Logarithmischer Verstärker
Ultraschallsignale aufbereiten
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Verstärker im Vergleich
Der logarithmische Verstärker erspart es dem Anwender, den Faktor, um den das Ultraschallsignal im AFE verstärkt wird, manuell zu konfigurieren. Bei der Auswahl eines logarithmischen Verstärkers sind jedoch einige Restriktionen zu beachten. In der Tabelle sind die Vor- und Nachteile von logarithmischen Verstärkern gegenüber solchen mit zeitlich variabler Verstärkung gegenübergestellt.
Jobangebote+ passend zum Thema
Um zu demonstrieren, wie sich die Einstellung des Achsenabschnitts und der Steilheit eines logarithmischen Verstärkers auswirkt, sei der folgende Fall für ein festgelegtes Objekt in konstanter Distanz betrachtet. Wenn die Steilheit des logarithmischen Verstärkers zunimmt, wachsen auch das Rauschen und die maximale Amplitude. Kommt es auf die Leistungsfähigkeit auf kurzer Distanz an, ist die Steilheit zu minimieren. Wenn dagegen die Leistungsfähigkeit über größere Entfernungen zählt, muss die Steilheit maximiert werden. Bild 11 gibt die Ausgangsspannung UOUT für verschiedene Steilheiten beim TUSS44x0 wieder.
Wird der Achsenabschnitt des logarithmischen Verstärkers vergrößert, steigen das Rauschen und die Amplitude. Kommt es auf die Leistungsfähigkeit bei kurzen Entfernungen an, ist ein maximaler Achsenabschnitt von Vorteil, während der Achsenabschnitt zu minimieren ist, wenn die Performance über große Distanzen Priorität hat. Bild 12 zeigt UOUT für verschiedene Achsenabschnitte Kx.
Um die Leistungsunterschiede zwischen einem Ultraschall-AFE mit logarithmischer und einem solchen mit linearer Charakteristik zu demonstrieren, folgt nun eine Gegenüberstellung der beiden Varianten bei gleichen Treibern, Analog-Digital-Wandlern, Zielobjekten und Entfernungen. Um einen stabilen Mittelwert zu erhalten, gibt jede Datenreihe das Resultat von zehn aufeinanderfolgenden Messzyklen wieder.
- Konstante Verstärkung bei großer Entfernung:
Die Diagramme in Bild 13 entstanden unter den folgenden Testbedingungen: 80-kHz-Wandler, luftgekoppelt, 75-mm-Stab und 40 × 40 cm2 großes Stahlblech in Distanzen von 4 m, 5 m und 6 m. Fazit: Der TUSS4470 kann mit beiden Objekten und über alle Entfernungen ein nicht sättigendes Ergebnis liefern, während der PGA460 entweder bei der Amplitude des Blech-Ziels sättigt oder bei dem Stab in großer Entfernung keinen hinreichenden SNR erzielt. Bei der Messung des Stabs in 6 m Entfernung erlaubt der TUSS4470 eine klare Unterscheidung zwischen der Amplitude des Objekts und dem Grundrauschen, während im Fall des PGA460 das Grundrauschen nahezu das Niveau der Maximalamplitude des Objekts erreicht.
- Zeitlich variierende Verstärkung:
Die Diagramme in Bild 14 entstanden unter den folgenden Testbedingungen: 310-kHz-Wandler, luftgekoppelt mit einem 27-mm-Stab und einem 10 cm × 10 cm großen Stahlblech als Ziele in Entfernungen von 10 cm, 20 cm und 30 cm. Fazit: Die zeitlich variierende Verstärkung des PGA460 skaliert die Amplitude des Objekts, wodurch sich aber auch die Rauschamplitude verändert. Bei der Messung des Stabs in 20 cm Entfernung ist die Amplitude des Objekts weder bei 70 dB noch bei 78 dB detektierbar. Weil das Sichtfeld des Wandlers sehr eng und der Radarquerschnitt des Stabs klein ist, muss im Fall des PGA460 der Stab mit geringer Winkelabweichung nach vorn gerichtet sein, um gerade noch detektierbar zu sein – auch wenn die Entfernung nur 10 cm beträgt. Der TUSS4470 ist dagegen wesentlich unempfindlicher gegen SNR-Verluste oder Fehler, die durch den Wandler oder eine Winkelabweichung von der nach vorn gerichteten Referenz entstehen.
- Feste Verstärkung bei hoher Frequenz:
Die Diagramme in Bild 15 entstanden unter den folgenden Prüfbedingungen generiert: 1-MHz-Wandler, flüssigkeitsgekoppelt, Wasserstand als Ziel in 30 mm, 67 mm und 106 mm Distanz vom Behälterboden. Fazit: Der TUSS4470 kann mit Wandlern bis zu 1 MHz eingesetzt werden. Um eine zu TDC1000 vergleichbare Abklingzeit (Decay Time) zu erreichen, wird ein Dämpfungswiderstand parallel zum Wandler geschaltet, um den Wandler in der Abklingphase nach dem Burst zu dämpfen. Durch Bedämpfen des abklingenden Signals verkürzt sich die Abklingphase, sodass Messungen über sehr kurze Distanzen mit einem niedrigeren Schwellenwert möglich sind (wie bei der 30-mm-Füllstandsmessung).
- Ultraschallsignale aufbereiten
- Steilheit und Achsenabschnitt
- Verstärker im Vergleich
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Trennverstärker
Spannungen in Antrieben isoliert erfassen
Operationsverstärker
OPVs für batteriebetriebene IIoT-Anwendungen
Eingänge mit Transimpedanzverstärker
Maximale Dynamik und Auflösung
Präzise Messwerterfassung
Was beim Einsatz von ADUs mit hoher Auflösung zu beachten ist
Differenzverstärker mit festem V
Wie die Verstärkung erhöhen?
Analoge Schaltungspraxis
Stromrückgekoppelte Operationsverstärker stabil halten
