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5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 5.1 Untersuchung der Synchronisation zwischen Signalerzeugung und Datenerfassung Die Zentrale Sender Einheit (ZSE) des Arrays aus Ultraschall-Sendern generiert die Pulse für die akustischen Sender. In Abbildung 5.1 ist das Signal nach der Verstärkung durch die Frontend Elektronik des Senders exemplarisch dargestellt. Der akustische Sender wird in dieser Konfiguration jede Sekunde mit einer Folge aus vier Schwingungen mit einer Frequenz von 18 kHz und einer Amplitude von ca. 40 V angesteuert. Gleichzeitig liefert sie ein differentielles Signal nach RS-422 Standard als Trigger für die Zeitsynchronisation zwischen Signalgeber und Datenerfassungssystem (DAQ) der Empfänger. Hierbei dient die fallende Flanke des Triggers als Referenzzeitpunkt für die Laufzeitmessung der DAQ. Eine mögliche elektronische Verspätung zwischen Trigger Flanke und dem Zeitpunkt des Aussenden eines Signals wirkt sich als systematischer Fehler auf die Laufzeitmessung der Ultraschallsignale aus und bedarf deshalb einer genaueren Betrachtung. Die zeitliche Variation der Flanke, der so genannte ” Jitter “, wirkt sich ebenfalls auf die Laufzeitmessung aus. Beider Größen wurden im Labor genauer untersucht. Amplitude [V] 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -3 ×10 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 Zeit [s] Abbildung 5.1: Signal zur Ansteuerung der Sender aufgezeichnet mit einem Oszilloskop. Am Oszilloskop wurde ein Offset von ca. -11 V eingestellt. 24
5 Tests des Akustischen Positionierungssystems (APS) 25 5.1.1 Aufbau und Durchführung Um die Verspätung zwischen Trigger und Aussenden eines Signals durch Verzögerungen in der Elektronik zu messen, wurde die ZSE im Labor mit der Frontend Elektronik eines Senders verbunden. Mittels zwei Messspitzen wurde der von der ZSE erzeugte Puls direkt am Ausgang der Frontend Elektronik abgegriffen. Zur Datennahme stand ein digitales Oszilloskop (Tektronix DPO 4034) zur Verfügung. Das Oszilloskop kann über das lokale Netzwerk angesteuert und ausgelesen werden [13]. Die ZSE liefert ein 1 Puls Pro Sekunde (PPS) Signal zur Synchronisation mit der APS-DAQ. Dieses differentielle Signal wird von der SVuEnt Platine in ein TTL Signal konvertiert und liefert dann den Trigger für die Datenaufnahme. Zum Zeitpunkt der Messung stand die SVuEnt nicht nicht zur Verfügung. Die Konvertierung des Triggers wurde von einer Testplatine mit gleicher Schaltung durchgeführt. Das Triggersignal und der Puls zur Ansteuerung der Sender wurden in sechs Durchläufen mit dem Oszilloskop mit einer Abtastrate von 10 MHz gemessen und zur weiteren Datenanalyse gespeichert. 5.1.2 Ergebnisse Die fallende Flanke des Triggers weist, wie in Abbildung 5.2 gezeigt, eine maximale Breite von wenigen Nanosekunden auf. Der Jitter der Triggerflanke konnte mit der Samplingrate von 10 MHz nicht aufgelöst werden. Daraus folgt, dass der Jitter unterhalb der Zeit zwischen zwei Datenpunkten liegen muss. Dies liefert eine obere Schranke von 100 ns für den Jitter. Die Datennahme des APS erfolgt mit einer Datenrate von 2 MHz, womit die Auflösung des Oszilloskops für die obere Schranke ausreichend ist. Die System-Anforderungen an das APS fordern eine Genauigkeit der Zeitauflösung von 1 µs. Die gemessene obere Schranke für den Jitter des Triggersignals liegt innerhalb der Systemanforderungen. Sowohl die Breite der Triggerflanke als auch der Jitter des Triggers haben nur geringen Einfluss auf die Genauigkeit der Laufzeitmessungen. Ein Versatz des Triggers von 100 ns entspricht einer Differenz von 0,15 mm in der Laufstrecke der Ultraschall Signale in Wasser und etwa 0,3 mm in Eis. Abbildung 5.3 zeigt den Verlauf der Pulse für die sechs Messungen im Vergleich zur fallenden Triggerflanke. Alle Messungen zeigen eine Verspätung von etwa 4 µs. Dies entspricht in Eis einer systematischen Verschiebung der tatsächlichen Laufstrecke um 16 mm zu größeren Distanzen. Der Signalweg zwischen Frontend Elektronik und Sender wurde bei dieser Messung nicht berücksichtigt, ist aber vernachlässigbar klein 1 . Diese systematische Verspätungen sollte sich als Offset bei einer Messung der Schallgeschwindigkeit bemerkbar machen. 1 Die Länge des Kabels zwischen Piezokeramik im Sender und Frontend Elektronik beträgt ca. 2 m. Daraus folgt für die Laufzeit des Signals t = < 10 −8 s. 2m 3·10 8 m s 25
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