DD239038B1

DD239038B1 - Einrichtung zur synchronmodulation, -strahlengangumschaltung und steuersignalgewinnung fuer schrittantriebsgesteuerte modulations- und umschalteinrichtungen

Info

Publication number: DD239038B1
Application number: DD85278060A
Authority: DD
Inventors: Heinz Riegler
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1985-07-01
Filing date: 1985-07-01
Publication date: 1987-09-30
Also published as: JPS628026A; DD239038A1; GB2177504B; GB2177504A; DE3616779A1; US4739167A; GB8615136D0

Description

Die Erfindung ist dort einsetzbar, wo eine Strahlung durch eine Blende periodisch unterbrochen und die so modulierte Strahlung fur zwei optische Wege umgeschaltet werden muß Zusatzlich werden Steuersignale fur die weitere Meßwertverarbeitung bereitgestellt

Die Erfindung ist vorzugsweise fur Infrarotspektralphotometer, die nach dem Zweistrahlverfahren arbeiten, geeignet.

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

In der Patentschrift DD 148985 wird im Zusammenhang mit einem Spektralphotometer fur den infraroten Spektralbereich eine Einrichtung zur Modulation, Strahlengangumschaltung und der Gewinnung der notwendigen Steuersignale beschrieben Ein Synchronmotortreibt eine Unterbrecherscheibe an, die drei Steuerspuren tragt Die äußere Spur dient einmal zur periodischen Unterbrechung der Strahlung des Photometers, wobei die Strahlung mit f_m moduliert wird Zum Anderen wird auf einem Optokoppler das Steuersignal zur Meßwertverarbeitung, ζ B fur die Steuerung eines Spannungs-Frequenzwandlers, erzeugt Wegen der Phasenverschiebung durch den Strahlungsempfänger und den elektronischen Verstarker muß der Optokoppler fur die Phasenjustierung verstellbar, d h. drehbar um die Achse der Unterbrecherscheibe angeordnet sein Zwei weitere Optokoppler sind feststehend angeordnet Sie liefern das Impuls- und das Drehrichtungssignal fur die optische Umschlageinrichtung

Die Umschalteinnchtung selbst besteht aus zwei Schwenkspiegelgruppen, wobei jeder Schwenkspiegel durch einen Schrittmotor angetrieben wird Die erste Schwenkspiegelgruppe ist vor dem Probenraum, die zweite Schwenkspiegelgruppe nach dem Probenraum angeordnet

In den Probenraum werden die Meßprobe und die Referenzprobe hineingestellt Je nach der augenblicklichen Stellung der beiden Schwenkspiegelgruppen wird die Strahlung entweder durch die Meßprobe oder durch die Referenzprobe geleitet Es entstehen so der Meßwert M oder der Referenzwert R Die beiden Schwenkspiegelgruppen müssen untereinander und zur Unterbrecherscheibe synchron arbeiten Dazu tragt jede der beiden Schwenkspiegelgruppen zwei Optokoppler Eine logische Schaltung vergleicht die Informationen der beiden Optokoppler von der Unterbrecherscheibe mit denen der Optokoppler der Schwenkspiegelgruppen Fur die Synchronisation der Einrichtung fur die Modulation und Strahlengangumschaltung werden sechs Optokoppler und mit dem Optokoppler zur Erzeugung der Steuerspannung ζ B fur den Spannungs-Frequenzwandler insgesamt sieben Optokoppler benotigt Dies bedeutet einen hohen Aufwand an mechanischen Teilen und elektronischen Bauelementen, Leitungen und Steckverbindern, Aufwand bei der Montage der Gruppen, ihrer Justierung und Prüfung Die Zuverlässigkeit, beeinflußt durch die Teile- und Bauelementeanzahl und die Schwierigkeiten bei der Montage, ist gering

Ziel der Erfindung

ZielderErfindung ist es, mit möglichst geringen Aufwand eine Einrichtung zur Synchronmodulation,-strahlengangumschaltung und Steuersignalgewinnung zu schaffen sowie die Zuverlässigkeit gegenüber dem Stand der Technik wesentlich zu erhohen Des weiteren soll die erfindungsgemaße Einrichtung möglichst universell einsetzbar sein

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Synchronmodulation, -strahlengangsumschaltung und Steuersignalgewinnung fur schrittantriebgesteuerte Modulations- und Umschalteinrichtungen, insbesondere fur Mehrstrahl-Spektralanalysegerate und vorzugsweise fur den infraroten Spektralbereich, mit möglichst geringen Bauelemente-und Montageaufwand zu schaffen, die Zuverlässigkeit wesentlich zu erhohen sowie einen Einsatz am50Hz-undam 60 Hz-Netz ohne Änderungen oder neue Justierung zu ermöglichen Die Aufgabe wird durch eine rotierende Blende zur Strahlungsmodulation und Schwenkspiegel zur Strahlengangsumschaltung zwischen Meß- und Referenzstrahl erfindungsgemaß dadurch gelost, daß der Modulationseinrichtung ein einziger Sensor fur das Analysesignal zur Synchronisationssignalgewinnung optisch nachgeschaltet ist, daß dieses Synchronisationssignal über einen Schwellwertschalter zur Digitalisierung, einen Frequenzteiler, einen Multiplexer und einen ersten Impulsverkurzer fur die positive und negative Flanke an einem Rucksetzeingang eines in an sich bekannter Weise von der Taktfrequenz getakteten Zahlers anliegt, daß der Schwellwertschalter ausgangsseitig über ein erstes einstellbares Zeitglied mit einem zweiten einstellbaren Zeitglied in Verbindung steht, an dessen Ausgang ein Steuersignal zur Demodulation anliegt, daß der Zahler ausgangsseitig mit einer Logikschaltung zur Erzeugung einer fest vorgegebenen Anzahl von Impulsen sowie einer zweiten und einer dritten Impulsverkurzerstufe in Verbindung steht, daß die zweite und dritte Impulsverkurzerstufe ausgangsseitig mit den Setzeingangen, die Logikbaugruppe ausgangsseitig über eine Torschaltung mit den Eingangen zur Schrittsignalerzeugung und der Multiplexer, an dessen ersten Eingang dasfrequenzgeteilteSynchronisationssigal und an dessen zweiten Eingang ein Signal zur Auswahl der Umschaltfrequenz anliegen, ausgangsseitig mit den Richtungseingangen der Schrittantriebsansteuerschaltungen der Strahlengangsumschaltemrichtung in Verbindung steht, und daß an den Schwenkspiegeln der Umschalteinrichtung mechanische Anschlage zur Bewegungsbegrenzung im Synchronisationsprozeß vorgesehen sind

Eine weitere vorteilhafte Losung der Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch erreicht, daß der Schwellwertschalter ausgangsseitig mit dem Informationseingang eines Flipflop, an dessen Ausgangen Signale zur Demodulation anliegen, und dem Eingang eines vierten Impulsverkurzers fur positive und negative Flanken in Verbindung steht und daß der vierte Impulsverkurzer ausgangsseitig über das erste einstellbare Zeitglied mit dem Takteingang des Flipflops in Verbindung steht Dadurch wird erreicht, daß ein einstellbares Zeitglied eingespart, somit der Montage- und Justieraufwand weiter gesenkt und die Zuverlässigkeit weiter erhöht werden kann

Gegenüber dem Stand der Technik werden durch die Erfindung sechs Optokoppler, deren Ansteuer- und Auswerteschaltungen sowie eine große Anzahl mechanischer Elemente eingespart Dadurch verringert sich der technisch-ökonomische Aufwand und die Justierung der Funktionselemente wird auf ein Minimum reduziert

Durch die Ausnutzung einer einheitlichen Taktfrequenz an allen taktgesteuerten Funktionselementen wird erreicht, daß die erfindungsgemaße Losung ohne Änderungen und neue Justierung sowohl am 50Hz-, als auch am 60Hz Netz einsetzbar ist

Ausfuhrungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen naher erläutert Es zeigen

Fig 1 Schematische Darstellung der Schaltungselemente und deren funktionell Verbindungen in Form eines Blockschaltbildes

Fig 2 Schematische Darstellung einer weiteren Schaltungsvariante eines Schaltungsteiles der Fig 1 Fig 3 Schematische Darstellung der Schaltungselemente und deren logische Verbindungen Fig 4 Zeitliche Zuordnung der Signale der Ausfuhrung nach Fig 3

Zu Fig 1 und Fig 3 wird der Schrittmotor SM 1 mit einem Schrittwinkel von 10° von der Ansteuereinheit ASE 1 angesteuert Am Takteingang TKt liegt der Takt mit einer Taktfrequenz von f_TKt = 225Hz an

Die rotierende Blende RB, vom Schrittmotor SM 1 angetrieben, erzeugt eine modulierte Strahlung mit der Modulationsfrequenz f_m = 12,5Hz Die gleiche Frequenz erzeugt der Fotosensor FS Dieses Signal wird dem Schwellwertschalter SW zugeführt, an dessen Ausgang das als Synchronisationssignal Syn bezeichnete rechteckformige Signal entsteht Daraus wird über das einstellbare Zeitglied ZG 1 mittels des einstellbaren Widerstandes R 1 in Verbindung mit dem Kondensator C1 der Beginn (LH-Flanke) des Steuersignals St fur die phasenrichtige Gleichrichtung um T1 verschoben Über das zweite einstellbare Zeitglied ZG 2 mit dem einstellbaren Widerstand R2unddem Kondensator C 2 wird die zeitlich Lange T 2 des Steuersignals St fur die ph äsen richtige Gleichrichtung erzeugt Das Steuersignal St liegt amAusgangAI an Das Synchronisationssignal Syn wird durch den Frequenzteiler FTfrequenzmaßig geteilt Der Multiplexer MUX, der durch die Eingangsbelegung des Eingangs E 1 angesteuert wird, wählt ein Ausgangssignal des Frequenzteilers FT aus Dieses ausgewählte Signal, welches am Ausgang des Multiplexers MUX anliegt, wird als Umschaltsignal US mit der Umschaltfrequenz

f_Us ⁼ 2~ fm bezeichnet

Bei η = 1 wird durch die optische Umschaltung die Strahlung abwechselnd durch die Meßprobe und die Referenzprobe gel eistet Bei η = 8 wird entsprechend die Strahlung achtmal durch die Meßprobe und anschließend achtmal durch die Referenzprobe geleitet Die Umschaltfrequenz f_us ware damit f_us = — 12,5 Hz = 0,78 Hz

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Das Umschaltsignal US liegt am Ausgang A2 an Es ist fur den nachfolgenden Mikrorechner das Signal fur die Kennung (H = Meßwert, L = Referenzwert) und dient außerdem als Richtungssignal Rtg fur die Ansteuereinheiten ASE2 und ASE3

Aus den LH- und HL-Flanken des Umschaltsignals US erzeugt der Impulsverkurzer IV, bestehend aus den beiden Exclusiv-ODER 1 und 2 in Verbindung mit dem Kondensator C3, kurze Η-Impulse zum Loschen des Zahlers Z Das Taktsignal TKt schaltet den Zahler Z weiter bis beim Zahlerstand acht die Rückführung vom Ausgang Q_D auf den Freigabeeingang E des Zahlers Z den Takteingang des Zahlers Z sperrt Die NOR-Gatter 3 und 4 erzeugen aus den Ausgangswerten Q_A bis Q_c des Zahlers Z fur jede Richtung Rtg drei Schrittimpulse Sch Diese gelangen über die NAND-Gatter 5und6nurdann auf die Ansteuereinheiten ASE 2 und ASE3, wenn die Q-Ausgangeder D-Flipflop's FF1 und FF2 auf Η-Potential liegen Die Setzimpulse SE werden aus den LH-Flanken des Ausgangs Q_D des Zahlers Z durch die Gatter 7,8,9 und den Kondensator C4 erzeugt Fur die Ansteuereinheit ASE 2 wird der Setzimpuls von NAND-Gatter 10 bei Richtungssignal Rtg = H - Potential übertragen Der Schrittmotor SM 2, angesteuert durch die Ansteuereinheit ASE 2, soll sich im Beispiel drei Schritte nach links bewegen Danach erfolgt durch den Setzimpuls SE die Synchronisation, die der linken Stellung des Spiegels SP1 entspricht Der Setzimpuls SE schaltet über die Ansteuereinheit ASE2 die Wicklungen W1 und W3 des Schrittmotors SM 2 ein und erzwingt so die Synchronisation, falls sie noch nicht hergestellt war Der Setzimpuls SE gelangt außerdem über das Gatter 11 negiertauf den Takteingang des D-Flipflop FF1 Soll der Schrittmotor SM 2 aus noch zu erklärendem Grund in der linken Stellung stehen bleiben, so muß zum Zeitpunkt des Setzimpulses SE über den Eingang E 2 am D-Eingang des D-Flipflop FF1 ein L Potential anliegen Dadurch gehtderQ-Ausgang des D-FIipflop FF1 ebenfalls auf L-Potential und das NAND-Gatter 5 übertragt keine Schrittimpulse Sch auf die Ansteuereinheit ASE2 Mit Η-Potential am Eingang E 2' lauft der Schrittmotor SM 3 weiter, weil die Schrittimpulse Sch über das NAND-Gatter 6 auf die Ansteuereinheit ASE 3 übertragen werden Mit der Betriebsweise, daß eine Schwenkspiegelemheit in einer definierten Endstellung steht, wahrend die andere Schwenkspiegelemheit lauft, ergibt sich die Signalfolge Null, Referenz, Null, usw bzw die Signalfolge Null, Meß, Null, usw Diese Signalfolgen sind zur rechnerischen Korrektur der Transmissionswerte erforderlich

Das Richtungssignal Rtg ist fur die Ansteuereinheiten ASE 2 und ASE3 gleich Damit fuhren beide Spiegel SP1 und SP2 die gleiche Bewegungsrichtung aus Das Gatter 13 übertragt den Setzimpuls SE erst dann, wenn der Schrittmotor SM 3 drei Schritte nach rechts ausgeführt hat Bei erfolgter Synchronisation entspricht dies dem eingeschalteten Zustand der Wicklungen W1 und W4des Schrittmotors SM 3 Mit dem Setzimpuls SE werden vom Schrittmotor SM3 ebenfalls die Wicklungen W1 und W4 eingeschaltet Soll der Schrittmotor SM3 in der rechten Endstellung stehen bleiben, so muß am Eingang E2' ein L-Potential angelegt werden Nach drei Schritten nach rechts folgt der Setzimpuls SE fur die Ansteuereinheit ASE3 Der Setzimpuls SE gelangt außerdem über das Gatter 14 negiert auf den Takteingang des D-Flipflop FF2 Damit geht der Ausgang Q des D-Flipflop FF2auf L-Potential, und das NAND-Gatter 6 übertragt keine Schrittimpulse Sch auf die Ansteuereinheit ASE 3 Der Schrittmotor SM3 halt den Spiegel SP2 in der rechten Endstellung

Voraussetzung fur die Zuordnung der Schrittmotoren SM zu den jeweiligen Spiegeln SP ist, daß die Gruppenmontage mittels mechanischer Vorrichtung bei definiert erregtem stehenden Schrittmotor SM erfolgt Fig 2 zeigt die schematische Darstellung einer weiteren Schaltungsvanante eines Schaltungsteiles der Fig 1 In dieser Schaltungsvanante wird das einstellbare Zeitglied ZG2 durch einen zusätzlichen Impulsverkurzer IV und ein weiteres D-Flipflop FF3 ersetzt Dabei wird der Takteingang des D-Flipflop FF3 mit dem Ausgang des ersten einstellbaren Zeitghedes ZG 1 und der Takteingang mit dem Synchronisationssignal Syn verbunden Damit verringert sich durch den Wegfall eines einstellbaren Zeitghedes der Justier- (Einstell-) aufwand und die Zuverlässigkeit bezüglich Trift und Ausfall steigt weiter an Voraussetzung fur den Einsatz dieser Variante ist, daß das Synchronisationssignal Syn einen praktisch symmetrischen Verlauf besitzt, d h die Zeiten fur H- und L-Potential gleich groß sind

Fig 4 zeigt die zeitliche Zuordnung der Signal der Ausfuhrung nach Fig 3 Wegen der identischen Arbeitsweise können die Signale fur die Ansteuereinheit ASE3 weggelassen werden

a) Takt TKt mit Taktfrequenz F_TKt = 225Hz

b) Modulation der optischen Strahlung mit der Modulationsfrequenz f_m = 12,5Hz Dieses Signal ist mit dem negierten Synchronisationssignal Syn identisch

c) Umschaltsignal US ist gleichzeitig Richtungssignal Rtg und Signal zur Kennung K, L-Pegel = Referenzwert R und H-Pegel = .Meßwert M

d) Loschsignal Lo, gewonnen aus dem LH- und HL-Flanken des Umschaltungssignales US

e) bis h) Ausgangssignale Q_A bis Q_D des Zahlers Z

ι) Schrittimpulse Sch fur die Ansteuereinheiten ASE 2 und ASE 3 Da sich nach je drei Schritten Sch die Richtung Rtg (vergleiche

mit c) umkehrt, wird eine schwenkende Bewegung der Spiegel SP1 und SP2 erzeugt (Sch = Q_A [Q_BVQ_C]) j) Setzimpulse SE fur die Ansteuereinheit ASE 2, gewonnen aus der LH-Flanke von Q₀ bei Rtg = H-Potential k) Steuersignal St 1-die LH-Flanke wird durch die Flanke des Synchronisationssignales erzeugt Nach der HaltezeitTI springt

der Pegel auf L-Potential zurück I) Steuersignal St2 fur die phasenrichtige Gleichrichtung bei einer Phasenverschiebung gegenüber dem Modulationssignal

(Vergleiche b) Die LH-Flanke wird durch die HL-Flanke des Steuersignals St 1 erzeugt m) Signal am Eingang E2 mit vorgegebenem Verlauf

n) Schrittimpulse Sch in Abhängigkeit vom Signal am Eingang E2 nach dem Setzimpuls SE o) Steuersignal St3 fur AD-Wandlung, aus Steuersignal St2 durch Bewertung der Flanken und nachfolgendem monostabilen Multivibrator mit der Haltezeit T3 gewonnen

Claims

Einrichtung zur Synchronmodulation, -strahlengangumschaltung und Steuersignalgewinnung für schrittantriebgesteuerte Modulations- und Umschalteeinrichtung, insbesondere fur Mehrstrahl-Spektralanalysegerate und vorzugsweise für den infraroten Spektralbereich, mit einem ersten Schrittantrieb zur Lichtmodulation über eine rotierende Blende und mit einem zweiten und dritten Schrittantrieb zur Strahlengangsumschaltung zwischen einem Meß- und einem Referenzstrahl über Schwenkspiegel, bei welcher an der rotierenden Blende ein Sensor fur das Anaiysesignal zur Synchronsignalerzeugung angeordnet ist, der über einen Schwellwertschalter als Digitalisierstufe sowohl mit einem von der Taktfrequenz des ersten Schrittantriebes getakteten Zahler in Verbindung steht als auch an Zeitverzcgerungsglieder zur Gewinnung eines einstellbaren zeitverzogerten Steuersignals zur Demodulation aus dem Synchronisationssignal angeschlossen ist, gekennzeichnet dadurch, daß der Ausgang der Schwellwertstufe über einen Frequenzteiler einen umschaltbaren Multiplexer, an dessen zweiten Eingang ein Signal zur Auswahl der Umschaltfrequenz anliegt, und über einen ersten Impulsverkurzer mit dem Zahler in Verbindung steht, dessen Takteingang unverzogert mit dem Takteingang des ersten Schrittantriebes gekoppelt ist, daß der Ausgang des Zahlers über eine Logikschaltung zur Erzeugung einer fest vorgegebenen Anzahl von Impulsen und über eine dieser nachgeschaltete Torschaltung mit den Takteingangen des zweiten und dritten Schrittantriebes, über eine zweite Impulsverl urzerstufe mit einem Setzeingang des zweiten Schrittantriebes und über eine dritte Impulsverkurzerstufe mit dem Setzeingang des dritten Schrittantriebes in Verbindung steht, daß der Ausgang des Multiplexers an die Richtungseingange des zweiten und dritten Schrittantriebes gefuhrt ist und daß zum Zweck einer Zwangsbewegung des zweiten und dritten Schrittantriebes innerhalb eines definierten Rotorstellungsbereiches an diesen Anschlage zur Bewegungsbegrenzung vorgesehen sind.

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen
Anwendungsgebiet der Erfindung