• 用于換能器的操作電路和操作方法與流程

    文檔序號:18709801發布日期:2019-09-18 00:33
    用于換能器的操作電路和操作方法與流程

    本發明涉及一種用于超聲換能器(TR)的無變壓器式操作電路。



    背景技術:

    在開發用于自動駕駛的駕駛輔助系統的過程中,用于檢測環境狀況的傳感器系統尤其重要。現今,超聲傳感器已經被用于構建所謂的環境地圖。經常出現的問題在于,期望在保持低成本的同時使工作範圍最大化。過去,使用變壓器來驅動超聲換能器的壓電振蕩器。然而,出于成本原因而應當省略這種變壓器。因此,在現有技術中,換能器端子處的換能器振蕩的電壓幅值被限制至操作電壓的兩倍。其中,這裏,通過輸出驅動級的供電電源來理解操作電壓。進而,操作電壓借助電荷泵法或類似方法可以顯著超過被施加在系統的輸入端處的電壓。本發明解決了該問題。

    現有技術

    借助未要求保護的圖1來說明現有技術。圖1示意性地、簡單地示出了現有技術中的用于超聲換能器的驅動級。因爲本發明僅涉及換能器的壓電振蕩元件的驅動,所以下述內容也適用于具有壓電振蕩元件的超聲發射器。

    操作電壓Vbat通過支撐電容器Cbat來穩定,支撐電容器通常被選擇成相對較大。

    在驅動階段中,換能器TR被驅動。

    爲此,在驅動階段的第一階段中,接通第五晶體管T5。然後,換能器TR的正端子TR+在該第一階段中經由驅動器輸出電阻RDRV連接到操作電壓Vbat。同時,接通第一晶體管T1,並且接通第四晶體管T4。由此,將驅動器電容CDRV在其第一端子Cp處連接到操作電壓Vbat並且在其第二端子Cm處連接到參考電位GND。在該第一階段中,關斷第三晶體管T3和第二晶體管T2。

    在驅動階段的第二階段中,關斷第五晶體管T5和第一晶體管T1和第四晶體管T4。相反,在該第二階段中,接通第二晶體管T2和第三晶體管T3。由此,將先前被充電至操作電壓Vbat的電壓的驅動器電容CDRV在其第一端子Cp處連接到參考電位GND並且在其第二端子Cm處連接到驅動器輸出端DRV。因此,驅動器輸出端以操作電壓Vbat的電壓值的兩倍産生電壓跳變,從而低于參考電位GND的電位。

    現在,驅動階段的第一階段和第二階段優選地以由驅動器輸出電阻RDRV、換能器電容CTR和換能器TR構成的換能器電路的諧振頻率交替。由此,換能器TR的壓電振蕩元件被設置爲振蕩狀態。

    在驅動階段之後是接收階段。在此情況下,至少關斷第五晶體管T5和第三晶體管T3。因此,沒有能量被傳遞到換能器。

    圖1的電路的缺點在于,換能器在換能器正端子TR+和換能器負端子TR-處的操作電壓的最大幅值被限制至操作電壓Vbat的電壓值的兩倍。

    圖2示出了現有技術中已知的用于超聲換能器TR的等效電路圖。等效電路具有並聯電容CTRp、串聯電阻RTRs、串聯電容CTRs和串聯電感LTRs。超聲換能器經由正端子TR+和負端子TR-連接。此處,術語“正端子TR+”和“負端子TR-”僅用于更好地進行定向並且不具有物理背景。



    技術實現要素:

    因此,本發明的目的在于提供一種沒有現有技術的上述缺點並且具有其它優點的解決方案。

    技術方案

    在上述類型的操作電路中,通過在換能器TR的連接線中接入輸出電感LDRV來實現解決方案。

    在作出本發明時已經認識到,由驅動器輸出電阻RDRV、換能器電容CTR和換能器構成的三階振蕩系統操作不便,而使用四階振蕩系統雖然更加複雜,但卻更爲有利。

    如已經說明,圖1中的換能器可以通過串聯電容CTRs和串聯電感LTRs的串聯連接以及與其並聯連接的並聯電容CTRp的等效電路圖來表示。串聯電阻RTRs表示換能器TR的機械損耗和聲學輻射。爲了使超聲停車輔助裝置的工作範圍最大化,應當使串聯電阻RTRs上的電壓最大化。並聯電容CTRp通常受換能器外部的換能器電容CTR支配。因而,換能器TR具有串聯諧振和並聯諧振。串聯諧振由串聯電容CTRs和串聯電感LTRs的串聯諧振電路確定,並且在較小程度上由串聯電阻RTRs確定並由此在較小程度上由聲音輻射確定。

    現在的構思在于,通過另一個能量存儲器産生另一個極點。爲此,已經認識到,添加附加的與驅動器輸出電阻RDRV串聯連接的輸出電感LDRV是有利的。這種輸出電感LDRV與換能器電容CTR一起構成第二串聯諧振電路,其中,換能器TR的串聯諧振電路經由換能器TR的正端子TR+連接到第二串聯諧振電路的輸出端。爲了簡化,我們在此處認爲,換能器電容CTR和換能器TR的並聯電容CTRp由換能器電容CTR很好地代表。此處,在必要的情況下,術語換能器電容CTR能夠被換能器電容CTR與換能器TR的並聯電容CTRp的並聯電路代替。然而,我們在此處認爲,換能器電容CTR遠大于換能器TR的並聯電容CTRp。

    因此,輸出電感LDRV、換能器電容CTR、換能器TR的串聯電容和換能器TR的串聯電感形成四階振蕩系統。

    現在,已經認識到,取決于組件1.“輸出電感LDRV”、2.“換能器電容CTR”、3.“換能器TR的串聯電容”和4.“換能器TR的串聯電感”的選擇,四階振蕩系統可以具有三種操作情形:

    a.系統的串聯諧振電路可以次臨界耦合。

    b.系統的串聯諧振電路可以超臨界耦合。

    c.系統的串聯諧振電路可以臨界耦合。

    已經認識到,次臨界耦合對于系統不是最佳的,原因在于在這種情況下,系統的帶寬變得過大並且因此系統接收過多的噪聲。

    另外,已經認識到,超臨界耦合對于系統也不是最佳的,原因在于在工作頻率範圍中施加了阻尼並因此減小了換能器的最大振幅並且因而在此基礎上減小了基于超聲的停車輔助裝置的工作範圍。

    另外,已經認識到,臨界耦合對于系統同樣是最佳的,原因在于在這種情況下諧振電路具有最佳的帶寬。

    因此,輸出電感LDRV必須具有定義的引起這種臨界耦合情形的電感值和品質。

    因而,輸出電感LDRV的特征在于,它能夠與換能器電容CTR一起形成串聯諧振電路。因爲串聯諧振電路是四階系統,所以建議根據適當的數值近似來確定極點。

    在這種情況下,臨界耦合區域是由于各種組件的制造公差而永遠不能被精確地滿足的操作位置。因此,除了由輸出電感LDRV、換能器電容CTR加上換能器TR的並聯電容CTRp、換能器TR的串聯電容和換能器TR的串聯電感的取決于頻率的阻抗的最大值之外,換能器TR的串聯諧振的諧振頻率的偏離應當不大于3dB。換能器TR具有通常爲+/-1kHz的頻率帶寬。因此,換能器頻率應當優選地針對預期振幅的最佳值偏離不超過3dB。使用驅動器輸出電阻RDRV來設置帶寬,並且使用輸出電感LDRV來設置振蕩頻率。

    因此,提出了一種用于超聲換能器TR的操作電路,操作電路包括驅動電路,此處,驅動電路例如由支撐電容器Cbat、晶體管T1、T2、T3、T4、T5和與換能器TR並聯連接的換能器電容CTR構成。此外,驅動電路還具有第一端子GND和第二端子DRV。驅動電路具有驅動器輸出電阻RDRV。在圖1和圖3中分立地示出這種驅動器輸出電阻RDRV。然而,晶體管的寄生電阻可以對這種驅動器輸出電阻RDRV的值作出貢獻。因此,驅動器輸出電阻RDRV也能夠全部地或部分地由驅動電路在其第二輸出端DRV處的輸出電阻表示;晶體管的內部電阻(即,驅動電路的輸出電阻)也可以通過與驅動電路的第二輸出端DRV串聯連接的附加驅動器輸出電阻添加至實際的驅動器輸出電阻RDRV。因此,圖1和圖3應被理解爲簡化的符號表示,以闡明作用方式。

    電容CTR可以由存在于換能器TR中的電容形成並且不必須作爲分立元件存在于電路中。因此,圖1和圖3應被理解爲簡化的符號表示,以闡明作用方式。

    因此,換能器TR的正端子TR+連接至驅動電路的第二端子DRV,使得驅動器輸出電阻RDRV可以被有效地視爲連接在換能器TR的正端子TR+和驅動電路的第二端子DRV之間。換能器TR的負端子TR-連接至驅動電路的第一端子GND。

    現在,要求保護的是,輸出電感LDRV可以被有效地視爲與驅動器輸出電阻RDRV串聯連接在換能器TR的正端子TR+和驅動電路的第二端子DRV之間。此外,要求保護的是,輸出電感LDRV的值被設定爲使得兩個串聯諧振電路臨界耦合。因此,這意味著這些串聯諧振電路的第一諧振電路和第二諧振電路彼此臨界耦合,其中,第一諧振電路由如下部分構成:換能器TR的等效電路的串聯電感、以及換能器TR的等效電路的串聯電容;而第二諧振電路由如下部分構成:輸出電感LDRV、以及換能器電容CTR與換能器TR的等效電路的並聯電容CTRp的並聯電路。

    在上文中已經在小于+/-3dB的頻率偏離的情況下在阻抗變化方面討論了術語“臨界耦合”。如果電路位于該區域中,則該電路在本發明的意義上是臨界耦合的。

    應當特別注意的是,爲此,操作電路能夠布置成用于使換能器在其正端子TR+和其負端子TR-之間以交變電壓幅值進行操作。在驅動階段結束之後,該交變電壓幅值在衰減階段開始時相對于參考電位GND的峰峰值在數值上大于操作電壓Vbat的電壓值的兩倍,其中,衰減階段在時間上緊接著換能器TR的驅動階段。

    因此,換能器TR的優選操作電路具有容性能量存儲器CTR和感性能量存儲器LDRV,以便能夠産生這種電平。

    該操作電路對應于用于操作換能器TR的具有以下步驟的方法:

    ·設置換能器TR;

    ·將換能器TR耦合到由輸出電感LDRV和換能器電容CTR構成的串聯諧振電路的中心抽頭TR+並且將換能器TR耦合到參考電位GND,其中,串聯諧振電路(LDRV、CTR)同樣耦合到參考電位;

    ·選擇輸出電感LDRV的值和換能器電容CTR的值,使得如下的兩個串聯諧振電路之間的耦合是臨界的,這兩個串聯諧振電路中的一者是換能器TR的串聯諧振電路,其由如下部分構成:換能器TR的串聯電感、以及換能器TR的串聯電容,而另一者由如下部分構成:輸出電感LDRV、以及換能器電容CTR與換能器TR的並聯電容CTRp的並聯電路。

    ·利用交變電壓驅動這兩個耦合的串聯諧振電路,其中,用于驅動的交變電壓的峰峰電壓在至少一段時間內小于換能器TR的第一端子TR+和第二端子TR-之間的可測量交變電壓。

    優點

    通過所提供的操作電路,可以實現高于操作電壓電平的兩倍的振蕩電平,而不必須借助變壓器。然而,優點不限于此。

    附圖說明

    圖1示意性地、簡單地示出現有技術中的用于超聲換能器的驅動級。

    圖2示出現有技術中已知的用于超聲換能器的等效電路圖。

    圖3意性地、簡單地示出現有技術中的用于超聲換能器的驅動級。

    圖4示出根據本發明的超聲換能器的電壓曲線。

    圖5示出根據本發明的換能器的衰減。

    圖6示出根據本發明和現有技術的換能器的各種條件。

    具體實施方式

    圖4示出了現有技術中的超聲換能器的在換能器TR的正端子TR+和換能器TR的負端子TR-之間的電壓在所謂的突發脈沖(Burst-Pulse)期間的電壓曲線。可以清楚地看到(如何)使用方波信號激勵換能器TR的驅動階段以及隨後的衰減。

    圖5示出了與圖4的電路相同的電路中的換能器TR的衰減,但它們的不同之處在于,根據圖1和圖3之間的差異,輸出電感LDRV被接入到換能器TR的供電線路中,並且輸出電感LDRV的值被確定爲使得由換能器TR的串聯電容CTRs和串聯電感LTRs構成的串聯諧振電路與由換能器TR的輸出電感LDRV、換能器電容CTR和並聯電容CTRp構成的串聯諧振電路之間的耦合是臨界的。在記錄了這些振蕩的示例性實驗裝置中,測量出31.4V的峰峰值VSS(圖3),其顯著高于圖4的結構的12V(圖1)。使用虛線再次示出峰值的相應電壓電平。

    圖6特別好地示出了各比率。

    圖6的a示出了在沒有附加的輸出電感LDRV的情況下換能器TR的在換能器正端子TR+和換能器負端子TR-之間的電壓(虛線)以及參考電位GND。此外,圖6的a示出了在具有附加的輸出電感LDRV的情況下換能器TR的在換能器正端子TR+和換能器負端子TR-之間的電壓(實線)以及參考電位GND。

    圖6的b示出了作爲電學換能器模型(圖2)內的串聯電阻RTRs上的電壓被表示的聲學脈沖。這些是仿真曲線。再次使用虛線示出在沒有輸出電感LDRV的情況下的電平,使用實線示出在具有輸出電感LDRV的情況下的電平。在最佳比率的情況下,在沒有輸出電感LDRV的情況下的電平與在具有輸出電感LDRV的情況下的電平的比率爲1:4。

    附圖標記列表

    AMP 接收放大器;

    CAING 用于接收信號的負極的耦合電容;

    CAINS 用于接收信號的正極的耦合電容

    Cbat 用于操作電壓Vbat的支撐電容器;

    CDRV 驅動器電容;

    CEMC 輔助電容;

    Cm 右半橋(T3、T4)的輸出端;

    Cp 左半橋(T1、T2)的輸出端;

    CTR 換能器電容;

    CTRp 換能器TR的等效電路圖(圖2)中的並聯電容;

    CTRs 換能器TR的等效電路圖(圖2)中的串聯電容;

    DRV 驅動器輸出端;

    GND 參考電位;

    LDRV 用于調整由換能器電容CTR、換能器TR、歐姆輸出電阻RDRV和輸出電感LDRV構成的四階系統的臨界諧振狀況的附加輸出電感;

    LTRs 換能器TR的等效電路圖(圖2)中的串聯電感;

    RDRV 驅動器電路的設定帶寬的歐姆輸出電阻(驅動器輸出電阻);

    RTRs 換能器TR的等效電路圖(圖2)中的串聯電阻;

    SdT 現有技術;

    t 時間;

    T1 位于驅動電壓Vbat和參考電位GND之間的左半橋(T1、T2)的具有輸出端Cp的第一晶體管(高側晶體管);

    T2 左半橋(T1、T2)的第二晶體管(低側晶體管);

    T3 位于驅動器輸出DRV和參考電位GND之間的右半橋(T3、T4)的具有輸出端Cm的第三晶體管(高側晶體管);

    T4 位于驅動器輸出DRV和參考電位GND之間的右半橋(T3、T4)的具有輸出端Cm的第四晶體管(低側晶體管);

    T5 驅動器電路的第五晶體管;

    TR 換能器;

    TR- 換能器TR的與參考電位連接的負端子。僅爲說明的目的而選擇術語“負”,以便在本說明書中將本端子與其它端子(換能器正端子TR+)清楚地區分開;

    TR+ 換能器TR的經由驅動器輸出電阻RDRV和輸出電感LDRV上的驅動器輸出DRV連接的正端子。僅爲說明的目的而選擇術語“正”,以便在本說明書中將本端子與其它端子(換能器負端子TR-)清楚地區分開;

    Vbat 操作電壓;

    VSS 換能器TR的正端子TR+和換能器TR的負端子TR-之間的電壓的峰峰值。

    再多了解一些
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