DE2941961A1

DE2941961A1 - Verfahren zur signalspannungsabhaengigen veraenderung des verstaerkungsfaktors

Info

Publication number: DE2941961A1
Application number: DE19792941961
Authority: DE
Inventors: Ulrich 5042 Erftstadt Braun; C. Dennis Letchworth Wells
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co; Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH and Co; Krautkraemer GmbH
Priority date: 1979-10-17
Filing date: 1979-10-17
Publication date: 1981-04-30
Also published as: FR2468254A1; GB2060963A; JPS5666915A

Description

VERFAHREN ZUR SIGMALSPANNUNGSABHÄNGIGEN VERÄNDERUNG DES

VERSTÄRKUNGSFAKTORS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur signalspannungsabhängigen Veränderung des Verstärkungsfaktors eines Verstärkers, der eine lineare oder zur Erfassung eines größeren Dynamikbereiches eine nichtlineare Kennlinie besitzt zur Kompression oder Dilatation von Anzeige- oder Meßwerten innerhalb eines vorgegebenen Anzeige oder Dynamikbereiches.

In elektronischen Anwendungsbereichen müssen kurzzeitig auftretende elektrische Spannungen verstärkt und ihre Spitzenwerte (Amplituden) zur Anzeige gebracht werden, wobei oft ein Dvnamikumfang weit über 4o db zu verarbeiten ist.

So wird z.B. in der Werkstoffprüfung mit Ultraschallimpulsen der empfangene Ultraschallimpuls mit einem elektroakustischen Wandler in einen Spannungsimpuls umgewandelt, dieser Spannungsimpuls (Signalspannung) wird verstärkt und seine Amplitude zur Anzeige gebracht und ausgewertet. In vielen Fällen erfolgt die Anzeige auf einem Kathodenstrahl-Oszilloskop, so daß man die Impulslaufzeit und die Amplitude für die Auswertung bzw. Befundbildung zur Verfügung hat.

Es ist bekannt, die Spannungsimpulse (Signalspannung) linear oder nichtlinear, insbesonders logarithmisch, zu verstärken (J.u.H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 3. Auflage, Springer Verlag 1975, S. 2o4 ff.).

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Bei der Verstärkung mit linearer Verstärkerkennlinie wird eine dem Schalldruck proportionale Signalspannung so verstärkt, daß zwischen verstärkter Spannung u„ und zu verstärkender Spannung U₁ immer ein konstanter Quotient, der Verstärkungsfaktor

der den Anstieg der linearen Verstärkerkennlinie darstellt, vorhanden ist.

Nachteilig hierbei ist der geringe, ausnutzbare Dynamikbereich j also das Verhältnis der größten zur kleinsten anzuzeigenden Amplitude der Signalspannung.

Bei der Verstärkung mit logarithmischer Verstärkerkennlinie wird die verstärkte Spannung u_? mit steigender, zu verstärkender Spannung U₁ unterproportional verstärkt. Es gilt allgemein

U₂ = C₁Ig U₁ + C₂

Man kann diese logarithmischen Verstärker so aufbauen, daß ihre Ausgangsspannung U₂ dem dB-Maß entspricht, dann gilt

Up = 2o log U₁ + c.

Der Vorteil der logarithmischen Verstärker ist ein großer ausnutzbarer Dynamikbereich und die Anzeige der Spannungsamplituden im dB-Maß.

Für viele Anwendungsgebiete, so in der Werkstoffprüfung mit Ultraschallimpulsen, hat der logarithmische Verstärker den Nachteil, daß kleine Signalspannungen,die von Störeinflüssen oder von kleinen, nicht zu bewertenden Reflektoren herrühren, gegenüber den zu bewertenden höheren Signalspannungen überbetont angezeigt werden. Liefert z.B. ein elektroakustischer Wandler eine schalldruckproportionale Spannung zwischen o,o5 Volt und 5 Volt, entsprechend Ao dB Dynamikumfang, so würde bei einer Einteilung der Ordinate des Kathodenstrahl-

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Oszilloskops in 5 Skalenteile, der 5 Volt-Wert dem 5. Skalenteil entsprechen und der o,o5 Volt-Wert würde bei ο dB entsprechend ο Skalenteilen angezeigt werden. Ist bei der Auswertung der Bereich von 2o dB bis Ao dB; also entsprechend o,5 Volt bis 5 Volt besonders wichtig, stünden für diesen Bereich nur 5o% der Ordinatenhöhe zur Verfügung, und die weniger wichtigen Impulshöhen von ο - 2o dB, entsprechend o,o5 Volt bis o,5 Volt, würden die anderen 5o% der Ordinatenhöhe beanspruchen.

Zur Unterdrückung niedriger Signalspannungen ist ferner bekannt, den Verstärker so auszulegen, daß nur Eingangsspannungen, die eine Schwellenspannung überschreiten, verstärkt werden (J.u.H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 3. Auflage, Springer Verlag 1975, S. 2o9). Dieses Verfahren hat aber den wesentlichen Nachteil, daß sämtliche Informationen aus der Signalspannung,die den Schwellenwert nicht überschreitet, vollständig verlorengehen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das den Dynamikbereich für niedrige Spannungsimpulse komprimiert und für hohe Spannungsimpulse dilatiert, ohne daß ein kontinuierlicher Übergang entsteht, wobei die Vorteile der nichtlinearen, insbesondere logarithmischen, Verstärkung erhalten bleiben sollen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kennzeichen der Patentansprüche gelöst..

Mit den Figuren 1-4 soll das Verfahren beschrieben werden. Es bedeutet:

Fig.1a bis 1c Diagramme von Kennlinien zum vorgeschlagenen Verfahren

Fig.2 Beispiel einer Prüfanordnung und einer Schaltungsauslegung zum vorgeschlagenen Verfahren.

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Fig.3 Diagramm zur Arbeitspunktverschiebung der beispielsweise vorgeschlagenen Schaltung.

Fig.A Ein weiteres Schaltungsbeispiel zur Realisation des Verfahrens.

Das in einem Werkstück W erzeugte Ultraschallsignal wird nach Fig.2 von einem elektroakustischen Wandler 9 empfangen, das heißt, das Schalldrucksignal wird in ein elektrisches Spannungssignal u.. umgewandelt, ggfs. über ein z.B. in dB-Stufen geteiltes Stellglied 1o. Die Signalspannung U₁ wird dem Verstärker 8, mit logarithmischer Kennlinie zugeführt; ist, wie im Beispiel zum Stand der Technik, der Dynamikbereich Ao dB groß, würden be.i der Anzeige der Signalspannung mit einem Kathodenstrahl-Oszilloskop 11, für je 2o dB von der Ordinatenhöhe 5o% beansprucht werden. Wird nun erfindungsgemäß zwischen dem Verstärker 8 und dem Kathodenstrahl-Oszilloskop 11 ein Verstärker 6 mit 2 verschiedenen, in einem Arbeitspunkt stetig übergehenden Kennlinien geschaltet, der bis zu einer Übergangsspannung A (Fig. 1a) eine geringe Verstärkung V₁ = tamx... = o,A mit der Kennlinie 1 und ab der Übergangsspannung eine höhere Verstärkung V~ = tanoCp = 1 ,6 mit der Kennlinie 2 hat und liegt die Übergangsspannung bei 5o% der Aussteuergrenze von z.B. Volt, so werden sämtliche Signale von ο - 2o dB also bis 2,5 V hinter dem logarithmischen Verstärker auf den Skalenteilen ο - 1 der Ordinate des Kathodenstrahl-Oszilloskopes und die Signale von 2o dB - Ao dB, auf den Skalenteilen 2 bis 5 abgebildet. Für Signalspannungen von ο - 2o dB werden also nur 2o% der Skala beansprucht und für Signalspannungen von 2o - Ao dB stehen 8o% der Skala zur Verfügung.

Es ist nur eine Anpassungsfrage an die praktischen Notwendigkeiten, wie hoch die Übergangsspannung gelegt wird. Sollen wie in Fig.1b dargestellt, ο - 5o dB abgebildet werden, wobei ο dB auf ein Skalenteil der Ordinate komprimiert und 3o - 5o dB auf 1 - 5 Skalenteile auseinandergezogen werden soll, so muß die Übergangsspannung mit 3 Volt festgelegt werden und die Verstärkerkennlinien, die nicht unbedingt linear sein müssen,

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entsprechend gewählt werden. Hier also eine erste Kennlinie mit dem Verstärkungsfaktor

V, = tanoL " = ■=? ^unc· eine zweite mit la 1a 3

V_2a = tan<x_2a = 2.

Die beiden Verstärkerkennlinien sind dann 1a und 2a.

Man kann das Verfahren auch dahingehend erweitern, daß ein weiterer Übergang in eine weitere Kennlinie durch eine zweite Übergangsspannung, wie nach Fig.1c (hier ist als Kennlinie 1b eine nichtlineare Kennlinie dargestellt) festgelegt wird. In einer Modifikation kann das Verfahren auch so ausgelegt werden, daß die Übergangsspannungen so vorbestimmt werden, daß damit auch Bewertungskriterien festlegbar sind; z.B. eine erste Übergangsspannung 4 (Fig.1c) bis zu der stark komprimiert (Kennlinie 1b) die Signale aus der Materialstruktur (Kornrauschen) abgebildet werden, dann zwischen dieser Übergangsspannung und einer zweiten 5, (Kennlinie 2b) die Signalamplituden für eine untergeordnete Klasse fallen und die Signalamplituden, die z.B. als Fehler zu klassifizieren sind und für deren Dynamik ein großer Skalenbereich auf dem Kathodenstrahl-Oszilloskop beansprucht wird, über eine dritte Kennlinie 3b abgebildet werden. Die Figur 1c beinhaltet auch eine solche Ausgestaltung. Für den ersten Bereich des Kornrauschens stehen in diesem Beispiel die Skalenteile ο - ο,25 entsprechend ο dB - 1 ο dB zur Verfügung, für untergeordnete Anzeigen die Skalenteile ο,25 - 2 entsprechend 1o dB - 3o dB und für die wesentlichen Anzeigen von 3o dB - 5o dB die Skalenteile 2-5.

Eine beispielhafte Schaltungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens ist ebenfalls in Figur 2 als Block 6 beschrieben.

Am Eingang 13 liegt die vom logarithmischen Verstärker 8 abgegebene Signalspannung u~ an.Der Oparationsverstärker 7 erzeugt eine Grundverstärkung, die durch die Gegenkopplungsglie-

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der R₁, R-, R₃ und R^, wobei R₃ und R, einen Parallelzweig zu Rp bilden, gegeben ist und die Gesamtverstärkung des Operationsverstärkers auf den Verstärkungsfaktor V₁ herabsetzen. Mit dem Potentiometer R,- im Block 15 wird eine Spannungsschwelle 4 (Fig. 1a-1c) an der Basis des Transistors eingestellt, so daß die Kollektor-Emitterstrecke gesperrt ist. Die Ausgangsspannung u^ des Operationsverstärkers liegt über dem Widerstand R₁- und der Diode D, ebenfalls an der Basis des Transistors, überschreitet die Ausgangsspannung u., des gegengekoppelten Operationsverstärkers die Spannungsschwelle an der Basis des Schalttransistors, wird die Kollektor-Emitterstrecke leitend, wodurch der Gegenkopplungszweig aus R^ und R, unwirksam wird und die Gegenkopplung nur noch von den Widerständen R„ und R₁ bestimmt ist und der Verstärkungsfaktor von dem Wert V₁ auf einen Wert V_p ansteigt. Durch einen weiteren Schalttransistor wird gleichzeitig das Potential am Punkt 12 des Operationsverstärkers 7 derart verschoben, daß der Schnittpunkt der beiden Kennlinien auf den gewünschten Punkt im Kennlinienfeld (Fig.3) festgelegt wird. Würde der Punkt 12 nicht eine vorbestimmte Potentialverschiebung erhalten, so würde beim Durchschalten des Transistors 17 zwar eine steilere Kennlinie entstehen, die aber bei irgendeinem Spannungswert (z.B. ο Voxt) in die Abszisse mündet (Kennlinie 2c der Figur 3). Es ist aber erforderlich, daß beide Kennlinien sich im Punkt 4 schneiden. Aus diesem Grunde muß beim Durchschalten des Transistors 17 gleichzeitig eine vorbestimmte Potentialverschiebung Δυ am Punkt 12 erfolgen, wodurch die Kennlinie 2c parallel derart verschoben wird, daß sie als Kennlinie 2 die Kennlinie 1 im Punkt 4 schneidet.

Diese Vorrichtung kann durch mehrere, parallel geschaltete Anordnungen entsprechend Block 15, für die jeweils andere Spannungsschwellen 5 eingestellt werden, und die die Gesamtverstärkung des gegengekoppelten Operationsverstärkers stufenweise erhöhen, erweitert werden. Eine solche weitere parallel geschaltete Anordnung ist als Block 16 symbolisch angegeben.

- 1o -

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- 1ο -

In einer anderen Schaltungsanordnung entsprechend Fig.4 werden mindestens zwei Verstärker 18a und 18b parallel geschaltet, wobei der Verstärker 18a die Kennlinie 1 (Fig.1a) festlegt und von einer Übergangsspannung 4 , die z.B. durch eine Diodenanordnung 19 festgelegt sein kann, wird von dieser Übergangsspannung an ein zweiter Verstärker 18b mit höherer Verstärkung zugeschaltet und die Ausgänge beider Verstärker werden addiert, z.B. in einem Netzwerk 2o, so daß aus dem Punkt der Übergangsspannung 4 eine steilere Kennlinie austritt. Die erforderliche Übergangsspannung kann z.B. durch eine Zenerdiode oder eine Diodenkette 19 (ggfs. einstellbar) erzeugt werden.

In den Beispielen wurde als Verstärker 8 ein Verstärker mit logarithmischer Kennlinie, wie er neuerdings in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschallimpulsen verwendet wird, angeführt. Aber auch bei einem linearen Verstärker 8 ist dieses Verfahren sinnvoll anzuwenden. Sollen z.B. linear abhängige Spannungsamplituden von ο bis 5 Volt zur Anzeige oder Abbildung kommen, wobei der Spannungsbereich von ο bis 3 Volt auf 1 Skalenteil komprimiert und der Spannungsbereich von 3 Volt bis 5 Volt auf die Skalenteile 1 bis 5 dilatiert werden soll, so ist bei einem Aussteuerbereich von 5 Volt die Übergangsspannung von 3 Volt einzustellen. Die Kennlinie 1 müßte dann einen Anstieg von tanoc. = 1/3 und die Kennlinie 2 einen von tan/X- = ² haben.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und den Schaltungsvorschlägen ist es möglich, kleine Spannungsamplituden bzw. kleine Spannungsimpulsanzeigen, die insbesondere bei der logarithmischen Verstärkung überbetont in Erscheinung treten, auf ein den praktischen Gegebenheiten entsprechendes Maß zu komprimieren und die größeren Spannungsamplituden für eine größere Skalenlänge zu dekomprimieren oder zu dilatieren.

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Leerseite

Claims

Krautkrämer GmbH 11. September 1979

Luxemburger Str. 449 Kw/bdl

5ooo Köln 41 K-122

Patentansprüche

1J Verfahren zur signalspannungsabhängigen Veränderung des Verstärkungsfaktors eines elektronischen Verstärkers, der entweder eine lineare oder zur Erfassung eines größeren Dynamikbereiches eine nichtlineare Kennlinie besitzt, zur Kompression oder Dilatation von Anzeigeoder Meßwerten innerhalb eines vorgegebenen Anzeigeoder Dynamikbereiches, dadurch gekennzeichnet , daß die von einem Verstärker (8) an sich bekannter Ausführungsform entnommenen Spannungsamplituden (u_?) einer Verstärkeranordnung (6) zugeführt werden, die mindestens zwei verschiedene Verstärkerkennlinien (1,2) aufweist, die sich derart aneinander anschließen, daß sie bei mindestens einer vorgegebenen Übergangsspannung (4) einen stetigen aber nicht kontinuierlichen Übergang besitzen und Spannungsamplituden (u-,) zur Anzeige oder Messung gebildet werden, die in Teilbereichen der eingegebenen Spannungsamplituden (u„) ein unterschiedliches Anzeigeoder Dynamikverhalten aufweisen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kennlinien (1,2) lineare Kennlinien sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Kennlinie (1) eine nichtlineare, insbesondere logarithmische Kennlinie und eine zweite Kennlinie (2) eine lineare Kennlinie ist.

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Schaltungsausführung zum Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster (R„) und mindestens ein zweiter (R^, R,) Gegenkopplungskanal parallel zu einem Operationsverstärker (7) geschaltet sind und eine erste Verstärkerkennlinie (1) festlegen,

daß oberhalb einer vorwählbaren Spannungsschwelle (4) der zweite Gegenkopplungskanal (R^, Ra) unwirksam wird und eine zweite Verstärkerkennlinie (2) festgelegt ist,

daß das Abschalten des zweiten Gegenkopplungskanals durch einen elektronischen Schalter (17) erfolgt,

daß mit dem Abschalten des zweiten Gegenkopplungskanals an den Eingang (12) des Operationsverstärkers (7) mit einem elektronischen Schalter (18) eine Vorspannung angelegt wird, die so bemessen ist, daß die zweite Verstärkerkennlinie (2) den Punkt der Übergangsspannung (4) schneidet.

Schaltungsausführung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein oder mehrere weitere Gegenkopplungskanäle (16) parallel zu dem vorhandenen (15) geschaltet sind, die oberhalb von vorwählbaren, aber jedoch jeweils höher gelegten, Übergangsspannungen (5) wirksam werden und weitere Verstärkerkennlinien (3b) herstellen.

Schaltungsausführung nach Anspruch 3 zum Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungskanäle (R₁, R-, R^, R-) durch ohmsche Widerstände gebildet werden und lineare Verstärkerkennlinien erzeugen.

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Schaltungsausführung zum Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Verstärker (18a, 18b) mit unterschiedlichen Verstärkerkennlinien parallel geschaltet werden,

daß die Ansprechschwellen der Verstärker bei unterschiedlichen Spannungswerten liegen,

daß die Ausgangsspannungen der Verstärker in einem Netzwerk oder dergl. (2o) addiert werden.

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