ФОРМИРОВАТЕЛЬ ПОСЫЛАЕМОГО СИГНАЛА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОСЫЛАЕМОГО СИГНАЛА
TRANSMISSION SIGNAL FORMER (VERSIONS) AND METHOD OF FORMING TRANSMISSION SIGNAL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к формирователю посылаемого сигнала, в частности посылаемого сигнала для ультразвукового датчика. Кроме того, изобретение относится к способу формирования посылаемого сигнала.
Уровень техники
Проблематика, положенная в основу изобретения, поясняется на примере задающего каскада для ультразвукового датчика. На фиг.1 показан ультразвуковой преобразователь 1, который через трансформатор 2 связан с устройством 3 управления. Электропитание 4 и передача данных осуществляются через контакты 5. Устройство 3 управления включает в себя процессорный блок 6, управляющий излучением и приемом ультразвуковых сигналов. Регулятор 7 напряжения стабилизирует напряжение питания. Генератор 8 выдает первичный тактовый сигнал, например 1 МГц. Процессорный блок 6 на основании первичного тактового сигнала генерирует тактовый сигнал с частотой возбуждения для ультразвукового преобразователя 1, например частотой 50 Гц. Тактовый сигнал обычно генерируется длительностью 300 мкс для ультразвукового импульса, т.е. по 15 полупериодов длительностью 10 мкс тактового сигнала 50 Гц. По тактовому сигналу осуществляется включение или переключение двух переключающих транзисторов задающего каскада 9.
Устройство управления 3 с процессором 6, регулятором напряжения 7, генератором 8 и задающим каскадом 9 может быть выполнено, например, в виде специализированной интегральной схемы (ASIC).
Задающий каскад 9 более подробно представлен на фиг.2. В линии 10, 11 в ритме тактового сигнала попеременно подаются половины периода тактового сигнала. Два полевых транзистора 12,13 попеременно размыкают две цепи тока 14, 15. Обе цепи тока связаны с концами 16, 17 первичной обмотки трансформатора 2.
Источник 18 тока, включенный последовательно с полевыми транзисторами 12, 13, ограничивает электрический ток. Источник 18 тока соединяет полевые транзисторы 12, 13 с потенциалом массы устройства 3 управления. Источник 18 тока калибруют в процессе изготовления таким образом, чтобы получить заданную выходную мощность ультразвукового преобразователя 1.
Отвод от средней точки первичной обмотки трансформатора 2 получает питание от регулятора 7 напряжения.
Раскрытие изобретения
Первым объектом изобретения является формирователь посылаемого сигнала, подаваемого на трансформатор, который имеет на первичной стороне симметричные точки подключения питания и отвод от средней точки. Формирователь включает в себя контакт для ввода фактического сигнала как меры тока, проходящего через отвод от средней точки трансформатора, схему вычитания для генерирования разностного (дифференциального) сигнала в зависимости от фактического сигнала и заданного сигнала, мультиплексор, выполненный с возможностью передачи разностного сигнала для различных подпериодов посылаемого сигнала на свои разные выходы. На каждый выход мультиплексора предусмотрено по одному управляемому токовому стоку, управляющий вход которого связан с соответствующим выходом мультиплексора для преобразования разностного сигнала в токовый сигнал. На каждый управляемый токовый сток предусмотрено по одному контакту, который служит для выдачи токовых сигналов на управляющие входы управляемых по току источников тока, основные цепи тока которых связаны с соответствующими симметричными точками подключения питания трансформатора.
Вторым объектом изобретения является формирователь посылаемого сигнала. Трансформатор имеет на первичной стороне симметричные точки подключения питания и отвод от средней точки. Измерительное устройство связано с отводом от средней точки для определения фактического сигнала как меры тока, проходящего через отвод от средней точки. Схема вычитания служит для генерирования разностного (дифференциального) сигнала в зависимости от фактического сигнала и заданного сигнала. Мультиплексор выполнен с возможностью передачи разностного сигнала для различных подпериодов посылаемого сигнала на свои разные выходы. На каждый выход мультиплексора предусмотрено по одному управляемому источнику тока, управляющий вход которого связан с соответствующим выходом мультиплексора для преобразования разностного сигнала в посылаемый токовый сигнал, причем главные цепи тока управляемых источников тока связаны с соответствующими симметричными точками подключения питания для подачи посылаемого токового сигнала в трансформатор.
Третьим объектом изобретения является способ формирования посылаемого сигнала, включающий преобразование посылаемого сигнала в ток первичной стороной трансформатора. Ток попеременно синхронно с подпериодами посылаемого сигнала пропускают от одной из по меньшей мере двух точек подключения питания первичной стороны трансформатора к отводу от средней точки первичной стороны. Регулируют амплитуду тока, для чего в отводе от средней точки первичной стороны трансформатора снимают фактический сигнал как меру проходящего тока, в зависимости от фактического сигнала и заданного сигнала генерируют разностный (дифференциальный) сигнал и посредством разностного сигнала синхронно с подпериодами посылаемого сигнала управляют попеременно по меньшей мере двумя управляемыми источниками тока, каждый из которых связан с одной из точек подключения питания первичной стороны трансформатора, таким образом, чтобы ток от источников тока подавался на одну из точек подключения питания первичной стороны трансформатора.
Предлагаемый в изобретении формирователь вместе с предусмотренным для него трансформатором образует контур регулирования. Это гарантирует, что поступающие в трансформатор токовые сигналы соответствуют заданному значению. Кроме того, при необходимости в цепь между формирователем и трансформатором можно включать другие внешние источники питания. Эти дополнительные источники питания благодаря обратной связи через контур регулирования не нуждаются в настройке или согласовании.
Краткое описание чертежей
Ниже настоящее изобретение поясняется на предпочтительных вариантах его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - ультразвуковой датчик,
на фиг.2 - задающий каскад ультразвукового датчика,
на фиг.3 - вариант исполнения задающего каскада,
на фиг.4 - другой вариант исполнения задающего каскада.
Осуществление изобретения
На фиг.3 показан первый вариант исполнения задающего каскада 20. Задающий каскад 20 подключен к первичной стороне трансформатора 21. Вторичная сторона трансформатора 21 может быть подключена, например, к ультразвуковому преобразователю 22 или к другой нагрузке.
Используемый трансформатор 21 имеет на первичной стороне две симметрично расположенных точки 23, 24 подключения питания. Точками 23, 24 подключения питания обычно являются концы первичной обмотки трансформатора 21. Кроме того, трансформатор 21 имеет на первичной стороне отвод 25 от средней точки. Отвод от средней точки может разделять первичную обмотку на два одинаковых участка до точек 23, 24 подключения питания.
Электрический ток может проходить в первичной обмотке между одной из точек 23, 24 подключения питания и отводом от средней точки.
Задающий каскад 20 имеет три контакта 81, 82, 83, соединяемых соответственно с точками 23, 24 подключения питания и с отводом 25 от средней точки.
На контакт 82 поступает фактический сигнал 26. Фактический сигнал 26 является мерой тока, проходящего через половину первичной обмотки, т.е. между одной точкой 23 подключения питания и отводом 25 от средней точки или другой точкой 24 подключения питания и отводом 25 от средней точки. В одном из вариантов осуществления изобретения отвод 25 от средней точки соединяется с заданным потенциалом, например массой, измерительным резистором (на схеме не показан). Падение напряжения на измерительном резисторе поступает на контакт 82 в виде фактического сигнала 26. В другом варианте исполнения измерительный резистор может также быть встроен в задающий каскад 20, и ток будет проходить из отвода 25 от средней точки через контакт 82 в задающий каскад 20.
Фактический сигнал 26 посредством схемы 27 вычитания сравнивается с заданным сигналом 28. Схема 27 вычитания генерирует на основании заданного сигнала 28 и фактического сигнала 26 разностный сигнал 30. Заданный сигнал 28 формируется источником 29 опорных сигналов. Источник 29 опорных сигналов может быть источником постоянного напряжения. Постоянное напряжение не равно потенциалу массы. Источник 29 опорных сигналов также может быть генератором сигналов, выдающим тактовый сигнал заданной амплитуды и длительности. Амплитуда и длительность заданного сигнала 28 могут определять уровень и длительность посылаемого ультразвукового импульса.
Схема 27 вычитания связана с мультиплексором 31, поэтому разностный сигнал 30 поступает на мультиплексор 31. Управляющий вход мультиплексора 31 связан с генератором 32 сигналов. Реагируя на посылаемый сигнал 33 генератора 32 сигналов, мультиплексор 31 попеременно соединяет свой вход 34 с одним из двух своих выходов 35, 36. Мультиплексор 31 может переключать разностный сигнал 29 во время первого подпериода посылаемого сигнала 33 на первый выход 35, а во время второго подпериода посылаемого сигнала 33 - на второй выход 36.
Посылаемый сигнал 33 в одном из вариантов имеет частоту, подходящую для возбуждения ультразвукового преобразователя. Частоты могут находиться, например, в диапазоне от 20 до 100 кГц. Период посылаемого сигнала 33 может иметь коэффициент заполнения 50%, т.е. оба подпериода имеют одинаковую длительность. В других вариантах или случаях применения оба подпериода могут иметь различную длительность. Форма посылаемого сигнала 33 может быть прямоугольной, треугольной, пилообразной, синусоидальной и т.д.
Генератором 32 сигналов может быть внешний источник. В этом случае задающий каскад 20 имеет дополнительный контакт для подачи посылаемого сигнала 33.
Каждый из выходов 35, 36 мультиплексора 31 связан с соответствующим управляемым источником 37, 38 тока. Источники 37, 38 тока преобразуют разностный сигнал 30 в посылаемый токовый сигнал 39, 40. Посылаемый токовый сигнал 39, 40 подается на выходы 81, 83 задающего каскада 20. Выходы 81, 83 связаны с точками 23, 24 подключения питания трансформатора 21.
В зависимости от подпериода посылаемого сигнала 33 посылаемый токовый сигнал 39, 40 проходит через ту или иную половину первичной обмотки трансформатора 21 от точки 23, 24 подключения питания к отводу от средней точки. Таким образом период посылаемого сигнала 33 передается на трансформатор 21. Генератор 32 сигналов тем самым задает частоту возбуждения излучаемого ультразвукового сигнала в случае, если нагрузкой 22 на вторичной стороне трансформатора 21 является ультразвуковой преобразователь.
Сила, а в некоторых случаях - и длительность импульса электрического тока регулируется разностным сигналом 30, значение которого находится в линейной зависимости от электрического тока посылаемых токовых сигналов 39, 40. Потенциал на отводе 25 от средней точки при этом устанавливается равным потенциалы заданного сигнала 28.
Фактический сигнал 26 является мерой электрического тока, проходящего через отвод 25 от средней точки в измерительное устройство, например измерительный резистор. Амплитуда фактического сигнала 26 в принципе не зависит от того, по какой половине первичной обмотки трансформатора 21 проходит ток. Поэтому амплитуда 21 не изменяется от нуля до максимального значения за такт подпериодов посылаемого сигнала 33. Вариация амплитуды 21 фактического сигнала 26 определяется только отклонениями параметров компонентов по существу симметричной схемы, например электрическим сопротивлением двух половин первичной обмотки, характеристиками источников 37, 38 тока или других внешних схемотехнических компонентов. Эти колебания составляют лишь несколько процентов от средней амплитуды фактического сигнала 26. Соответствующим образом может быть рассчитан усилитель контура регулирования.
Если необходимо регистрировать сигналы со вторичной стороны трансформатора 21 (режим приема), заданный сигнал 28 может быть приложен к потенциалу массы задающего каскада 20.
Управляемый источник 37, 38 тока может быть объединен как единое целое с мультиплексором и схемой вычитания в виде одной детали одного компонента. Такой компонент может быть изготовлен на основе КМОП-технологии. В одном из вариантов осуществления изобретения задающий каскад 20 реализован в виде специализированной интегральной схемы (ASIC). В других вариантах управляемый источник 37, 38 тока может быть разбит на несколько компонентов. Отдельные компоненты могут быть выполнены как внешние по отношению к специализированной интегральной схеме компоненты.
На фиг.4 показан еще один вариант исполнения задающего каскада 40. Задающий каскад 40 связан с трансформатором 41. Трансформатор 41 имеет две симметрично расположенных точки 42, 43 подключения питания в первичной обмотке. Далее отвод 44 от средней точки делит первичную обмотку на два одинаковых участка.
Отвод 44 от средней точки через измерительный резистор 45 связан с потенциалом 46 массы задающего каскада 40. Падение напряжения на измерительном резисторе 45 создает фактический сигнал 47. Падение напряжения пропорционально электрическому току, проходящему от точки 42, 43 подключения питания к отводу 44 от средней очки. Фактический сигнал 47 поступает на контакт 84 задающего каскада 40.
В схему 48 вычитания подаются фактический сигнал 47 и заданный сигнал 49. Заданный сигнал 49 формируется источником 50 опорного напряжения. Заданным сигналом 49 может быть сигнал постоянного напряжения или тактовый сигнал заданной амплитуды и длительности. Схема 48 вычитания генерирует на основании фактического сигнала 47 и заданного сигнала 49 разностный сигнал 51.
Схема 48 вычитания связана с мультиплексором 52. Мультиплексор 52 имеет два коммутатора 53, 54, которые в противофазе пропускают разностный сигнал 51. Такт для обоих коммутаторов 53, 54 задает посылаемый сигнал 70 от генератора 55 сигналов. В одном подпериоде посылаемого сигнала 70 на пропускание включен один коммутатор 53, а в другом подпериоде - другой коммутатор 54.
Каждый из выходов 71, 72 коммутаторов 53, 54 связан с затвором соответствующего полевого транзистора 56, 57. Исток полевых транзисторов связан с потенциалом 46 массы задающего каскада 40. Сток связан с базой последующих биполярных транзисторов. Полевые транзисторы 56, 57 расположены "на нижней стороне". Под "нижней стороной" следует понимать, что главная цепь тока полевых транзисторов 56, 57 включена между нагрузкой и массой.
Полевые транзисторы 56, 57 образуют управляемый по напряжению токовый сток, причем ток задан разностным сигналом 51. Реагируя на посылаемый сигнал от генератора 55 сигналов, токовый сигнал 59, 60 проходит попеременно через один и другой полевые транзисторы 56, 57. Ток проходит от внешнего источника, например источника 58 напряжения, в задающий каскад 40. Внешний источник может быть связан с более высоким электрическим потенциалом, чем источник напряжения питания для цепи задающего каскада 40.
Вне задающего каскада 40 предусмотрены два биполярных транзистора 61, 62. Их эмиттер связан с внешним источником 58. Коллектор связан с одной из точек 42, 43 подключения питания трансформатора 41. Таким образом, биполярные транзисторы 61, 62 расположены "на верхней стороне". Главная цепь тока биполярных транзисторов 61, 62 включена между источником питания и нагрузкой, т.е. трансформатором.
Токовый сигнал 59, 60 задающего каскада 40 через два выхода 85, 86 подается к базе внешних биполярных транзисторов 61, 62. Таким образом, полевые транзисторы 56, 57 управляют током базы биполярных транзисторов 61, 62. В противофазе токи базы обоих биполярных транзисторов 61, 62 подключаются и выключаются в ритме подпериодов посылаемого сигнала 70. Следовательно, от внешнего источника 58 по главным цепям тока биполярных транзисторов 61, 62 попеременно проходит ток - посылаемый токовый сигнал 80, 81. Этот посылаемый токовый сигнал проходит попеременно по одной и другой половинам первичной обмотки через измерительный резистор 45 на массу 46 или другой опорный потенциал.
Внешние биполярные транзисторы 61, 62 используются потому, что они обычно могут переключать большие токи, чем полевые транзисторы специализированной интегральной схемы. Мощность потерь биполярных транзисторов 61, 62 может отводиться через охладители. В зависимости от омического сопротивления трансформатора 41 и полного сопротивления транспонируемой (преобразуемой) трансформатором нагрузки, а также нужной силы тока сигнала выбирают электрический потенциал внешнего источника 58. При этом электрический потенциал внешнего источника 58 обычно превышает электрический потенциал источника питания задающего каскада 40.
Минимальное напряжение источника 58 напряжения можно рассчитать таким образом, чтобы оно было несколько больше суммы падения напряжения на биполярных транзисторах 61, 62, падения напряжения на полуобмотке первичной стороны трансформатора 41 при требуемых амплитудах посылаемых токовых сигналов 80, 81 и падения напряжения на измерительном резисторе 45. Поскольку в главной цепи тока последовательно не включены никакие другие элементы, это обеспечивает низкое минимальное напряжение.
Тем не менее потенциал фактического сигнала 47 остается ниже потенциала источника питания задающего каскада 40. Это достигается путем размещения биполярных транзисторов 61, 62 "на верхней стороне" и, следовательно, приближенного к массе расположения нагрузки и измерительного резистора 45. Измерение фактического сигнала 47 осуществляется относительно земли как постоянного опорного потенциала и не требует дифференциального выполнения. В смещении уровня в область напряжений формирователя нет необходимости.
Вместо биполярных транзисторов 61, 62 или дополнительно к ним можно использовать другие каскады усиления по току, например схемы Дарлингтона.
Внешний источник 58 может иметь регулируемое напряжение питания. Вместе с тем, рассматриваемая возбуждающая схема, или схема формирователя сигналов, позволяет использовать также нерегулируемый источник 58 напряжения.
Передача посылаемого сигнала генератора 55 сигналов осуществляется до тех пор, пока заданный сигнал 49 не установится на значение, не равное потенциалу 46 массы. Амплитуда передаваемого сигнала регулируется таким образом, чтобы фактический сигнал 47 и заданный сигнал 49 соответствовали друг другу.
Если необходимо регистрировать сигналы со вторичной стороны (стороны вторичной обмотки) трансформатора 41, заданный сигнал 49 подключают к потенциалу 46 массы. Оба биполярных транзистора 61, 62 включают последовательно в высокоомную цепь, пока амплитуда посылаемых токовых сигналов 80, 81 не упадет до нуля и от источника 58 напряжения к отводу 44 от средней точки не перестанет проходить ток. При этом перегрузка обоих биполярных транзисторов 61, 62 не происходит. В этом случае потенциал отвода 44 от средней точки соответствует потенциалу 46 массы вследствие соединения измерительным резистором 45. Благодаря этому в режиме приема первичная сторона трансформатора выводится на спокойный потенциал, и потенциальные помехи в бортовой сети, которые могли бы создавать емкостную связь выше критической на вторичной стороне трансформатора, не играют роли.
Описанные выше варианты осуществления изобретения можно комбинировать между собой.
В других вариантах предусмотрены трансформаторы, первичные обмотки которых состоят из нескольких частей, соединенных звездой с отводом от средней точки. Число подпериодов посылаемого сигнала в этом случае выбирают в соответствии с числом обмоток. Формирователь адаптируют таким образом, чтобы число выходов мультиплексора и число управляемых источников тока соответствовало числу обмоток.