EP2692451B1 - Elektrische Schaltung für den Betrieb einer Sendeempfangseinheit - Google Patents

Elektrische Schaltung für den Betrieb einer Sendeempfangseinheit Download PDF

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EP2692451B1
EP2692451B1 EP13177352.5A EP13177352A EP2692451B1 EP 2692451 B1 EP2692451 B1 EP 2692451B1 EP 13177352 A EP13177352 A EP 13177352A EP 2692451 B1 EP2692451 B1 EP 2692451B1
Authority
EP
European Patent Office
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resonant circuit
circuit
electrical
transceiver unit
electrical circuit
Prior art date
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Active
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EP13177352.5A
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EP2692451A3 (de
EP2692451A2 (de
Inventor
Tobias Kirchner
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP2692451A3 publication Critical patent/EP2692451A3/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B06B1/0215—Driving circuits for generating pulses, e.g. bursts of oscillations, envelopes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/30—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups with electronic damping

Definitions

  • the present invention relates to an electrical circuit for operating a transceiver unit such as can be used, for example, in connection with ultrasonic transceivers.
  • the present invention relates to an improved electrical circuit for shortening the settling time of a transceiver unit.
  • Transceiver units can be used according to the prior art for many different applications. For example, they are used for distance measurements in motor vehicles, with radar-lidar and sound transducers in particular being used as transceiver units in order to be able to deduce a current distance of the vehicle from the surrounding object from a signal that is transmitted and reflected by an environmental object. In the case of an ultrasonic transducer, a piezo diaphragm is used for this purpose, for example.
  • electrical energy is applied to generate sound, while after the transmission process and after residual membrane vibrations have decayed, sound arriving at the membrane is converted into electrical signals.
  • the transmission pulse it is necessary here for the transmission pulse to have as short a duration as possible in order to be able to recognize reflection sound impinging on the membrane from the decaying membrane vibrations a short time later. In order to still be able to emit high transmission energy, it is desirable to generate a maximum of membrane amplitudes right from the start of the transmission process and to maintain these over the entire (short) transmission process.
  • the signal generator is often excited with a first resonant circuit (for example, consisting of a series connection of a coil and a capacitor), and the voltage at one of the two energy stores is used as an input variable for a second resonant circuit comprising the transceiver unit.
  • the second resonant circuit can consist exclusively of the transceiver unit (which can easily oscillate) or comprise further energy stores.
  • a certain period of time is required to excite both resonant circuits in order to generate sufficient amplitudes at the transceiver unit for a transmission process. This period of time limits, among other things, the so-called close measurement capability of a distance measurement system.
  • the pamphlet DE 198 14 331 A1 describes a device for generating acoustic pressure pulses, in which two LC resonant circuits are coupled to one another and use a common capacitor.
  • the pamphlet FR 2 757 009 A1 relates to a device for operating a piezoelectric signal converter, in which an amplifier and a control circuit can be coupled to one another via a switch.
  • the pamphlet DE 195 48 161 C1 also describes a device for operating a piezo element, in which an excitation source can be coupled to the piezo element via a switch.
  • an electrical circuit which is suitable for operating a transceiver unit, for example an ultrasonic transceiver.
  • the circuit includes a first resonant circuit for generating a transmission signal and a second resonant circuit with a transceiver unit.
  • the first resonant circuit can be coupled to a signal generator or a signal source whose or whose signal can excite the first resonant circuit to oscillate.
  • the second resonant circuit can for example comprise one or more sound transducers, by means of which sound energy can be emitted on the one hand and sound energy can be absorbed and converted into electrical signals on the other hand.
  • the second resonant circuit can consist exclusively of the transceiver unit (which can easily oscillate) or comprise further energy stores.
  • the electrical circuit according to the invention further comprises a switching unit, the switching unit being set up to couple the first resonant circuit and the second resonant circuit to one another. In other words, the switching unit can ensure that electrical energy stored in the first resonant circuit can reach the second resonant circuit.
  • this is caused in response to a first predefined threshold value of a state variable of the first resonant circuit being reached.
  • a current and / or a voltage in one and / or both energy stores of the first resonant circuit can reach a predefined value and, in response to this, the switching unit can be caused to couple the first resonant circuit and the second resonant circuit to one another.
  • the switching unit can be caused to couple the first resonant circuit and the second resonant circuit to one another.
  • the threshold value of the state variable can preferably be a minimum amplitude of a variable coupled to the oscillation energy of the first resonant circuit.
  • a voltage and / or a current across a capacitance of the first resonant circuit can be used as a variable which causes a switching process of the switching unit.
  • a current and / or a voltage can be used in an inductance of the first resonant circuit. This has the advantage that there is a simple possibility of determining a suitable trigger time for a switching process, which can be used as an input variable, for example, by a transistor as a switching unit by means of analog circuit technology.
  • the switching unit can be set up to connect an output of the first resonant circuit to an input of the second resonant circuit.
  • an electrical connection can be established between the first resonant circuit and the second resonant circuit for coupling the two resonant circuits through the switching unit.
  • the output of the first resonant circuit can preferably be arranged in parallel to an energy store of the first resonant circuit.
  • the signal is tapped at a first connection of an energy store lying parallel to the output, the second connection of which with the electrical ground is connected.
  • the switching unit which in the closed state connects the output of the first resonant circuit to the input of the second resonant circuit, can now be connected to the first connection.
  • the switching unit can be set up to electrically couple a connection on the ground side of the transceiver unit to the electrical ground.
  • the switching unit or an additional switching unit can establish a connection between the transceiver unit and the electrical ground without the interposition of further electrical components.
  • the alternative offers a simpler way of controlling the switch.
  • the transceiver unit of the second resonant circuit can be designed as an ultrasonic transducer or at least include one.
  • This offers the advantage that, on the one hand, this technology can be safely controlled and, on the other hand, the required ultrasonic transducers are manufactured in large numbers for automobile construction, so that a circuit according to the invention can be produced cost-effectively. Since, as will be discussed in connection with the attached drawing figures, an ultrasonic transducer based on piezo itself already behaves like an electrical oscillating circuit, no further electrical components apart from such an ultrasonic transducer need to be provided for the construction of the second oscillating circuit. This offers the advantage of a particularly simple and inexpensive construction of an electrical circuit according to the invention.
  • a transistor in particular a field effect transistor, extremely preferably a metal oxide layer field effect transistor (MOSFET) can be provided as the switching unit.
  • MOSFET metal oxide layer field effect transistor
  • a signal source can be coupled to the first resonant circuit, wherein the coupling can in particular be permanent, in other words not switchable.
  • Figure 1 shows an electrical circuit such as is used in the prior art for the use of an ultrasonic transceiver.
  • a Signal source 4 is set up to apply a sinusoidal voltage to an oscillating circuit consisting of a coil L 1 of, for example, 285 ⁇ H and a capacitor C 1 of 46 nF.
  • the equivalent circuit diagram of a transceiver 2 is shown, which consists of a parallel connection of four branches.
  • the first branch consists of a capacitance C 2 of 2 nF.
  • the second branch consists of an inductance L 3 of 350 mH, a capacitance C 3 of 40 pF connected in series with the inductance L 3 and an ohmic load R 3 of 3 k ⁇ also connected in series.
  • the third branch consists of an inductance L 4 of 50 ⁇ H, a capacitor C 4 of 40 pF and an ohmic load R 4 of 3 k ⁇ .
  • the fourth branch consists of a coil L 5 of 20 mH, a capacitance C 5 of 40 pF and an ohmic load R 5 of 3 k ⁇ .
  • a switching unit is not provided, so that the signal source 4 always sees both resonant circuits or the entire illustrated arrangement of passive elements as a load.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of an embodiment according to the present invention.
  • a signal source 4 drives an oscillating circuit SK 1 , which consists of a series connection of a first inductance L 1 and a first capacitance C 1 .
  • An output terminal 3 of the first resonant circuit SK 1 is arranged between the inductance L 1 and the capacitance C 1.
  • a first switch S 1 for coupling the two oscillating circuits SK 1 and SK 2 is connected to the output terminal 3. With the switch S 1 is already in connection with Figure 1 discussed equivalent circuit diagram of an ultrasonic transducer 2 connected as a transceiver unit.
  • a second switch S 2 (dashed lines) is provided as a second switching unit S 2 between the ultrasonic transducer 2 and the electrical ground 10.
  • the elements of the equivalent circuit diagram of the transceiver unit 2 agree with those in Figure 1 match shown, so that a detailed discussion of these can be dispensed with for the sake of brevity.
  • the function of the circuit according to the invention is as follows: The signal source excites the first resonant circuit SK 1 , in response to which voltage amplitudes that are many times higher than the signal source 4 alone can be set across the capacitance C 1.
  • the first switch S 1 In response to reaching a first threshold value, which corresponds to amplitudes suitable for a transmit / receive process, the first switch S 1 is closed, whereby the voltages applied across the first capacitance C 1 are now generated by the ultrasonic transducer Two -pole as the second SK 2 resonant circuit are present.
  • a first threshold value which corresponds to amplitudes suitable for a transmit / receive process.
  • the switch used in each case (or, if both switches S 1 / S 2 are used, at least one of the two switches S 1 / S 2 ) is opened so that no more energy from the first resonant circuit SK 1 into the second resonant circuit SK 2 arrives and the membrane of the transceiver unit 2 decays or is, for example, passively or actively attenuated in a known manner. Echoes arriving at the transceiver unit 2 can in turn cause the membrane of the transceiver unit 2 to vibrate and can be detected in a known manner from the electrical signal of the transceiver unit 2.
  • Figure 3 shows in its upper half a timing diagram of a voltage signal V 4 , as indicated by the in Figure 2 signal source 4 shown could be generated.
  • the alternating voltage shown has an amplitude of 3 V. Due to the first resonant circuit SK 1 , a significantly higher amplitude results after some time, for example for the voltage across the first capacitance C 1 . This voltage is already used in the prior art to apply an electrical signal suitable for transmission to the transceiver unit 2.
  • a voltage V 2 is plotted against time, which occurs in a circuit according to the prior art (see FIG Figure 1 ) could result on the ultrasonic transducer without a switching process according to the invention.
  • a voltage V 2 is also applied across the ultrasonic transducer, which, however, only reaches its maximum amplitude at the same time as the end of the voltage signal V 4 .
  • the amplitude of the voltage V 2 then decays essentially with an exponential function.
  • Figure 4 shows in its upper half a comparison of time diagrams of two currents as they would flow according to the present invention I 2E ) or according to the prior art I 2PA ) with a corresponding excitation through the ultrasonic transducer 2.
  • the lower half of Figure 2 shows the corresponding voltage signals (V 2E : voltage at the ultrasonic transducer 2 according to FIG present invention, V 2PA : voltage at the ultrasonic transducer 2 according to the prior art), which corresponds to the respective currents, as shown in the upper half of FIG Figure 4 are shown belong.
  • the voltage profile according to the prior art V 2PA essentially corresponds to that in the lower half of FIG Figure 3 shown course.
  • the amplitude of the voltage V 2PA increases only slowly.
  • energy is only "pumped” slowly into the second resonant circuit SK 2.
  • the voltage V 2E in the lower half of Figure 4 begins with a maximum amplitude, since at the time of switching the first resonant circuit SK 1 is already fully excited and thus the voltage across the first capacitance C 1 has already reached its maximum.
  • the excitation of the ultrasonic transducer 2 with maximum voltages leads to a significantly faster increase in the current I 2E flowing through it.
  • the signal amplitudes required for a transmission process result much earlier, so that the required sound energy can be emitted by the ultrasonic transducer 2 within a shorter time. Since the transmission process ends earlier in this way and the membrane vibrations have decayed to the extent required for a reception process, echoes from the signal of the ultrasonic transducer 2 can be detected at an earlier point in time than in the prior art. In this way, the so-called “near detection threshold” can be significantly reduced, so that surrounding objects arranged close to the vehicle or to the ultrasonic transducer 2 can also be reliably detected.
  • Figure 5 shows two voltage curves (V 4E , V 4PA) for the excitation of the first resonant circuit SK 1 by the signal source 4, the upper voltage V 4E being switched on earlier and switched off earlier than the voltage V 4PA shown below.
  • the first resonant circuit is supplied with energy at an earlier point in time with the voltage V 4E , this does not interfere with ongoing receiving processes in the second resonant circuit, since according to the present invention there is no coupling of the resonant circuits at this point in time.
  • the later signal start of the voltage V 4PA according to the prior art coincides in time with the time of excitation of the second resonant circuit.
  • Different solutions have been proposed for the arrangements and configurations of the switching unit.
  • the subject matter of the present invention makes it possible, for example, to bring electrical energy into the first resonant circuit by means of the transceiver unit while a receiving process is still in progress and thus to prepare a transmission process following the receiving process.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transceivers (AREA)

Description

    Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung für den Betrieb einer Sendeempfangseinheit, wie sie beispielsweise in Verbindung mit Ultraschallsendeempfängern Verwendung finden kann. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte elektrische Schaltung zur Verkürzung der Einschwingzeit einer Sendeempfangseinheit.
  • Sendeempfangseinheiten können gemäß dem Stand der Technik für viele unterschiedliche Anwendungsfälle verwendet werden. Beispielsweise werden sie für Abstandsmessungen im Kraftfahrzeug eingesetzt, wobei als Sendeempfangseinheiten insbesondere Radar-Lidar- und Schallwandler eingesetzt werden, um von einem ausgesendeten und von einem Umgebungsobjekt reflektierten Signal auf eine aktuelle Entfernung des Fahrzeugs vom Umgebungsobjekt schließen zu können. Bei einem Ultraschallwandler wird hierzu beispielsweise eine Piezo-Membran verwendet. Beim Sendevorgang wird elektrische Energie aufgebracht, um Schall zu erzeugen, während nach dem Sendevorgang und nach abgeklungenen Membran-Restschwingungen auf die Membran eintreffender Schall in elektrische Signale umgewandelt wird. Bekanntermaßen ist hierbei erforderlich, dass der Sendepuls eine möglichst kurze Dauer hat, um bereits kurze Zeit später auf die Membran auftreffenden Reflexionsschall aus den abklingenden Membranschwingungen erkennen zu können. Um dennoch hohe Sendeenergie abstrahlen zu können, ist es erstrebenswert, bereits von Anbeginn des Sendevorgangs ein Maximum an Membranamplituden zu erzeugen und diese über den gesamten (kurzen) Sendevorgang beizubehalten. Um mittels möglichst leistungsschwachen Signalgeneratoren hohe Amplitudenschwingungen zu erzeugen, wird im Stand der Technik der Signalgenerator häufig mit einem ersten Schwingkreis (beispielsweise bestehend aus einer Reihenschaltung einer Spule und eines Kondensator) angeregt, und die Spannung an einem der beiden Energiespeicher als Eingangsgröße für einen zweiten, die Sendeempfangseinheit umfassenden, Schwingkreis verwendet. Hierbei kann der zweite Schwingkreis ausschließlich aus der (ohne weiteres schwingfähigen) Sendeempfangseinheit bestehen oder weitere Energiespeicher umfassen. Allerdings wird zur Anregung beider Schwingkreise eine gewisse Zeitdauer benötigt, um für einen Sendevorgang hinreichende Amplituden an der Sendeempfangseinheit zu erzeugen. Diese Zeitdauer begrenzt u.a. die sogenannte Nahmessfähigkeit eines Abstandsmesssystems.
  • Die Druckschrift DE 198 14 331 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum erzeugen akustischer Druckpulse, bei welcher zwei LC-Schwingkreise miteinander gekoppelt sind und einen gemeinsamen Kondensator nutzen.
  • Die Druckschrift FR 2 757 009 A1 betrifft eine Vorrichtung für den Betrieb eines piezoelektrischen Signalwandlers, bei welcher ein Verstärker und eine Steuerschaltung über einen Schalter miteinander koppelbar sind.
  • Die Druckschrift DE 195 48 161 C1 beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung für den Betrieb eines Piezoelements, bei welcher über einen Schalter eine Erregerquelle mit dem Piezoelement koppelbar ist.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Schaltung für den Betrieb einer Sende-Empfangseinheit zu schaffen, durch welche in der Anwendung die Nahmessfähigkeit eines Ultraschall-basierten Abstandsmesssystems zu verbessern.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Schaltung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
  • Entsprechend wird eine elektrische Schaltung vorgeschlagen, welche für den Betrieb einer Sendeempfangseinheit, beispielsweise eines Ultraschallsendeempfängers, geeignet ist. Dabei umfasst die Schaltung einen ersten Schwingkreis zur Erzeugung eines Sendesignals sowie einen zweiten Schwingkreis mit einer Sendeempfangseinheit. Der erste Schwingkreis kann dabei mit einem Signalgenerator bzw. einer Signalquelle gekoppelt sein, dessen bzw. deren Signal den ersten Schwingkreis zu Schwingungen anregen kann. Der zweite Schwingkreis kann beispielsweise einen oder mehrere Schallwandler umfassen, mittels welcher einerseits Schallenergie abgestrahlt und andererseits Schallenergie aufgenommen und in elektrische Signale gewandelt werden kann. Hierbei kann der zweite Schwingkreis ausschließlich aus der (ohne weiteres schwingfähigen) Sendeempfangseinheit bestehen oder weitere Energiespeicher umfassen. Weiter umfasst die erfindungsgemäße elektrische Schaltung eine Schalteinheit, wobei die Schalteinheit eingerichtet ist, den ersten Schwingkreis und den zweiten Schwingkreis mit einander zu koppeln. Mit anderen Worten kann die Schalteinheit dafür sorgen, dass im ersten Schwingkreis gespeicherte elektrische Energie in den zweiten Schwingkreis gelangen kann.
  • Erfindungsgemäß wird dies im Ansprechen auf das Erreichen eines ersten vordefinierten Schwellwertes einer Zustandsgröße des ersten Schwingkreises veranlasst. Mit anderen Worten kann beispielsweise ein Strom und/oder eine Spannung in einem und/oder beiden Energiespeichern des ersten Schwingkreises eine vordefinierte Größe erreichen und im Ansprechen darauf die Schalteinheit veranlasst werden, den ersten Schwingkreis und den zweiten Schwingkreis miteinander zu koppeln. Auf diese Weise kann im zweiten Schwingkreis noch eine Reflexion erwartet und ausgewertet werden, während im ersten Schwingkreis bereits Energie für einen weiteren Sendevorgang gesammelt wird, ohne dass diese sich mit dem Empfangssignal überlagert.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Bevorzugt kann der Schwellwert der Zustandsgröße eine minimale Amplitude einer mit der Schwingungsenergie des ersten Schwingkreises gekoppelten Größe sein. Beispielsweise kann eine Spannung und/oder ein Strom über einer Kapazität des ersten Schwingkreises als einen Schaltvorgang der Schalteinheit veranlassende Größe herangezogen werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Strom und/oder eine Spannung in einer Induktivität des ersten Schwingkreises verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass eine einfache Möglichkeit zur Ermittlung eines geeigneten Auslösezeitpunktes für einen Schaltvorgang zur Verfügung steht, der beispielsweise durch einen Transistor als Schalteinheit mittels analoger Schaltungstechnik als Eingangsgröße verwendet werden kann.
  • Weiter bevorzugt kann die Schalteinheit eingerichtet sein, einen Ausgang des ersten Schwingkreises mit einem Eingang des zweiten Schwingkreises zu verbinden. Mit anderen Worten kann eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Schwingkreis und dem zweiten Schwingkreis zur Kopplung der beiden Schwingkreise durch die Schalteinheit hergestellt werden. Dies bietet den Vorteil, dass die Sendeempfangseinheit bis zur Kopplung mit dem ersten Schwingkreis spannungsfrei bleibt.
  • Bevorzugt kann der Ausgang des ersten Schwingkreises dabei parallel zu einem Energiespeicher des ersten Schwingkreises angeordnet sein. Mit anderen Worten wird das Signal an einem ersten Anschluss eines parallel zum Ausgang liegenden Energiespeichers abgegriffen, dessen zweiter Anschluss mit der elektrischen Masse verbunden ist. Mit dem ersten Anschluss kann nun die Schalteinheit verbunden sein, welche in geschlossenem Zustand den Ausgang des ersten Schwingkreises mit dem Eingang des zweiten Schwingkreises verbindet. Die vorstehend genannte Anordnung stellt eine einfache und schaltungstechnisch gut beherrschbare Ausführungsform dar.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Schalteinheit eingerichtet sein, einen masseseitigen Anschluss der Sendeempfangseinheit mit der elektrischen Masse elektrisch zu koppeln. Mit anderen Worten kann die Schalteinheit oder eine zusätzliche Schalteinheit eine Verbindung zwischen der Sendeempfangseinheit und der elektrischen Masse ohne Zwischenschaltung weiterer elektrischer Bauelemente vornehmen. Im Gegensatz zum vorstehend beschriebenen Aufbau, nach welchem eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Schwingkreisen geschaltet wird, bietet die Alternative eine einfachere Möglichkeit zur Ansteuerung des Schalters.
  • Weiter bevorzugt kann die Sendeempfangseinheit des zweiten Schwingkreises als Ultraschallwandler ausgestaltet sein oder zumindest einen solchen umfassen. Dies bietet den Vorteil, dass diese Technik einerseits sicher beherrschbar ist und andererseits die erforderlichen Ultraschallwandler in hoher Stückzahl für den Automobilbau gefertigt werden, wodurch eine erfindungsgemäße Schaltung kostengünstig herstellbar ist. Da sich, wie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren noch diskutiert wird, ein Ultraschallwandler auf Piezobasis bereits selbst wie ein elektrischer Schwingkreis verhält, müssen außer einem solchen Ultraschallwandler keine weiteren elektrischen Bauelemente für den Aufbau des zweiten Schwingkreises vorgesehen werden. Dies bietet den Vorteil eines besonders einfachen und kostengünstigen Aufbaus einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung.
  • Weiter bevorzugt kann als Schalteinheit ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor, äußerst bevorzugt ein Metalloxidschichtfeldeffekttransistor (MOSFET) vorgesehen sein. Dies bietet den Vorteil, dass Transistoren einerseits als Massenartikel hergestellt und daher günstig erworben werden können, andererseits, insbesondere in Verbindung mit den vorgenannten Feldeffekttransistoren, geringe Schalt- und Sperrverluste entstehen.
  • Weiter bevorzugt kann eine Signalquelle mit dem ersten Schwingkreis gekoppelt sein, wobei die Kopplung insbesondere dauerhaft, mit anderen Worten also nicht schaltbar, sein kann. Dies bietet den Vorteil eines besonders einfachen Aufbaus, während die Funktionssicherheit erhöht wird.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
    • Figur 1
    ein Schaltbild eines typischen Ausführungsbeispiels gemäß dem Stand der Technik,
    Figur 2
    ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung,
    Figur 3
    zwei Diagramme, veranschaulichend die Spannung zur Anregung des ersten Schwingkreises (oben) und die resultierende Spannung an der Sendeempfangseinheit (unten),
    Figur 4
    ein Zeitdiagramm von Strömen durch eine Sendeempfangseinheit gemäß dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung (oben) und ein Zeitdiagramm von Spannungen an der Sendeempfangseinheit gemäß dem Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung (unten), und
    Figur 5
    zwei Zeitdiagramme zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Anregungsdauer nach dem Stand der Technik und nach der vorliegenden Erfindung.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • Figur 1 zeigt eine elektrische Schaltung, wie sie aus dem Stand der Technik zur Verwendung eines Ultraschallsendeempfängers verwendet wird. Eine Signalquelle 4 ist eingerichtet, einen aus einer Spule L1 von beispielsweise 285 µH und einem Kondensator C1 von 46 nF bestehenden Schwingkreis mit einer sinusförmigen Spannung zu beaufschlagen. Parallel zum Kondensator C1 ist das Ersatzschaltbild eines Sendeempfängers 2 dargestellt, welches aus einer Parallelschaltung von vier Zweigen besteht. Der erste Zweig besteht auf einer Kapazität C2 von 2 nF. Der zweite Zweig besteht aus einer Induktivität L3 von 350 mH, einer zur Induktivität L3 in Reihe geschalteten Kapazität C3 von 40 pF und einer ebenfalls in Reihe geschalteten ohmschen Last R3 von 3 kΩ. Der dritte Zweig besteht aus einer Induktivität L4 von 50 µH, einem Kondensator C4 von 40 pF und einer ohmschen Last R4 von 3 kΩ. Der vierte Zweig schließlich besteht aus einer Spule L5 von 20 mH, einer Kapazität C5 von 40 pF und einer ohmschen Last R5 von 3 kΩ. Eine Schalteinheit ist nicht vorgesehen, so dass die Signalquelle 4 stets beide Schwingkreise bzw. die gesamte dargestellte Anordnung passiver Elemente als Last sieht.
  • Figur 2 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Signalquelle 4 treibt einen Schwingkreis SK1, welcher aus einer Reihenschaltung aus einer ersten Induktivität L1 und einer ersten Kapazität C1 besteht. Zwischen der Induktivität L1 und der Kapazität C1 ist eine Ausgangsklemme 3 des ersten Schwingkreises SK1 angeordnet. An die Ausgangsklemme 3 schließt sich ein erster Schalter S1 zum Koppeln der beiden Schwingkreise SK1 und SK2 an. Mit dem Schalter S1 ist ein bereits in Verbindung mit Figur 1 diskutiertes Ersatzschaltbild eines Ultraschallwandlers 2 als Sendeempfangseinheit verbunden. Masseseitig ist zwischen dem Ultraschallwandler 2 und der elektrischen Masse 10 ein zweiter Schalter S2 (gestrichelt) als zweite Schalteinheit S2 vorgesehen. Die Elemente des Ersatzschaltbildes der Sendeempfangseinheit 2 stimmen mit den in Figur 1 dargestellten übereinstimmen, so dass auf eine detaillierte Diskussion dieser der Kürze halber verzichtet werden kann. Die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltung ist wie folgt: Die Signalquelle regt den ersten Schwingkreis SK1 an, im Ansprechen worauf sich über der Kapazität C1 um ein Vielfaches höhere Spannungsamplituden einstellen, als sie die Signalquelle 4 allein zu liefern im Stande ist. Im Ansprechen auf ein Erreichen eines ersten Schwellwertes, der mit für einen Sendeempfangsvorgang geeigneten Amplituden korrespondiert, wird der erste Schalter S1 geschlossen, wodurch die über der ersten Kapazität C1 anliegenden Spannungen nun über dem aus dem Ultraschallwandler gebildeten Zweipol als zweiter Schwingkreis SK2 anliegen. Die vorstehenden Ausführungen treffen für den Fall zu, dass der zweite Schalter S2 entweder geschlossen oder nicht vorhanden ist. Identisch könnte der zweite Schalter S2 verwendet werden, während der erste Schalter S1 geschlossen oder nicht vorhanden ist. Die Funktionsweise ergibt sich für den zweiten Schalter S2 entsprechend. Nach Beenden des Sendevorgangs wird der jeweils verwendete Schalter (oder falls beide Schalter S1/S2 verwendet werden, zumindest einer der beiden Schalter S1/S2) geöffnet, so dass keine Energie mehr aus dem ersten Schwingkreis SK1 in den zweiten Schwingkreis SK2 gelangt und die Membran der Sendeempfangseinheit 2 abklingt oder beispielsweise in bekannter Weise passiv oder aktiv gedämpft wird. An der Sendeempfangseinheit 2 eintreffende Echos können nun ihrerseits die Membran der Sendeempfangseinheit 2 in Schwingungen versetzen und in bekannter Weise aus dem elektrischen Signal der Sendeempfangseinheit 2 detektiert werden.
  • Figur 3 zeigt in ihrer oberen Hälfte ein Zeitdiagramm eines Spannungssignals V4, wie es durch die in Figur 2 gezeigte Signalquelle 4 erzeugt werden könnte. Die dargestellte Wechselspannung hat eine Amplitude von 3 V. Aufgrund des ersten Schwingkreises SK1 ergibt sich nach einiger Zeit eine bedeutend höhere Amplitude beispielsweise für die Spannung über der ersten Kapazität C1. Diese Spannung wird bereits im Stand der Technik dazu benutzt, die Sendeempfangseinheit 2 mit einem zur Aussendung geeigneten elektrischen Signal zu beaufschlagen. In der unteren Hälfte von Figur 3 ist eine Spannung V2 über der Zeit aufgetragen, welche sich in einer Schaltung gemäß dem Stand der Technik (siehe Figur 1) am Ultraschallwandler ohne einen erfindungsgemäßen Schaltvorgang ergeben könnte. Es ist erkennbar, dass ab dem Zeitpunkt, ab welchem die Signalquelle 4 eine Spannung V4 ausgibt, auch eine Spannung V2 über dem Ultraschallwandler anliegt, welche jedoch ihre maximale Amplitude erst zeitgleich mit dem Ende des Spannungssignals V4 erreicht. Anschließend klingt die Amplitude der Spannung V2 im Wesentlichen mit einer e-Funktion ab.
  • Figur 4 zeigt in seiner oberen Hälfte einen Vergleich von Zeitdiagrammen zweier Ströme, wie sie gemäß der vorliegenden Erfindung I2E) bzw. gemäß dem Stand der Technik I2PA) bei entsprechender Anregung durch den Ultraschallwandler 2 fließen würden. Die untere Hälfte von Figur 2 zeigt die entsprechenden Spannungssignale (V2E: Spannung am Ultraschallwandler 2 gemäß der vorliegenden Erfindung, V2PA: Spannung am Ultraschallwandler 2 gemäß dem Stand der Technik), welche zu den jeweiligen Strömen, wie sie in der oberen Bildhälfte von Figur 4 dargestellt sind, gehören. Der Spannungsverlauf gemäß dem Stand der Technik V2PA entspricht im Wesentlichen dem in der unteren Hälfte von Figur 3 dargestellten Verlauf. Da zu Beginn der Anregung des Ultraschallwandlers 2 auch der erste Schwingkreis noch nicht voll erregt ist, steigt die Amplitude der Spannung V2PA nur langsam an. Entsprechendes gilt insbesondere für den Strom I2PA durch den Ultraschallwandler 2 in der oberen Hälfte der Figur 4. Somit wird nur langsam Energie in den zweiten Schwingkreis SK2 "gepumpt". Deutlich andere Verläufe ergeben sich gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Spannung V2E in der unteren Hälfte von Figur 4 beginnt mit einer maximalen Amplitude, da zum Schaltzeitpunkt der erste Schwingkreis SK1 bereits voll erregt und somit die Spannung über der ersten Kapazität C1 bereits ihr Maximum erreicht hat. Die Erregung des Ultraschallwandlers 2 mit maximalen Spannungen führt zu einem deutlich schnelleren Ansteigen des durch ihn fließenden Stromes I2E. Mit anderen Worten ergeben sich deutlich früher für einen Sendevorgang erforderliche Signalamplituden, so dass innerhalb kürzerer Zeit die erforderliche Schallenergie durch den Ultraschallwandler 2 abgestrahlt werden kann. Indem auf diese Weise der Sendevorgang früher beendet und die Membranschwingungen auf ein für einen Empfangsvorgang erforderliches Maß abgeklungen sind, können bereits zu einem früheren Zeitpunkt als gemäß dem Stand der Technik Echos aus dem Signal des Ultraschallwandlers 2 detektiert werden. Auf diese Weise kann die sogenannte "Nahdetektionsschwelle" deutlich gesenkt werden, so dass auch nahe am Fahrzeug bzw. am Ultraschallwandler 2 angeordnete Umgebungsobjekte sicher detektiert werden können.
  • Figur 5 zeigt zwei Spannungsverläufe (V4E, V4PA) zur Anregung des ersten Schwingkreises SK1 durch die Signalquelle 4, wobei die obere Spannung V4E gegenüber der unten dargestellten Spannung V4PA früher eingeschaltet und früher ausgeschaltet wird. Zwar wird der erste Schwingkreis mit der Spannung V4E bereits zu einem früheren Zeitpunkt mit Energie versorgt, dies stört jedoch noch andauernde Empfangsvorgänge im zweiten Schwingkreis nicht, da zu diesem Zeitpunkt gemäß der vorliegenden Erfindung keine Kopplung der Schwingkreise besteht. Der spätere Signalanfang der Spannung V4PA gemäß dem Stand der Technik fällt zeitlich mit dem Anregungszeitpunkt des zweiten Schwingkreises zusammen. Um für den Sendevorgang hinreichend Energie über den Sendeempfänger abstrahlen zu können, ist gemäß dem Stand der Technik jedoch eine längere Anregungszeit des zweiten Schwingkreises SK2 als gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich. Daher können durch die vorliegende Erfindung kürzere Pulse verwirklicht werden, die eine bessere Entfernungsauflösung und eine bessere Auflösung von Mehrfachechos erlauben.
  • Es ist ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, einen zur Erzeugung eines Sendesignals für eine Sendeempfangseinrichtung verwendeten ersten Schwingkreis zunächst mit Energie zu versorgen, ohne dass die Sendeempfangseinrichtung bereits Anteile an dieser Energie aufnehmen kann. Erst wenn die abgebbare Energie innerhalb des ersten Schwingkreises ein vorbestimmtes Maß erreicht hat, wird mittels einer Schalteinrichtung ein Energieübertrag aus dem ersten Schwingkreis auf die Sendeempfangseinheit, welche bevorzugt in einem zweiten Schwingkreis angeordnet ist, ermöglicht. Für die Anordnungen und Ausgestaltungen der Schalteinheit sind unterschiedliche Lösungen vorgeschlagen worden. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, z.B. noch während eines Empfangsvorgangs mittels der Sendeempfangseinheit elektrische Energie in den ersten Schwingkreis zu bringen und somit einen auf den Empfangsvorgang folgenden Sendevorgang vorzubereiten.
  • Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele, insbesondere auch mit weiteren, aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen und Merkmalen, möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims (9)

  1. Elektrische Schaltung (1) für den Betrieb einer Sendeempfangseinheit (2), wobei die Schaltung (1) umfasst:
    - einen ersten Schwingkreis (SK1) zur Erzeugung eines Sendesignals,
    - einen zweiten Schwingkreis (SK2) umfassend eine Sendeempfangseinheit (2) und
    - eine Schalteinheit (S1 , S2),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schalteinheit (S1, S2) eingerichtet ist, den ersten Schwingkreis (SK1) und den zweiten Schwingkreis (SK2) miteinander zu koppeln, wenn eine Zustandsgröße des ersten Schwingkreises (SK1) einen vordefinierten Schwellwert überschritten hat.
  2. Elektrische Schaltung (1) nach Anspruch 1, wobei die Zustandsgröße eine minimale Amplitude einer mit der Schwingungsenergie des ersten Schwingkreises (SK1) gekoppelten Größe ist.
  3. Elektrische Schaltung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schalteinheit eingerichtet ist, einen Ausgang (3) des ersten Schwingkreises (SK1) mit einem Eingang des zweiten Schwingkreises (SK2) zu verbinden.
  4. Elektrische Schaltung (1) nach Anspruch 3, wobei der Ausgang (3) zusammen mit einem mit der elektrischen Masse (10) verbundenen Anschluss des ersten Schwingkreises (SK1) parallel zu einem Energiespeicher (C1) des ersten Schwingkreises (SK1) angeordnet ist.
  5. Elektrische Schaltung (1) nach Anspruch 4, wobei der Energiespeicher ein Kondensator (C1) oder eine Spule (L1) ist.
  6. Elektrische Schaltung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schalteinheit (S1, S2) eingerichtet ist, einen masseseitigen Anschluss (5) der Sendeempfangseinheit (2) mit der elektrischen Masse (10) elektrisch zu koppeln.
  7. Elektrische Schaltung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sendeempfangseinheit (2) einen Ultraschallwandler umfasst.
  8. Elektrische Schaltung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schalteinheit (S1, S2) ein Transistor und/oder ein MetalloxidschichtFeldeffekttransistor ist.
  9. Elektrische Schaltung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei weiter eine Signalquelle (4) mit dem ersten Schwingkreis (SK1) gekoppelt oder dauerhaft gekoppelt ist.
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