DE4126596C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Ankunftzeit eines Schallimpulses - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf eine Vorrich­ tung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 3.

Eine mit Ultraschall arbeitende Abstands-Meßeinrichtung, die von dem gattungsgemäßen Verfahren Gebrauch macht, ist aus der WO-A 81 02 472 bekannt. Dort wird ein Wandler während vorgegebener Sendeperioden mit einem impulsmodulierten Schwingungssignal erregt und beim Empfang eines reflektierten Schallimpulses durch den gleichen Wandler wird das entsprechende elektrische Ausgangs­ signal einer auf die Trägerfrequenz des Schwingungssignales abgestimmten Phasenverriegelungsschaltung zugeführt. Mit dem Einrasten der Phasenverriegelungsschaltung wird ein Zähler gestoppt, in den mit Beginn der Schallaussendung Impulse eingezählt wurden. Der erreichte Zählstand ist dann ein Maß für den Abstand eines Objektes, an dem der Schallimpuls reflektiert wurde. Bei dieser bekannten Vorderflankentriggerung der Phasen­ verriegelungsschaltung ergeben sich Ungenauigkeiten der Messung, da das Einrasten einer Phasenverriegelungsschaltung von der zufälligen Phasenlage des empfangenen Signales bezüglich der Phase des in ihr enthaltenen frei laufenden Oszillators abhängt.

Zur Verbesserung der Genauigkeit der Abstandsmessung ist es ferner aus der EP-B1-02 59 512 bekannt, das Ausrasten der Phasenverriegelungsschaltung aus dem verriegelten Zustand festzustellen, wobei der Wandler mit unterschiedlichen Frequenzen angesteuert wird. Die Trägerfrequenz des Schwingungs­ signales wird während jeder Sendeperiode jeweils von einem der Eigenfrequenz des Wandlers entsprechenden und in den Halte­ bereich der Phasenverriegelungsschaltung fallenden ersten Wert auf einen außerhalb der Eigenfrequenz sowie des Haltebereichs liegenden zweiten Wert geschaltet, so daß der Ausrastzeitpunkt relativ genau festliegt. Abgesehen von dem erhöhten Schal­ tungsaufwand ergeben sich jedoch auch bei dieser Lösung Probleme beim Auftritt von Mehrfachechos.

Schließlich ist es aus der DE-C2-39 23 349 bekannt, daß am Empfangsort empfangene Ultraschallsignal mit einem einstellbaren Schaltpegel zu vergleichen, so daß ein Schaltsignal erzeugt wird, wenn die Einhüllende der Empfangsschwingung diesen Schaltpegel überschreitet. Eine derartige Flankendetektion kann auch durch Fehlimpulse ausgelöst werden, die nicht mit der Trägerfrequenz des Senders moduliert sind.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art in der Weise zu verbessern, daß mit einfachen Mitteln eine sehr genaue Abstandsmessung erzielt wird. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Verfahrensmerkmalen des Patentanspruches 1 und mit den Merkmalen des Patentanspruches 3.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.

Anhand von in den Figuren der beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen sei im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine zweite Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3a-3e Diagramme zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 und 2;

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines handelsüblichen Phasenverriegelungsschaltkreises PLL;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines Impuls-Flanken­ detektors; und

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion des Detektors gemäß Fig. 5.

Gemäß Fig. 1 empfängt ein Wandler W ein akustisches Signal, das zuvor von dem gleichen oder einem anderen elektro-akustischen Wandler abgestrahlt und an einem entfernten Objekt reflektiert worden ist. Zur Abstrahlung eines Ultraschall (US)-Signales wird der Wandler W mit einer auf die Eigenfrequenz des Wandlers abgestimmten modulierten Trägerfrequenz periodisch angesteuert.

Das in dem Wandler in ein elektrisches Signal rückgewandelte Empfangssignal wird nach Verstärkung in einem Verstärker V einem Phasenverriegelungsschaltkreis PLL zugeführt, der beim Empfang der in seinem Haltebereich liegenden Trägerfrequenz einrastet. Dieser Einrastpunkt hängt von der Phasenlage ab und ist ebenfalls temperaturabhängig.

Das verstärkte Empfangssignal wird zusätzlich einem Flanken­ detektor FD zugeführt, der auf die Einhüllende des impuls­ modulierten Trägerfrequenzsignales anspricht. Mit dem Signal des Flankendetektors FD wird ein Zeitglied ZG beispielsweise in Form eines Monoflops MF gesetzt, das seinen Setzzustand für eine vorbestimmte Zeitperiode speichert. Das Ausgangssignal des Zeitgliedes ZG wird dem Phasenverriegelungsschaltkreis PLL zugeführt, um in diesem den Verriegelungszustand zu beseitigen. Die Aufhebung des Verriegelungszustandes ist daher der maßgeb­ liche Zeitpunkt für die Ankunft des Empfangssignales. Da die Zeitverzögerung Δt des Zeitgliedes ZG bekannt ist, wird der Zeitpunkt der Ankunft des Empfangssignales praktisch durch den Flankendetektor FD und damit sehr genau festgelegt. Da jedoch der Flankendetektor FD auch durch Fehlimpulse ausgelöst werden kann, die nicht mit der bekannten Trägerfrequenz oder überhaupt nicht moduliert sind, ist es von wesentlicher Bedeutung, daß das Flankendetektor-Signal nur dann ausgewertet wird, wenn auch der Phasenverriegelungsschaltkreis PLL innerhalb der vorgegebenen Zeitverzögerung angesprochen hat. Eine Abstimmung der Zeitver­ zögerung dergestalt, daß das verzögerte Signal des Flanken­ detektors im Haltebereich der PLL endet, ist hierbei erforder­ lich.

Fig. 2 zeigt praktisch die gleiche Empfangsschaltung wie in Fig. 1, jedoch ohne Eingriff des verzögerten Flankendetektor- Signales in den Phasenverriegelungsschaltkreis PLL. Im vor­ liegenden Fall werden das Signal der Phasenverriegelungs­ schaltung PLL und das zeitverzögerte Flankendetektor-Signal einer Auswerteschaltung E zugeführt, die nur dann ein Ausgangs­ signal A erzeugt, wenn das verzögerte Flankendetektorsignal endet, während der Phasenverriegelungsschaltkreis PLL eingerastet ist. Die Auswertung dieses Zustandes kann mit einer entsprechenden Logik oder auch mit einem entsprechend beschalteten Flip-Flop erfolgen.

In den Fig. 3a bis 3e ist die Funktion der vorstehend beschriebenen Schaltungen anhand von Diagrammen erläutert. Fig. 3a zeigt die Einhüllende des impulsmodulierten Träger­ frequenz-Empfangssignales, wie man es beispielsweise durch Gleichrichtung erhält. Fig. 3b zeigt den Haltebereich der Phasenverriegelungsschaltung PLL, wobei das Einrasten und Ausrasten dieser Stufe nicht genau festliegt. Fig. 3c zeigt das Signal, wie es durch den Flankendetektor FD erzeugt wird. Fig. 3d zeigt das Ausgangssignal des Zeitgliedes ZG, das beispiels­ weise durch ein signalinvertierendes Monoflop vorgegeben ist. Beispielsweise kann ein Monoflop bei Detektierung der Flanke gesetzt werden, das sich nach einer bestimmten Zeitverzögerung Δt selbsttätig zurücksetzt. In Fig. 3e ist sodann das Ausgangssignal A dargestellt, das durch die Auswertestufe E oder auch durch Eingriff in die Phasenverriegelungsschaltung PLL erzeugt wird. Man erkennt, daß dieses Ausgangssignal nur dann erzeugt wird, wenn das verzögerte Flankendetektorsignal im Haltebereich der Phasenverriegelungsschaltung PLL verschwindet.

In Fig. 4 ist in einem Blockschaltbild der Aufbau einer handelsüblichen Phasenverriegelungsschaltung PLL dargestellt.

Diese besteht im wesentlichen aus einem stromgesteuerten Oszillator CCO, einem Phasendetektor PD und einem Quadratur- Phasendetektor QPD, wobei entsprechende innere Rückführungen und Anschlüsse vorgesehen sind. Am Anschluß 3 wird das Eingangs­ signal zugeführt und am Anschluß 8 wird das Ausgangssignal abgenommen. Die Anschlüsse 4 und 7 dienen der Spannungsver­ sorgung des Bausteins; an den Anschlüssen 5 und 6 lassen sich zeitbestimmende Elemente für den Oszillator anschließen und an den Anschlüssen 1 und 2 sind Filterelemente angeschlossen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird der Ausgang des Zeitgliedes ZG auf den Eingang 1 der Phasenverriegelungs­ schaltung gemäß Fig. 4 geführt, wodurch ein zwangsweises Ausrasten der Phasenverriegelungsschaltung PLL erzielt wird.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Flankendetektors, dem durch vorangegangene Gleichrichtung die Einhüllende des impuls­ modulierten Trägerfrequenzsignales zugeführt wird. Der so ent­ stehende Impuls lädt niederohmig einen ersten Kondensator C1 auf und wirkt höherohmig über einen Widerstand R1 aufladend auf einen Kondensator C2 ein, der über einen Widerstand R2 von Anfang an auf einem höheren Potential liegt. Man erkennt, daß beim Anlegen des Impulssignales im Punkt I die Spannung sehr rasch ansteigt und im Punkt II ausgehend von dem höheren Potential die Spannung nur langsam ansteigt. Die Gleichheit der Potentiale in den Punkten I und II, d. h. der Kreuzungspunkt beider Spannungsverläufe in Fig. 6 kann durch einen Operations­ verstärker OP detektiert werden. Auf diese Weise läßt sich schnell und sehr genau die Flanke eines anstehenden Impulses detektieren. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP wird sodann beispielsweise einem Monoflop zugeführt.

Grundsätzlich ist festzustellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch durch Detektieren der abfallenden Impulsflanke und durch Kombination mit dem Verriegelungssignal der Phasenverriegelungsschaltung realisiert werden kann.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung der Ankunftszeit eines von einem elektromechanischen Wandler (W) ausgesendeten und von einem Objekt reflektierten Schallimpulses an dem Wandler, bei dem der Wandler während vorgegebener Sendeperioden mit einem impuls­ modulierten Schwingungssignal erregt wird, und die vom Wandler während des Empfangs eines reflektierten Schallimpulses erzeugten elektrischen Ausgangssignale einer auf die Träger­ frequenz des Schwingungssignals abgestimmten Phasenverriege­ lungsschaltung (PLL) zugeführt werden, deren Verriegelungs­ zustand sensiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Impulsflanke des empfangenen impulsmodulierten Schwingungssignales sensiert wird und die Ankunftszeit des reflektierten Schallimpulses durch die sensierte Impulsflanke bestimmt wird, wenn innerhalb einer vorgebbaren Zeitverzögerung für die sensierte Impulsflanke eine Verriegelung der Phasenverriegelungsschaltung stattgefunden hat, wobei die Zeitverzögerung so vorgegeben ist, daß sie im Halte­ bereich der Phasenverriegelungsschaltung endet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verzögerungszeit bei der Bestimmung der Ankunftszeit subtrahiert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit
einem elektromechanischen Wandler (W), und einer an den Wandler angeschlossenen Empfängerschaltung (V, PLL) für das vom Wandler bei Beaufschlagung mit Schall­ wellen abgegebene elektrische Schwingungssignal, die eine auf die Trägerfrequenz des Oszillatorsignals abgestimmte Phasen­ verriegelungsschaltung (PLL) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschaltung parallel zur Phasenverriegelungs­ schaltung (PLL) einen Flankendetektor (FD) mit nachge­ schaltetem Zeitglied (ZG) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ausgangssignal des Zeitgliedes (ZG) auf einen die Verriegelung aufhebenden Eingang der Phasenverriegelungsschaltung (PLL) geführt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Zeitglied durch ein Monoflop (MF) vorgegeben ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteschaltung (E) angeordnet ist, der das Ausgangssignal der Phasenverriege­ lungsschaltung (PLL) und das verzögerte Signal des Flanken­ detektors (FD, ZG) zugeführt sind und die nur dann ein Ausgangssignal (A) erzeugt, wenn die Phasenverriegelungsschaltung (PLL) verriegelt ist und das verzögerte Flankendetektorsignal verschwindet.