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SCHALTUNGSVORRICHTUNG ZUR DIGITALISIERUNG
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UND EXTREMWERTERMITTLUNG ANALOGER SIGNALE.
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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Schaltungsvorrichtung zur
Digitalisierung und Extremwertermittlung analoger Signale mit einem Analog/Digital-Wandler
(A/D-Wandler), der vorzugsweise nach dem Parallelverfahren arbeitet, und einen diesem
Wandler nachgeschalteten Digitalspeicher. Die Anmeldung bezieht sich ferner auch
auf die Verwendung der Schaltungsanordnung zur Digitalisierung und Extremwertermittlung
von Echosignalen, wie sie üblicherweise in Ultraschallprüfgeräten zur zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung verarbeitet werden.
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Eine Schaltungsvorrichtung der besagten Art wird beispielsweise in
der DE-PS 22 26 172 in den Spalten 10 und 11 beschrieben. Bei dieser bekannten Schaltung
werden die den Ultraschallechos entsprechenden Spannungssignale zunächst verstärkt
und dann zur Digitalisierung einer Kette von Komparatoren zugeführt, an deren einem
Eingang das zu digitalisierende Spannungssignal und an deren zweitem Eingang Referenzspannungen
liegen, die voneinander eine logarithmische Abstufung aufweisen. Den einzelnen Komparatoren
sind Amplitudenspeicher nachgeschaltet, die das Verhalten der Komparatorkette beim
Impulsdurchgang festhalten. Nach dem Überschreiten des Maximalwertes des digitalisierten
Impulses bleiben diese Werte in den Amplitudenspeichern erhalten und können in vorgegebenen
Zeitabständen in einen Hauptspeicher übernommen werden.
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Besonders nachteilig ist bei dieser bekannten Schaltungsvorrichtung,
daß die Anzahl der erforderlichen Komparatoren sehr groR ist. Bei einem in der Ultraschalltechnik
üblichen Dynamikumfang von loo Dezibel (db) und einer Auflösung von 1 dB sind loo
Komparatoren erforderlich.
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Ein weiterer Nachteil derartiger Schaltungsvorrichtungenbestehtdarin,
daß der verwendete A/D-Wandler sehr schnell schaltende Komparatoren enthalten muß,
weil das an den Komparatoren liegende Signal sich sehr schnell ändert.
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Herkömmliche A/D-Wandler sind aus diesen Gründen daher relativ teuer.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsvorrichtung
der eingangs erwähnten Art so weiterzuentwickeln, daß sie gegenüber bekannten Schaltungsvorrichtungen
wesentlich kostengünstiger hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil
des Anspruches 1 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung beruht also auf den Überlegungen, daß einerseits
der Extremwert der analogen Signalspannungen bereits vor der Digitalisierung ermittelt
wird und daß dann dieser Extremwert digitalisiert wird. Andererseits sorgt eine
Meßbereichsauswahlschaltung dafür, daß der A/D-Wandler nur einen, gegenüber bekannten
Schaltungsvorrichtungen kleinen Spannungsbereich mit der vorgegebenen Genauigkeit
zu digitalisieren braucht. Bei Verwendung einer Meßbereichsauswahlschaltung von
beispielsweise zwei Schaltungszweigen braucht der eigentliche A/D-Wandler bei einem
vorgegebenen Dynamikumfang von 100 dB und einer Auflösung von 1 dB nur noch 50 Komparatoren
zu enthalten.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich außerdem erwiesen, wenn der
digitalisierte Wert nicht unmittelbar nach Erreichen seines Extremwertes in den
Hauptspeicher übertragen wird, sondern erst nach einer vorgegebenen Zeitdifferenz.
Als Zeitbezugswert wird dabei nicht der Extremwert selbst, sondern vorzugsweise
der jeweilige Nulldurchgang verwendet, der dem zu digitalisierenden Extremtwert
unmittelbar folgt. Durch diese Maßnahme ist es möglich, auch relativ langsame, und
damit billigere Komparatoren zu verwenden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden
mit Hilfe von Ausführungsbeispielen anhand von Figuren erläutert.
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Es zeigt: Fig.1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer herkömmlichen
Ultraschallprüfanlage mit A/D-Wandler; Fig.2 eine Schaltungsvorrichtung eines A/D-Wandlers
gemäß der Erfindung; Fig.3 einen analogen Extremwertspeicher,der vorzugsweise in
der Schaltungsvorrichtung nach Fig.2 verwendet wird; und Fig. 4a bis 4h Darstellungen
von Impulsen an verschiedenen Punkten der Schaltungsvorrichtung nach Fig.2.
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In Fig.1 ist mit 1 ein Sender bezeichnet, der elektrische Sendeimpulse
erzeugt, die ihrerseits den Prüfkopf 2 zur Erzeugung von Ultraschallimpulsen veranlaßt.
Diese Ultraschallimpulse werden in ein zu prüfendes Werkstück 3 eingeschallt und
von Fehlern 4 reflektiert, wieder vom Prüfkopf 2 empfangen und als elektrische Echo
impulse einem Empfangsverstärker 5 zugeführt. Die verstärkten Echosignale werden
dann in einem entsprechend schnell arbeitenden Analog/Digital-Wandler 6 digitalisiert
und einer Auswerteeinheit 7 zugeführt. In dieser Auswerteeinheit 7 werden die Extremwerte
der elektrischen Echosignale ermittelt und dann angezeigt oder weiterverarbeitet.
Die üblicherweise dem A/D-Wandler 6 nachgeschalteten Speicher und Kodierer wurden
im vorliegenden Fall der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
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In Fig.2 ist die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung wiedergegeben,
die den herkömmlichen A/D-Wandler 6 gemäß Fig.1 ersetzen soll. Diese Schaltungsvorrichtung
besteht im wesentlichen aus 3 Funktionseinheiten: einer Meßbereichsauswahlschaltung
8, einer Schaltungsvorrichtung 9, in der sowohl die Analog/Digital-Umwandlung der
Signale als auch die Zwischenspeicherung und Kodierung der digitalisierten Werte
erfolgt, und einer Ablaufsteuereinheit 10.
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Die Meßbereichsauswahlschaltung 8 enthält 2 parallele Meßzweige. In
dem ersten Meßzweig befindet sich ein Verstärker 81 und ein analoger Extremwertspeicher
82. Der zweite Meßzweig enthält ein Verzögerungsglied 83 und ebenfalls einen analogen
Extremwertspeicher 84. Die Eingänge der beiden Meßzweige sind miteinander verbunden,
so daß das über den Eingang 11 an die Meßbereichsauswahlschaltung 8 gelangende Echosignal
beiden Meßzweigen gleichzeitig zugeführt wird. Mit Hilfe des Schalters 85 wird jeweils
ein Ausgang der beiden Meßzweige mit dem Eingang der Schaltungsvorrichtung 9 verbunden.
Bei dem Schalter 85, der seine Steuerspannung von einem Komparator 86 erhält, handelt
es sich vorzugsweise um einen elektronischen Schalter. Der eine Eingang des Komparators
86 ist mit dem Ausgang des analogen Extremwertspeichers 82 verbunden. An dem zweiten
Eingang des Komparators 86 liegt eine Gleichspannung, die mit Hilfe eines Potentiometer
87 eingestellt wird Das Potentiometer 87 ist mit der Spannungsquelle 88 verbunden.
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Bei der Schaltungsvorrichtung 9 erfolt die A/D-Wandlung nach dem sogenannten
Parallelverfahren, das bekannt und beispielsweise ausführlich in U. Tietze, Ch.
Schenk, "Halbleiterschaltungstechnik", 4. Auflage, Berlin, Heidelberg, New York,
1978, Seite 635 ff beschrieben ist. Das zu digitalisierende Signal gelangt dabei
über eine Trennstufe 91 an@eine Schaltungsvorrichtung (A/D-Wandler) 92, die aus
mehreren Komparatoren 921 besteht und an deren zweitem Eingang jeweils Referenzspannungen
liegen, die vorzugsweise gegeneinander eine logarithmische Abstufung aufweisen.
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Die Referenzspannungen werden mit Hilfe eines Widerstandsnetzwerkes
922 gewonnen, das an einer nicht dargestellten Spannungsquelle liegt. Die Ausgänge
der Komparatoren 921 sind mit einem Speicher 93 verbunden, dem ein Prioritätskodierer
94 nachgeschaltet ist.
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Die Ablaufsteuereinheit 10 besteht aus einem Komparator 101 und einer
mit diesem Komparator verbundenen Steuersignalgewinnungseinheit 102.
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Während der eine Eingang des Komparators über die Leitung 18 mit dem
Extremwertspeicher 82 verbunden ist, liegt der andere Eingang des Komparators an
Masse. Die Steuersignalgewinnungseinheit erzeugt einerseits Löschsignale, die über
die Leitung 12 den Extremwertspeichern 82 und 84 zugeführt werden. Andererseits
erzeugt die Steuersignalgewinnungseinheit 1o2 auch Strobesignale, die über die Leitung
13 dem Speicher 93 zugeführt werden und die bewirken, daß die am Eingang dieses
Speichers liegenden Signalwerte gespeichert werden.
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Fig.3 zeigt den Aufbau des Extremwertspeichers 82. Er besteht im wesentlichen
aus einem analogen Maximalwertspeicher 821 und einem diesem vorgeschalteten Differenzverstärker
822. Die zueinander invertierten Ausgänge des Differenzverstärkers 822 sind über
einen Schalter 823 mit dem Eingang des Maximalwertspeichers 821 verbunden. Maximalwertspeicher
sind an sich bekannt (vgl. z.B. J.R. Naylor "Digital and analog signal applications
of operational amplifiers", IEEE Spectrum, June 1971, Seite 41-43). Er besteht im
wesentlichen aus einer Diode 824, einem Kondensator 825 und einem Schalter 826,
der den Kondensator 825 immer dann kurzschließt, wenn der Speicher 82 wieder gelöscht
werden soll. Der Verstärker 827 dient als Spannungsfolger und soll verhindern, daß
sich der Kondensator bei geöffnetem Schalter 826 beispielsweise über die mit ihm
verbundenen Baueinheiten 9, 85, 86 entlädt.
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Da der Maximalwertspeicher 821 nur positive Signalwerte speichert,
muß zur Ermittlung negativer Signalamplituden vorher eine Phasenumkehr erfolgen.
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Hierzu dient vor allem der Differenzverstärker 822. An seinem unteren
mit einem Negativzeichen versehenen Ausgang liegt das zum Eingang invertierte Signal,
so daß ein Minimum des Eingangssignals als Maximum an diesem Ausgang erscheint.
Ist der Schalter 823 daher mit dem unteren Ausgang des Differenzverstärkers 822
verbunden, so werden die Minima der Eingangssignale als Maximalwerte in dem Maximalwertspeicher
821 gespeichert.
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Aus der jeweiligen Schalterstellung des Schalters 823 ergibt sich,
ob der in dem Maximalwertspeicher 821 gespeicherte Wert einem Maximum oder einem
Minimum des Eingangssignales entspricht.
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Im folgenden soll mit Hilfe von Fig.4 näher auf die Wirkungsweise
der Schaltungsvorrichtung nach Fig.2 eingegangen werden. Dabei soll der Einfachheit
halber angenommen werden, daß der Schalter 823 in Fig.3 mit dem oberen Eingang des
Differenzverstärkers verbunden ist, so daß nur Maximalwerte der Echosignale gespeichert
und digitalisiert werden müssen: In Fig.4a ist ein elektrisches Signal dargestellt,
wie es beispielsweise hinter dem Verstärker 5 in Fig.1 auftritt, wenn sich ein Fehler
4 in dem Prüfstück 3 befindet. Es weist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
vier positive und fünf negative Halbwellen auf. Dieses Signal
gelangt
an den Eingang 11 der Schaltungsvorrichtung gemäß Fig.2. Durch den Verstärker 81
im ersten Meßzweig wird das Signal verstärkt und erscheint am Ausgang des Verstärkers,
bedingt durch dessen Leitungen etc., beispielsweise 50 nsec phasenverschoben (Fig.4b).
Das verstärkte Signal gelangt dann an den Eingang des analogen Extremwertspeichers
82.
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Aufgrund der Verstärker 822 und 827 (Fig.3) besitzt dieser Speicher
eine Übersteuerungsgrenze, d.h. ab einer bestimmten Eingangsspannung U ergibt 0
sich keine zu dieser Eingangsspannung proportionale Ausgangsspannung mehr. Diese
Übersteuerungsgrenze wurde in den Fig. 4b, 4c, 4d und 4e als strichlierte Linien
dargestellt und mit U bezeichnet. Für Signale, deren Maximalwert über der Übersteuerungsgrenze
liegt, ergibt sich am Ausgang des Maximalwertspeichers ein zu kleiner Wert. In Fig.4c
ist der Spannungsverlauf wiedergegeben, der sich am Ausgang des analogen Extremwertspeichers
82 ergibt, wenn an seinem Eingang das in Fig.4b dargestellte Signal liegt.
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Die in dem Extremwertspeicher 82 integrierte Diode 824 (Fig.3) bewirkt,
daß nur jeweils die positive Halbwelle durchgelassen wird. Die erste auftretende
positive Halbwelle lädt dann den Kondensator 825 auf.
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Nach dem Erreichen des Maximalwertes dieser Halbwelle bleibt der entsprechende
Spannungswert solange an dem Kondensator erhalten, bis mit Hilfe eines über die
Leitung 12 an den Schalter 826 gelangender Löschimpuls der Kondensator entladen
wird. Dieses erfolgt jeweils nach einer vorgegebenen Zeit 4 t, die so gewählt wird,
daß die jeweils nächste positive Halbwelle noch nicht an dem Kondensator liegt.
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Einzelheiten über die zeitliche Zuordnung der Löschimpulse werden
weiter unten im Zusammenhang mit der Wirkungsweise der Ablaufsteuerung erklärt.
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Wenn die Eingangsspannung die Übersteuerungsgrenze des Extremwertspeichers
82 erreicht, schaltet der Schalter 85 den Eingang der Schaltungsvorrichtung 9 automatisch
an den Ausgang des zweiten Meßzweiges Dieses Umschalten wird dadurch bewirkt, daß
der Komparator 86 die Ausgangsspannung des Maximalwertspeichers 82 mit einer vorgegebenen
und durch das Potentiometer 87 einstellbaren Grenzwertspannung vergleicht. Die Grenzwertspannung
wird dabei so festgelegt, daß sie etwa gleich der Übersteuerungsgrenze U0 des Speichers
82 ist. Überschreitet die Ausgangsspannung
des Extremwertspeichers
diese Grenzwert spannung, so ergibt sich am Ausgang des Komparators 86 ein Spannungswert,
der ein Umschalten des Schalters 85 veranlaßt. Gleichzeitig wird über die Leitung
14 dem Speicher 93 ein Impuls zugeführt, der diesem durch Besetzen eines entsprechenden
Speicherplatzes signalisiert, daß der erste Meßbereich überschritten ist.
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Die Funktionsweise des zweiten Meßbereiches entspricht im wesentlichen
derjenigen des ersten Meßbereiches mit dem Unterschied, daß das am Eingang 11 liegende
Signal nicht verstärkt wird. Mit Hilfe des Verzögerungsgliedes 83 soll lediglich
ein dem im Meßzweig 1 verstärkten Signal phasengleiches Signal erzeugt werden (vgl.
Fig.4d). Der Extremwertspeicher 84 hingegen entspricht dem Speicher 82. Da am Eingang
des Extremwertspeichers 84 ein nicht verstärktes Signal vorhanden ist, liegen die
entsprechenden Spannungswerte der zweiten und dritten positiven Halbwelle in diesem
Fall unterhalb der Übersteuerungsgrenze U0. Die sich daher am Ausgang ergebende
maximalen Spannungen entsprechen den maximalen Spannungswerten der beiden Halbwellen
des Eingangssignales. Die vierte Halbwelle wird dann wiederum mit dem ersten Meßzweig
bestimmt, da die Ausgangsspannung des Extremwertspeichers 82 in diesem Fall wieder
kleiner ist als die Grenzwertspannung, so daß der Schalter 85 in seine ursprüngliche
Lage zurückschaltet.
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Die mit der Ablaufsteuereinheit 10 gewonnenen Signale sind in den
Fig.4f bis 4h dargestellt. Zeitbezugswerte sind dabei jeweils die Nulldurchgänge
des zu digitalisierenden Signales. Der Komparator to vergleicht hierzu die Eingangssignale
des Maximalwert speichers 821 (Fig.3) mit dem Nullpotential (Erde). Am Ausgang des
Komparators ergeben sich dann die in Fig.4f dargestellten Impulse, aus denen dänn
mit Hilfe der Steuersignalschaltung 102 die Lösch- und Strobeimpulse gewonnen werden.
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Fig.4g zeigt die zeitliche Folge der Strobeimpulse, die jeweils dem
Speicher 93 signalisieren, daß ein neuer Meßwert zur Übernahme an seinen Eingängen
ansteht. Das Strobesignal wird jeweils direkt bei
einem Nulldurchgang
von der positiven zur negativen Halbwelle des an dem Maximalwertspeicher 821 liegenden
Signals erzeugt. An das Ende des Strobesignals schließt sich dann sofort das Löschsignal
an.Beide Signale zusammen fallen in die negativen Halbwellen des zu digitalisierenden
Impulses.
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Dadurch, daß das Strobesignal erst bei Beginn der jeweils negativen
Halbwelle, nicht aber beim Auftreten des Maximalwertes den Speicher 93 aufnahmebereit
macht, wird erreicht, daß die Komparatoren 921 relativ langsam schalten können.
Denn der entsprechende Maximalwert liegt nicht nur -im Augenblick seines Auftretens
an den Komparatoren, sondern mindestens bis zum Ende der positiven Halbwelle.
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Der eigentliche Digitalisierungsvorgang mit der Schaltungsvorrichtung
92 ist bekannt und braucht daher hier nicht wiederholt zu werden (vgl. z.B.
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das oben erwähnte Buch von Tietze und Schenk, S. 635 ff).
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Die in Fig.2 im oberen Teil strichliert eingezeichneten Schaltungsteile.
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sollen eine sogenannte Überlaufkontrolle bewirken. Wird nämlich beispielsweise
auch der Maximalwertspeicher 84 übersteuert, so erzeugt der Komparator 15 ein Signal,
das nach Durchlaufen eines Verzögerungsgliedes 17 dem Speicher 93 signalisiert,
daß der anstehende Meßwert nicht mehr in den vorgesehenen Dynamikumfang der Schaltungsvorrichtung
fällt.
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Hierzu vergleicht der Komparator 15 den Ausgangswert des Maximalwertspeichers
84 mit einem Grenzwert, der durch ein Potentiometer 16 erzeugt wird und etwas unter
der Übersteuerungsgrenze des Speichers 84 liegt.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das hier beschriebene
Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere ist es möglich - falls gewünscht -
mehr als zwei Meßzweige in der Meßbereichsauswahlschaltung unterzubringen.