DD262084A1

DD262084A1 - Schaltungsanordnung zur elektronischen anregung eines feder-masse-schwingers in seiner resonanzfrequenz

Info

Publication number: DD262084A1
Application number: DD30472587A
Authority: DD
Inventors: Claus-Peter Tzschaschel; Burkhard Dohmeyer
Original assignee: Weinert E Messgeraetewerk
Priority date: 1987-07-08
Filing date: 1987-07-08
Publication date: 1988-11-16
Also published as: GB8824794D0; GB2224375A

Abstract

Schaltungsanordnung zur elektronischen Anregung eines Feder-Masse-Schwingers in seiner Resonanzfrequenz durch einen Oszillator. Die Erfindung dient der elektronischen Anregung eines Feder-Masse-Schwingers in seiner Resonanzfrequenz bei der opto-mechanischen Chopperung von Licht beliebiger Wellenlaenge. Als Oszillator wird ein spannungsgesteuerter Oszillator verwendet, dessen Frequenz selbsttaetig auf die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers abgeglichen wird. Zur Bestimmung der Resonanzfrequenz ist am Feder-Masse-Schwinger ein Geber angeordnet, dessen Ausgangsimpulse auf einen Phasenkomparator geleitet werden. Im Phasenkomparator wird ein Differenzsignal aus dem Vergleich von Geberfrequenz und Oszillatorfrequenz gebildet, was ueber einen Tiefpass das Nachbestimmen des spannungsgesteuerten Oszillators ermoeglicht. Vorteilhaft ist die Anordnung eines Zaehlers zwischen spannungsgesteuertem Oszillator und Phasenkomparator zum Herunterteilen einer hohen Oszillatorfrequenz, um Nachfolgesysteme anzukoppeln oder langsam schwingende Systeme elektronisch anzuregen. Fig. 1

Description

Schwingerein Geber angeordnet ist und ein selbsttätiger Abgleich der Oszillatorfreqenz auf die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers erfolgt.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung die Ankopplung des Feder-Masse-Systems an Nachfolgesysteme mit eigener Phasenverschiebung ohne zusätzliche Meßmittel durch eine indirekte Orts- und Zeitbestimmung der Stellung des Feder-Masse-Schwingers zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur elektronischen Anregung des Feder-Masse-Schwingers ein spannungsgesteuerter Oszillator dient, der den Feder-Masse-Schwinger mit einer mindestens um den Faktor 5 kleineren Frequenz als der Resonanzfrequenz anstößt. Der Geber ist am Feder-Masse-Schwinger derart angeordnet, daß bereits geringste Auslenkungen der Feder-Masse-Schwingers aus seiner Ruhelage Impulse liefern. Der Ausgang des Gebers ist an einen Phasenkomparator geschaltet, der ein Differenzsignal aus dem Vergleich von Geberfrequenz und Oszillatorfrequenz erzeugt. Über einen Tiefpaß wird dieses Differenzsignal auf den spannungsgesteuerten Oszillator gegeben und der spannungsgesteuerte Oszillator derart nachgestimmt, bis er die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers erreicht hat. Durch die Erfindung wird der bekannte Sachverhalt ausgenutzt, daß ein Feder-Masse-System bereits bei geringem Anstoß Eigenschwingungen mit Resonanzfrequenz ausführt, weiche vom Geber erfaßt und ausgewertet werden. Da die Zeitkonstante des Feder-Masse-Schwingers die Resonanzfrequenz bestimmt und der spannungsgesteuerte Oszillator ohne eigene ausgeprägte Resonanzfrequenz dem mechanischen Feder-Masse-System in weiten Grenzen folgen kann, wird somit ein selbsttätiger Abgleich der Oszillatorfrequenz auf die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers realisiert und es sind keine zusätzlichen Abgleichelemente erforderlich. Fällt der spannungsgesteuerte Oszillator aus oder der Feder-Masse-Schwinger verändert sich in seiner Zeitkonstante erfolgt beim erneuten Anstoßen des Feder-Masse-Schwingers wiederum ein selbsttätiger Abgleich der Oszillatorfrequenz auf die nunmehr veränderte Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers. Bei Anordnung eines Zählers zwischen den Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators und einem Eingang des Phasenkomparators kann der spannungsgesteuerte Oszillator auf einem ganzzahligen Vielfachen der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers arbeiten, da diese durch den Zähler auf den entsprechenden Wert heruntergeteilt wird. Am Ausgang des Zählers liegt dann die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers an.

Aus dem Zählerstand können durch Dekodierung Zeitpunkte abgeleitet werden, die eine definierte Ortsbestimmung des Feder-Masse-Schwingers ermöglichen.

Ausführungsbeispiei

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt Fig. 1: das Flußdiagrämm einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung

Bekannterweise ist ein Geber 2, z. B. eine Lichtschranke, am Feder-Masse-Schwinger 1 angeordnet. Erfindungsgemäß ist der Geber 2 derart am Feder-Masse-Schwinger 1 angeordnet, daß bereits geringste Auslenkungen des Feder-Masse-Schwingers 1 aus seiner Ruhelage Impulse liefert. Im Falle eines Schwingchoppers für ein Pyrometer müssen Auslenkungen von 0,2 bis 0,5 mm vom Geber 2 erfaßt werden können. Der Ausgang des Gebers 2 ist mit einem Phasenkomparator 3 verbunden, der über einen Tiefpaß 4 an einen spannungsgesteuerten Oszillator 5 geschaltet ist. Der Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators

5 ist über einen Zähler 6 mit dem Eingang A des Phasenkomparators 3 und dem Feder-Masse-Schwinger 1 verbunden. Erfindungsgemäß erfolgt die elektronische Anregung des Feder-Masse-Schwingers 1 durch den spannungsgesteuerten Oszillators 5 mit einer mindestens um den Faktor 5 kleineren Frequenz als der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers 1. Aus den vom Geber 2 gelieferten Impulsen bildet der Phasen komparator 3 ein Differenzsignal durch Vergleich mit der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 5. Das Differenzsignal wird über den Tiefpaß 4 geleitet und der spannungsgesteuerte Oszillator 5 entsprechend nachgestimmt. Dieser Vorgang wiederholt sich bis der spannungsgesteuerte Oszillator die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers 1 erreicht hat und der Feder-Masse-Schwinger 1 einen stabilen Schwingungszustand einnimmt, d. h. mit seiner Resonanzfrequenz schwingt. Der entscheidende Vorteil dieser Schaltungsanordnung ist der selbsttätige Abgleich der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 5 auf jede beliebige Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers 1, so daß bei Veränderungen der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers 1 kein aufwendiger Neuabgleich erforderlich ist, sondern der Feder-Masse-Schwinger 1 lediglich erneut angestoßen werden muß.

Durch den Zähler6 werden die Anwendungsmöglichkeiten dererfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorteilhaft erweitert. So nehmen die zeitbestimmenden Widerstände und Kapazitäten bei langsam schwingenden Systemen (Resonanzfrequenzen unter 10Hz) sehr große Werte an und können nicht mehr temperaturstabil gehalten werden. Dieser Nachteil kann nur beseitigt werden, wenn der Oszillator auf einer hohen Frequenz läuft. Mit dem Zähler 6 ist es möglich, den spannungsgesteuerten Oszillator 5 auf einer Frequenz laufen zu lassen, die dem ganzzahligen Vielfachen der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers 1 entspricht. Durch Herunterteilen der hohen Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 5 mittels dem Zähler

6 auf die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers 1 ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auch für langsam schwingende Systeme verwendbar. Ein weiterer Vorteil bei Einsatz des Zahlers ergibt sich für eine problemlose Ankopplung von Nachfolgesystemen mit eigener Phasenverschiebung, z. B. die Ansteuerung eines A/D-Wandlers, wie er in Pyrometern verwendet wird. Für die Ankoppelung solcher Systeme ist es notwendig, für einen bestimmten Zeitpunkt des Schwingzyklusses ' Feder-Masse-Schwingers 1 eine genaue Ortsbestimmung des Feder-Masse-Schwingers 1 durchzuführen. Bei bekannten Feder-Masse-Schwingern muß dafür eine direkte Messung der Stellung des Feder-Masse-Schwingers 1 durchgeführt werden. Bei Verwendung des Zählers 6 in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann jeder Schwingzyklus des Feder-Masse-Schwingers 1 in soviel gleichgroße Zeitabstände zerlegt werden, wie der Zählumfang des Zählers 6 zuläßt. Bei einem genügend großen Zählumfang des Zählers 6 kann damit zu jedem beliebigen Zeitpunkt eine genaue Ortsbestimmung des Feder-Masse-Schwingers 1 vorgenommen werden, ohne eine direkte Messung durchzuführen.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur elektronischen Anregung eines Feder-Masse-Schwingers in seiner Resonanzfrequenz durch einen Oszillator, wobei zur Ermittlung der Resonanzfrequenz am Feder-Masse-Schwinger ein Geber angeordnet ist und ein selbsttätiger Abgleich der Oszillatorfrequenz auf die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers erfolgt, gekennzeichnet dadurch, daß zur elektronischen Anregung des Feder-Masse-Schwingers ein spannungsgesteuerter Oszillator dient, wobei der erste Anstoß des Feder-Masse-Schwingers mit einer mindestens um den Faktor 5 kleineren Frequenz als der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers erfolgt, daß der Ausgang des Gebers an einen Phasenkomparator geschaltet ist, der ein Differenzsignal aus dem Vergleich von Geberfrequenz und Oszillatorfrequenz erzeugt und daß der Ausgang des Phasenkomparators über einen Tiefpaß mit dem spannungsgesteuerten Oszillator verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators und einem Eingang des Phasenkomparators ein Zähler zum Herunterteilen einer Oszillatorfrequenz, die einem ganzzahligen Vielfachen der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers entspricht, angeordnet ist und am Ausgang des Zählers die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers anliegt.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet

Die Erfindung dient zur elektronischen Anregung von Feder-Masse-Schwingern in ihrer Resonanzfrequenz und findet bei der opto-mechanischen Chopperung Anwendung. Die Erfindung ist überall da anwendbar, wo neben einer Anvisierung eine Messung am gleichen Objekt vorgenommen werden soll, z. B. in der Pyrometrie, Spektroskopie, Thermografie, oder wo Licht moduliert werden soll.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Aus der Pyrometrie sind zur Realisierung des Wechsellichtverfahrens bereits Schwingchopper zur opto-mechanischen Chopperung der Meßobjektstrahlung bekannt. Schwingchopper sind Feder-Masse-Schwinger, die elastisch angeregt werden müssen und in Walther/Gerber, Infrarotmeßtechnik, VEB Verlag Technik, Berlin 1981, S.97/98 beschrieben sind. Die elektrische Anregung erfolgt bekannterweise durch freilaufende Oszillatoren, welche einen hohen Abgleichaufwand zur Einstellung einer Arbeitsfrequenz nahe der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers erfordern. Da die elektrische Zeitkonstante des Oszillators und die mechanische Zeitkonstante des Feder-Masse-Schwingers von der Temperatur abhängig sind, werden deren Abweichungen durch Synchronisation der Oszillatorfrequenz mit der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers, die mittels eines am Feder-Masse-Schwinger angebrachten Gebers (z. B. Lichtschranke) bestimmt wird, in engen Grenzen gehalten. Die Sorgfältigkeit des Abgleiches der Oszillatorfrequenz ist dabei die einzige Möglichkeit, den Feder-Masse-Schwinger auch langzeitstabil zu halten.

Nachteilig bei diesen Anordnungen ist, daß bereits bei geringen Änderungen der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers, welche nach längerem Gebrauch eintreten, der freilaufende Oszillator ausfallen kann und nicht mehr schwingt. Die Behebung dieses Nachteils erfordert in jedem Fall ein Nachgleichen der Arbeitsfrequenz des Oszillators. Weiterhin ist es nachteilig, daß zur Erreichung einer temperaturstabilen Frequenz des Oszillators und des Feder-Masse-Schwingers äußerst temperaturstabile Abgleichelemente notwendig sind. Ungünstig ist auch die relativ große Zeitspanne, die bei der bekannten elektrischen Anregung mittels freilaufendem Oszillator notwendig ist, bis daß ein optimaler Schwingungszustand des Feder-Masse-Systems erreicht ist. Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung besteht bei der Ankoppelung des Feder-Masse-Systems an Nachfolgesysteme mit eigener Phasenverschiebung, z. B. bei Ansteuerung eines A/D-Wandlers, wobei zur genauen Orts- und Zielbestimmung der Stellung des Feder-Masse-Schwingers eine direkte Messung durch zusätzliche Meßmittel erforderlich ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur elektronischen Anregung eines Feder-Masse-Schwingers in seiner Resonanzfrequenz zu schaffen, wobei ein selbsttätiger Abgleich des Oszillators auf die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Schwingers ohne temperaturstabile Abgleichelemente erfolgt und ein optimales Anschwingverhalten des Feder-Masse-Systems erreicht wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung löst die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung zur elektronischen Anregung eines Feder-Masse-Schwingers in seiner Resonanzfrequenz durch einen Oszillator zu schaffen, wobei zur Ermittlung des Resonanzfrequenz am Feder-Masse-