeitschaltung 30 abgetastet und festgehalten, so daß das Verstärkungsfaktor- Steuersignal E fest auf dem Spannungspegel D gehalten wird. Der abgetastete und festgehaltene Wert D wird bis zu der darauffolgenden Ruheperiode aufrechterhalten. Die Verstär­ kung des Verstärkers 20 ist damit durch das Verstärkungs­ faktor-Steuersignal entsprechend dem abgetasteten Wert gegeben.

Die Beziehung zwischen der Arbeitsweise des Fehlerver­ stärkers 24 und dessen Ausgangssignal ist die gleiche wie bei der Verstärkungsfaktor-Regelschleife der Fig. 1, die aus dem Abtast- und Haltekreis 25 und dem nachgeschalteten Fehlerverstärker 24 besteht. Bei der Schaltung der Fig. 2 ist die Einstellung des Verstärkungsfaktors stabiler als bei der Schaltung der Fig. 1, da das Verstärkungsfaktor-Steuer­ signal direkt gehalten wird.

Bei den Schaltungen der Fig. 1 und 2 erhält der Eingangs­ anschluß 21a des Verstärkers 20 nur während des Zeitab­ schnittes in der Wiederholungsperiode der Ultraschallmessung ein Eingangssignal, in dem das Ultraschallsignal von dem zu untersuchenden Material aufgenommen wird. Dabei ist der Ein­ gangssignalpegel am Eingangsanschluß 21c gleich Null. Diese Beziehung ist während der Ruheperiode umgekehrt. Es reicht daher aus, wenn der Verstärker 20 nur einen Eingangsanschluß hat. Es ist dann möglich, vor dem Verstärker 20 zwei Ein­ gangsanschlüsse vorzusehen und jeweils einen davon mittels eines Schalters anzuwählen.

Es ist bei Ultraschall-Rißprüfgeräten bekannt, bei Bedarf einen Abstands-Amplituden-Kompensator (DAC) vorzusehen, da die Amplitude eines Echos von einem entfernten Punkt kleiner ist als die von einem nahen Punkt, auch wenn Risse an diesen Punkten die gleichen Ausmaße haben.

Die Fig. 4 zeigt eine Verstärkerschal­ tung, die an Stelle der Verstärkungsfaktor-Steuerschaltung 23 der Fig. 1 eine solche Steuerschaltung aufweist, die aus einem Addierer 231 und einer DAC-Schaltung 232 besteht, so daß die Abstands-Amplituden-Kompensation ausgeführt werden kann.

Die Ausführungsform der Fig. 4 arbeitet während der Ruhe­ periode wie die Schaltungen der Fig. 1 und 2, um ein Steuer­ signal für einen konstanten Verstärkungsfaktor zu erzeugen, wie es durch die Kennlinie F in der Fig. 5 gezeigt ist. Der Verstärker 20 wird dadurch so gesteuert, daß die Verstärkung konstant wird. Im Anschluß an die Ruheperiode erhält der Addierer 231 ein Verstärkungsfaktor-Steuersignal von der DAC-Schaltung 232 synchron zur Erzeugung eines über den Impulssender/Empfänger zu dem Prüfkopf 4 zu übermittelnden Sendesignals. Das Verstärkungsfaktor-Steuersignal ist in der Fig. 5 durch die Kennlinie G, die allmählich ansteigt, darge­ stellt.

Das während der Periode, in der der Verstärker 20 ein Ultra­ schallsignal erhält, vom Addierer 231 abgegebene Verstär­ kungsfaktor-Steuersignal ist daher ein zusammengesetztes Signal, das durch die Kurve H in der Fig. 5 dargestellt wird und die Summe der Kurven F und G ist. Zur Startzeit der Abstands- Amplituden-Kompensation (DAC) ist der einem Bezugs-Verstär­ kungsfaktor (oder einer Standard-Empfindlichkeit) ent­ sprechende Verstärkungsfaktor durch die Vorrichtung 26 zur Einstellung des Verstärkungsfaktors so eingestellt, wie es durch die Kurve F dargestellt ist. Danach wird die Ver­ stärkung des Verstärkers 20 so gewählt, daß der Verstär­ kungsfaktor auf der Basis der vorher eingestellten Verstär­ kung automatisch Abstands-Amplituden-kompensiert ist.

Die DAC-Schaltung 232 kann aus einem Sägezahnspannungs­ generator, der die Startzeit bestimmen kann, oder aus einer Kombination einer Integrationsschaltung und einem logarith­ mischen Verstärker usw. bestehen. Die Startzeit der DAC- Kompensation kann durch Steuern des Schalterkreises mittels einer einstellbaren Verzögerungsschaltung geeignet verzögert werden.

Die Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Verstärkerschaltung, bei der die Spannung, die als Vorgabewert des Fehlerverstärkers 24 ver­ wendet wird, durch eine Verarbeitungsschaltung 40 mit einem Mikroprozessor erzeugt wird, um die Verstärkung von in Reihe geschalteten Hochfrequenz-Verstärkern 41 und 42 stufenweise zu steuern.

Das Bezugszeichen 43 bezeichnet einen Abschwächer, der eine direkte Verbindung und eine Verbindung mit einem dazwischen­ geschalteten Dämpfungselement 2 aufweist. Entsprechend einem Steuersignal der Verarbeitungsschaltung 40 wird eine der Verbindungen ausgewählt.

Der Verstärker 41 ist dem Verstärker 20 der Fig. 1 ähnlich und erhält das Signal vom Abschwächer 43. Der Verstärker 41 besitzt einen Eingangsanschluß 41a zur Aufnahme eines erhal­ tenen Signales, einen Ausgangsanschluß 41b, einen Eingangs­ anschluß 41c für ein Bezugspegelsignal und einen Verstär­ kungsfaktor-Steuereingang 41d.

Das Bezugszeichen 44 steht für einen Verstärker an der Ein­ gangsseite des Abtast- und Haltekreises 25, der das Aus­ gangssignal vom Verstärker 41 erhält und zum Abtast- und Haltekreis 25 weitergibt. Der Verstärker 44 enthält einen Tiefpaßfilter zum Abschneiden der Hochfrequenzkomponenten und bewirkt zusätzlich eine Verbesserung der Fehlerfeststel­ lungsrate. Mit einer um zum Beispiel zwei vergrößerten Rate (= Verstärkungsfaktor) ist es möglich, einen verdoppelten Spannungspegel an jedem der Abgriffe eines Verstärkungs­ faktor-Einstellers 45 zu erzeugen, was eine genauere Ein­ stellung erlaubt. Die Verstärkung des Verstärkers 44 hängt nur von der Beziehung zu der Einstellspannung des Einstel­ lers 45 ab und ist von anderen Steuer- und Regelsystemen unabhängig. Wenn jedoch eine Regelung mit einer 1 : 1 Be­ ziehung ausgeführt werden soll, ist der Verstärker 44 nicht unbedingt erforderlich.

Der Fehlerverstärker 24 vergleicht den abgetasteten Wert von dem Abtast- und Haltekreis 25 mit einem Vorgabewert von der Verarbeitungsschaltung 40 und erzeugt ein dem Vorgabewert entsprechendes Regelsignal für den Verstärkungsfaktor- Steuereingang 41d des Verstärkers 41, um den Verstärkungs­ faktor des Verstärkers 41 entsprechend dem Vorgabewert auf einen vorbestimmten Wert zu steuern. Das Signal, das den Vorgabewert darstellt, wird von der Verarbeitungsschaltung 40 über einen D/A-Konverter 46 als Analogspannung zugeführt. Die Verarbeitungsschaltung 40 enthält einen Mikroprozessor 40a, ein Interface 40b, einen Speicher 40c usw. und spricht auf ein Signal vom Einsteller 45 an, um den Vorgabewert zum Fehlerverstärker 24 zu liefern. Sie erzeugt weiter Schalter- Steuersignale für einen Schalter 51 zur Steuerung der Ver­ stärkung des nachgeschalteten Verstärkers 42 und des Ab­ schwächers 43.

Der Verstärkungsfaktor-Einsteller 45 enthält einen Dreh- Spannungseinstellgenerator einschließlich des Kalibrier­ spannungsgenerators 27 und der Vorrichtung 26 zur Einstel­ lung des Verstärkungsfaktors. Ein Einstellwert davon wird über eine Auswahlschaltung 48 zu einem A/D-Konverter 47 gesendet, dessen digitales Ausgangssignal zu der Verarbei­ tungsschaltung 40 geliefert wird. Wenn der Einsteller 45 zum Beispiel durch einen Dreh-Kodierer gebildet wird, ist es möglich, die Verstärkungsfaktor-Einstelldaten direkt zu der Verarbeitungsschaltung 40 zu geben, ohne daß der A/D-Kon­ verter 47 verwendet wird. In diesem Fall kann die Verarbei­ tungsschaltung 40 Impulse in der Betätigungsrichtung (Rich­ tung der Drehung) und Impulse, die den Betrag der Drehung anzeigen, direkt vom Einsteller 45 erhalten. Die Verarbei­ tungsschaltung 40 spricht auf ein Signal vom Einsteller 45 an, das eine Änderung der Daten oder der Betätigungsrichtung anzeigt, um mittels des Mikroprozessors 40a über einen Rich­ tungswechsel zu entscheiden, d.h. über ein Ansteigen oder Abnehmen des Verstärkungsfaktors und eines ursprünglichen Wertes.

Die Auswahlschaltung 48 spricht auf ein Abtastsignal vom Bezugssignalgenerator 22 als Zeitsignal an, um die Verbin­ dung vom Einsteller 45 zum Bezugssignalgenerator 22 und dem Abtast- und Haltekreis 25 zu schalten. Wenn während einer Ruheperiode ein Abtastsignal auftritt, werden das Bezugs­ signal vom Bezugssignalgenerator 22 und eine abgetastete Spannung von dem Abtast- und Haltekreis 25 durch den A/D- Konverter 47 in digitale Daten umgesetzt und an die Verar­ beitungsschaltung 40 gegeben. Letztere spricht ebenso auf das Abtastsignal als Zeitsignal an, um vorhergehende Daten des Einstellers 45 als Verstärkungsfaktor-Einstellwert zu erhalten und im Speicher 40c abzuspeichern.

Der Verstärker 42 verstärkt das Ausgangssignal des Verstär­ kers 41 auf einen geforderten Empfangspegel und gibt es an einen Ausgangsanschluß 9 ab. Der Verstärkungsfaktor des Ver­ stärkers 42 wird stufenweise vom Schalter 51 geändert.

Eine Anzeigesteuerung 52 ermittelt die Gesamtverstärkung der Verstärker, um sie an einer Anzeigevorrichtung 53 anzuzei­ gen, und erzeugt die Zeichen für die Verstärkungsfaktor-An­ zeige. Sie ist über das Interface 40b mit dem Mikroprozessor 40a verbunden, um Informationen über die Einstellwerte für den Einsteller 45 zu erhalten und die Zeichen an der Anzei­ gevorrichtung 53 bereitzustellen. Die Anzeigevorrichtung 53 weist einen Bildschirm oder ein Flüssigkristall-Anzeigefeld oder ähnliches auf.

Bei diesem Aufbau liest der Mikroprozessor 40a der Verarbei­ tungsschaltung 40 den Einstellwert des Verstärkungsfaktor- Einstellers 45 über das Interface 40b und ermittelt den Vor­ gabewert, der an den Fehlerverstärker 24 zu geben ist, durch Zugriff auf einen bestimmten Bereich des Speichers 40c, in dem der Vorgabewert gespeichert ist.

Im Ergebnis werden die Abschwächung im Abschwächer 43 und die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 41 und 42 entspre­ chend dem Vorgabewert gesteuert, der wiederum der Verstär­ kungsfaktoreinstellung des Einstellers 45 entspricht, wobei der Vorgabewert und ein Schalter-Steuersignal durch die Ver­ arbeitungsschaltung 40 bereitgestellt werden, wenn der Vor­ gabewert einen bestimmten Wert annimmt.

Zur Realisierung dieser Steuerung ist in dem bestimmten Be­ reich des Speichers 40c die funktionelle Information über den Vorgabewert entsprechend der in der Fig. 7A gezeigten Kurve in digitaler Form gespeichert.

Der Ultraschall-Prüfkopf 5 (Fig. 6) ist mit Grob-Einstell­ schaltern 7a und 7b und Fein-Einstellschaltern 8a und 8b für die Empfindlichkeit ausgestattet, die die gleiche Funktion haben wie der Verstärkungsfaktor-Einsteller 45. Der Einstel­ ler 45 befindet sich gewöhnlich an einer Frontplatte des Ul­ traschallgerätes und besitzt eine Wählvorrichtung zur Aus­ wahl eines gewünschten Verstärkungsfaktors (oder einer Emp­ findlichkeit). Die erwähnten Schalter dienen dazu, eine solche Auswahl am Ultraschall-Prüfkopf 5 vorzunehmen. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden jeweils "EIN"-Si­ gnale dieser Schalter an die Verarbeitungsschaltung 40 abge­ geben. Die Verarbeitungsschaltung 40 erhöht den Verstär­ kungsfaktor des Verstärkers 41 jedes Mal um einen bestimmten Wert, wenn der Grob-Einstellschalter 7a betätigt wird, und verkleinert jedes Mal den Verstärkungsfaktor um einen kon­ stanten Wert, wenn der Grob-Einstellschalter 7b betätigt wird. Die Verarbeitungsschaltung 40 erhöht den Verstärkungs­ faktor des Verstärkers 41 außerdem jedes Mal um einen klei­ nen konstanten Betrag, wenn der Fein-Einstellschalter 8a eingeschaltet wird, und erniedrigt entsprechend den Verstär­ kungsfaktor, wenn der Fein-Einstellschalter 8b betätigt wird. Mit den Schaltern am Ultraschall-Prüfkopf 5 ist es da­ mit möglich, den Verstärkungsfaktor vom Prüfkopf aus genau einzustellen.

Im folgenden wird die Regelung des Verstärkungsfaktors in der Verstärkerschaltung erläutert.

Während der Ruheperiode vergleicht der Fehlerverstärker 24 die von dem Abtast- und Haltekreis 25 abgegebene Gleichspan­ nung mit einem Vorgabewertsignal in der Form einer Gleich­ spannung, die über einen D/A-Konverter 46 von der Verarbei­ tungsschaltung 40 erhalten wird, um den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 41 so lange einzuregeln, bis die Differenz zwischen den erwähnten Gleichspannungen verschwindet, wobei der Verstärkungsfaktor bei verschwindender Differenz als ein Wert eingestellt ist, der dem Vorgabewert entspricht.

Von der Verarbeitungsschaltung 40 wird als Vorgabewert, der durch den Verstärkungsfaktor-Einsteller 45 ausgewählt wird, eine Bezugsspannung für die Verstärkungsfaktor-Regelschleife abgegeben. Der Vorgabewert wird von der Verarbeitungsschal­ tung 40 als die Betätigungsrichtung des Einstellers 45 und den eingestellten Wert aufgenommen, um den Vorgabewert zu bestimmen. Zu dieser Bestimmung erzeugt die Verarbeitungs­ schaltung 40 einen Vorgabewert, der durch Zugriff auf den Speicher 40c als numerisches Steuersignal erhalten wird, und gibt es zum D/A-Konverter 46. Die Verarbeitungsschaltung 40 liefert Schalter-Steuersignale zum Abschwächer 43 und dem Schalter 51 des Verstärkers 42, da, wenn der Einsteller 45 eine bestimmte Position einnimmt, der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 41 einen entsprechenden vorbestimmten Wert hat. Ein neuer Vorgabewert, der einem neuen Verstärkungsfaktor entspricht, der durch ein Umschalten erhalten wird, wird wieder dem Speicher 40c entnommen und an den Fehlerverstär­ ker 24 abgegeben.

Die Fig. 7A zeigt die Beziehung zwischen dem Vorgabewert und der Verstärkungsfaktor-Umschaltung, die Fig. 7B einen ver­ größerten Ausschnitt davon und die Fig. 7C den Gesamt-Ver­ stärkungsfaktor der aus den Verstärkern 41 und 42 bestehen­ den Verstärkungsschaltung. Bei den Kennlinien der Fig. 7 ist der Verstärkungsfaktor an der Abszisse und der Einstellwert des Einstellers 45 an der Ordinate aufgetragen. In der Fig. 7A nimmt der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 41 der Fig. 1 gemäß einer entsprechenden Operation (z.B. Drehung im Uhr­ zeigersinn) am Einsteller 45 zu. In der Fig. 7B ist ein sol­ cher zunehmender Abschnitt vergrößert gezeigt. Die Fig. 7C stellt die Zunahme der Gesamtverstärkung dar.

Die Auflösung für die Einstellung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 41 ist durch die Verarbeitungsschaltung 40 und den D/A-Konverter 46 begrenzt, wie es durch den in der Fig. 7B gezeigten Betrag a dargestellt ist.

Es sei a beispielsweise gleich 0,5 dB. Die Verarbeitungs­ schaltung 40 steuert die Gesamtverstärkung so, daß der Ab­ schwächer 43 und der Schalter 51 anfänglich auf dem Punkt maximaler Abschwächung bzw. dem Punkt minimaler Verstärkung stehen. Allgemein wird die Gesamtverstärkung der Verstärker­ schaltung durch Übertragung eines Wertes für die Abschwä­ chung erhalten. Wenn die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 41 und 42 auf ihrem Minimalwert sind und das Dämpfungsele­ ment 2 im Signalweg liegt, ist die Gesamtverstärkung der Verstärkerschaltung gleich 0 dB.

Wenn in der Fig. 7A der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 41 vom Punkt b allmählich und in Übereinstimmung mit einer entsprechenden Betätigung des Einstellers 45 zu einem Punkt g (z.B. 30 dB) gleich der Abschwächung des Dämpfungselemen­ tes 2 angestiegen ist, entfernt der Mikroprozessor 40a das Dämpfungselement 2 aus dem Signalweg durch Steuerung des Abschwächers 43 gemäß einem vorgegebenen Programm, so daß dann das Eingangssignal direkt erhalten wird. Gleichzeitig wird der Vorgabewert, der zum Fehlerverstärker 24 gegeben wird, auf den Anfangswert zurückgenommen, so daß die Ver­ stärkung wieder zu 0 dB wird, und zum D/A-Konverter 46 ge­ sendet. Die Gesamtverstärkung bleibt in diesem Fall auf einem Punkt d, wie es in der Fig. 7C gezeigt ist.

Mit einer weiteren Betätigung des Einstellers 45 in zuneh­ mender Richtung steigt der Verstärkungsfaktor des Verstär­ kers 41 vom Punkt e zum Punkt f und dann zum Punkt c. Am Punkt c gibt der Mikroprozessor 40a der Verarbeitungsschal­ tung 40 ein Steuersignal an den Schalter 51 ab und schaltet diesen dadurch um eine Stufe (z.B. 35 dB) hoch, um dadurch die Verstärkung des Verstärkers 42 entsprechend dem Punkt c um einen konstanten Wert anzuheben. Gleichzeitig kehrt der Vorgabewert für den Fehlerverstärker 24 auf seinen Anfangs­ wert zurück, um den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 41 vom Punkt f zum Punkt h entsprechend 0 dB automatisch zu­ rückzunehmen.

Selbstverständlich können die Punkte g und c auf andere Wer­ te als 30 dB und 35 dB eingestellt werden, etwa auf 40 dB bzw. 20 dB. Alternativ können diese Werte auch einander gleich sein.

Die Gesamtverstärkung erreicht damit den Punkt i und bei einer weiteren Betätigung des Einstellers 45 den Punkt j, womit ein Grenzwert (k dB) des Verstärkers 41 erreicht ist.

Die Gesamtverstärkung wird damit zu l (= g + c + k).

Zur Umkehrung dieser Operation für die Gesamtverstärkung reicht es aus, die erwähnten Schritte in umgekehrter Rich­ tung auszuführen. Das heißt, daß die Verarbeitungsschaltung 40 ein Signal über eine Betätigung des Verstärkungsfaktor- Einstellers 45 in abnehmender Richtung aufnimmt und entspre­ chend dem vorgegebenen Programm die anderen Schritte kon­ trolliert.

Die Steuerung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 41 durch die Verarbeitungsschaltung 40 ist rezirkulativ. Es ist daher möglich, einen Vorgabewert ohne Verwendung eines spe­ ziellen Programmes dadurch vorzugeben, daß ein Zähler im Be­ reich des Speichers 40c vorgesehen wird, der durch Impulse, die dem Betrag der Betätigung des Einstellers 45 entspre­ chen, nach oben oder nach unten zählt, wobei der Zählerstand des Zählers mit einem bestimmten Koeffizienten multipliziert wird, um den Vorgabewert zu erhalten und an den Fehlerver­ stärker 24 zu liefern. Wenn der Zählerstand zu einem be­ stimmten Verstärkungsfaktorwert entsprechend dem Punkt g oder c der Fig. 7A wird, wird ein Schaltsignal für den Ab­ schwächer 43 oder ein Verstärkungsfaktor-Schaltsignal für den Verstärker 41 erzeugt, um den Zähler zurückzusetzen.

Es ist möglich, in der Verarbeitungsschaltung 40 ein Pro­ gramm vorzusehen, das zusätzlich zu der Feststellung der Richtung der Betätigung, d.h. der Betätigung des Einstellers 45 im oder entgegen dem Uhrzeigersinn die Betätigungsge­ schwindigkeit dabei erfaßt und ein Alarmsignal abgibt, wenn der Einstellzustand unbestimmt ist oder die Betätigung zu schnell erfolgt.

Der von Zeit zu Zeit durch die Betätigung des Einstellers 45 einzustellende Wert für den Verstärkungsfaktor wird durch die Verarbeitungsschaltung 40 zu der Anzeigesteuerung 52 gegeben und eine entsprechende alphanumerische Information wird an der Anzeigevorrichtung 53 dargestellt. Der Speicher der Verarbeitungsschaltung 40 hat im vorliegenden Fall ein Dezibel erarbeitendes Programm und die Verarbeitungsschal­ tung 40 erhält während der Ruheperiode einen Digitalwert für die Bezugssignalspannung vom Bezugssignalgenerator 22 über den A/D-Konverter 47 sowie einen digitalen Wert für die in dem Abtast- und Haltekreis 25 gehaltene Spannung durch das Interface 40b und speichert die entsprechenden Werte im Speicher 40c. Dann wird das Dezibel verarbeitende Programm ausgeführt, um ein Verhältnis zwischen diesen digitalen Werten zu erhalten und damit einen Dezibel-Wert dazwischen zu ermitteln. Das Ergebnis der Operation wird zu der An­ zeigesteuerung 52 gegeben und an der Anzeigevorrichtung 53 angezeigt.

Der Abschwächer hat in der beschriebenen Ausführungsform keine äußere Direktverbindung, kann jedoch von einer inneren Direktverbindung auf Abschwächung umgeschaltet werden. Es ist auch möglich, eine äußere Direktverbindung und einen Ab­ schwächer separat vorzusehen.

Obwohl in dieser Ausführungsform der Abschnitt, der den Verstärkungsfaktor zum Verstärken des erhaltenen Signales steuert, in den Abtast- und Haltekreis und den Fehlerver­ stärker aufgeteilt ist, ist es auch möglich, eine Regel­ schaltung zu bilden, die diese Kreise als Ganzes enthält.

In dieser Ausführungsform wird ein Rechtecksignal als Be­ zugssignal verwendet. Das Bezugssignal kann jedoch auch sinusförmig sein. Bei dem Rechtecksignal wird das Ausgangs­ signal als Gleichspannungswert erhalten, wobei eine Gleich­ spannungskomponente davon zu einem Spannungswert für den Vergleich wird. Es ist in diesem Fall möglich, daß die Ver­ arbeitungsschaltung usw. ein Rechtecksignal ausgibt, das während der der Ruheperiode des Ultraschallsignales ent­ sprechenden Zeit einen hohen (oder niedrigen) Pegel annimmt. Da der Pegel selbst dabei zu einer vergleichenden Komponente wird, ist er dabei dem Gleichspannungssignalausgang gleich­ wertig.

Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform das Bezugs­ signal verstärkt wird und dessen Pegel so geregelt wird, daß er mit dem Vorgabewert zusammenfällt, kann der Pegel auch so geregelt werden, daß er in einem Hochfrequenzverstärker ab­ geschwächt wird und dann das abgeschwächte Bezugssignal mit dem Vorgabewert zusammenfällt.

An Stelle der Erzeugung der Steuerspannung entsprechend dem Vorgabewert durch den Fehlerverstärker kann letzterer ein Differentialverstärker oder ein anderer Verstärker mit zwei Eingängen, z.B. ein Operationsverstärker sein, dessen Be­ zugsspannungseingang dem Vorgabewert zugeordnet ist, wobei der andere Signaleingang eine geschlossene Regelschleife mit einem Verstärker für das erhaltene Ultraschallsignal aufweist.

Claims (5)

1. Verstärkerschaltung zur Verstärkung eines Eingangssignals, mit einem Verstärker (41) mit variablem Verstärkungsfaktor, einem Bezugssignalgenerator (22) zur Erzeugung eines Bezugssignals und einem Fehlerverstärker (24), der entsprechend der Differenz zwischen dem Vorgabewert und dem Ausgangssignals des Verstärkers (41) ein Verstärkungsfaktor-Steuersignal erzeugt und an den Verstärker (41) abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal ein reflektiertes Ultraschallsignal ist, daß der Bezugssignalgenerator (22) während einer Ruheperiode, in der kein Ultraschallsignal erhalten wird, das Bezugssignal an einen Eingang (41c) des Verstärkers (41) abgibt, daß ein Abtast- und Haltekreis (25) vorgesehen ist, der das verstärkte Bezugssignal am Verstärkerausgang während der Ruheperiode abtastet und festhält, und daß ein Einsteller (45) zum Vorwählen einer gewüschten Verstärkung mittels eines Einstellwertes und eine Verarbeitungsschaltung (40) vorgesehen sind, wobei der Vorgabewert für den Fehlerverstärker (24) in der Verarbeitungsschaltung (40) in Abhängigkeit vom Einstellwert am Einsteller (45) und dem verstärkten Bezugssignal am Verstärkerausgang erzeugt wird.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsschaltung (40) einen Mikroprozessor (40a) aufweist.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (41) ein Abschwächer (43) mit einer Anzahl Dämpfungsstufen vorgeschaltet ist, wobei der Abschwächer (43) von der Verarbeitungsschaltung (40) unter Berücksichtigung des Verstärkungsfaktors am Verstärker (41) angesteuert wird.

4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (41) ein zweiter Verstärker (42) mit stufenweise einstellbarem Verstärkungsfaktor nachgeschaltet ist, wobei der Verstärkungsfaktor des zweiten Verstärkers (42) unter Berücksichtigung des Verstärkungsfaktors am Verstärker (41) von der Verarbeitungsschaltung (40) eingestellt wird.

5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ultraschall-Prüfkopf (5), der das Ultraschallsignal empfängt, Verstärkungsfaktor-Einstellschalter (7, 8) aufweist, die die gleiche Funktion haben wie der Verstärkungsfaktor-Einsteller (45).