-
Die
Erfindung betrifft einen konfigurierbaren Eingangsverstärker für Positionsmesseinrichtungen
nach Anspruch 1. Ein konfigurierbarer Eingangsverstärker ermöglicht es,
eine Schaltung zur Auswertung von Positionssignalen in Positionsmesseinrichtungen
so zu gestalten, dass sie unverändert
in verschiedenen Positionsmesseinrichtungen eingesetzt werden kann.
Das ist besonders vorteilhaft, wenn diese Schaltung in einem applikationsspezifischen
Baustein (ASIC) integriert wird.
-
Positionsmesseinrichtungen
sind weit verbreitet und werden insbesondere in Werkzeugmaschinen
zur Erfassung von Weg- oder Winkelinformationen eingesetzt. Häufig handelt
es sich dabei um inkrementelle Positionsmesseinrichtungen. Sie umfassen
zur Bestimmung der Relativlage zweier zueinander beweglicher Objekte
in der Regel eine Inkrementalteilungsspur auf Seiten eines Maßstabs.
Diese Spur wird mit Hilfe einer Abtasteinheit zur Erzeugung von
Inkrementalsignalen abgetastet. Dabei kommen verschiedene Abtastprinzipien, z.B.
optische oder magnetische, zum Einsatz.
-
Die
von der Abtasteinheit gewonnenen Weg- oder Winkelinformationen stehen
aufgrund des Abtastprinzips üblicherweise
als sinusförmige
Stromsignale zur Verfügung.
Häufig
werden mehrere Positionssignale generiert, die zueinander phasenverschoben
sind. Sind beispielsweise zwei um 90° zueinander phasenverschobene
Positionssignale vorhanden, lässt
sich aus der Information, welches Signal vor- bzw. nacheilt, die Bewegungsrichtung
feststellen. Bei um 180° zueinander
phasenverschobenen Signalen kann durch Bildung eines Differenzsignals
die Störanfälligkeit
vermindert werden, da Störungen,
die auf beiden Signalen vorhanden sind, durch die Differenzbildung
eliminiert werden. Wenn bei den sinusförmigen Stromsignalen ein Gleichstromanteil
enthalten ist, wird dieser durch die Differenzbildung ebenfalls
kompensiert.
-
Folgende
Signalkombinationen sind im Stand der Technik bekannt:
- – vier
sinusförmige
Stromsignale mit je 90° Phasenverschiebung
(0°; 90°; 180°, 270°) ohne Gleichstromanteil
- – vier
sinusförmige
Stromsignale mit je 90° Phasenverschiebung
(0°; 90°; 180°, 270°) mit Gleichstromanteil
- – drei
sinusförmige
Stromsignale mit je 90° Phasenverschiebung
(0°; 90°; 180°) mit Gleichstromanteil
- – drei
sinusförmige
Stromsignale mit je 120° Phasenverschiebung
(0°; 120°; 240°) mit Gleichstromanteil
-
Je
nach Anwendungsfall steht also eine unterschiedliche Anzahl von
sinusförmigen
Stromsignalen mit verschiedenen Phasenlagen zueinander zur Verfügung, die
zur Auswertung einer Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt werden.
Dort werden die Stromsignale häufig
zuerst in einem Eingangsverstärker
in Spannungssignale umgewandelt. Im Falle von 180° phasenverschobenen
Signalen wird aus diesen oft bereits im Eingangsverstärker ein
Differenzspannungssignal gebildet, das zu den Eingangssignalen proportional
ist. Bei der anschließenden
Signalverarbeitung in der Folgeelektronik werden unter anderem Fehler
korrigiert und durch Interpolation die Periodendauer der sinusförmigen Signale
unterteilt und so die Auflösung der
Positionssignale erhöht.
Anschließend
werden die Positionssignale in standardisierte Formate konvertiert
und ausgegeben.
-
Im
Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung, sowie aus Gründen der
Wirtschaftlichkeit, geht man immer mehr dazu über, die elektronischen Schaltungen,
die zur Auswertung der Positionssignale von inkrementellen Positionsmesseinrichtungen
benötigt
werden, in applikationsspezifische Bausteine (ASICs) zu integrieren.
Durch die oben beschriebene Vielzahl von Messprinzipien und der
daraus resultierenden Art und Anzahl der auszuwertenden Signale
war es bisher allerdings notwendig, für jede Familie von inkrementellen
Positionsmesseinrichtungen einen eigenen ASIC zu entwickeln.
-
Daraus
ergeben sich Nachteile: die Kosten von ASICs sind nur bei großen Stückzahlen
wirtschaftlich interessant und deren Entwicklung und die damit verbundene
Produktpflege ist zeit- und kostenintensiv. Es ist also ein permanentes
Bedürfnis,
die elektronischen Schaltungen zur Auswertung der Positionssignale
von inkrementellen Positionsmesseinrichtungen so zu gestalten, dass
sie für
mehrere verschiedene Anwendungen einsetzbar sind. Damit werden,
wenn die elektronische Schaltung in einen ASIC integriert wird.
höhere
Stückzahlen
erreicht und dadurch die Wirtschaftlichkeit erhöht und der Entwicklungsaufwand
reduziert.
-
Für die Folgeelektronik
zur Durchführung
der oben beschriebenen Signalverarbeitung durch Fehlerkorrektur,
Interpolation und Konvertierung in standardisierte Datenformate
können
häufig
bereits die gleichen Schaltungen für mehrere Anwendungen verwendet
werden, wenn die Eingangssignale in einem Eingangsverstärker entsprechend
aufbereitet werden. Oft unterscheiden sich die elektronischen Schaltungen
zur Auswertung von Positionssignalen deshalb nur durch den Eingangsverstärker.
-
Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, einen konfigurierbaren Eingangsverstärker für Positionsmesseinrichtungen
anzugeben, der in verschiedenen Konfigurationen betreibbar ist und
dadurch mehrere Arten von Eingangssig nalen so aufbereiten kann,
dass für
deren Auswertung die gleiche Folgeelektronik verwendet werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen konfigurierbaren Eingangsverstärker für eine Positionsmesseinrichtung
nach Anspruch 1. Vorteilhafte Details ergeben sich aus den von Anspruch
1 abhängigen
Ansprüchen.
-
Es
wird nun ein konfigurierbarer Eingangsverstärker für Positionsmesseinrichtungen
vorgeschlagen, der aus mindestens einer Verstärkereinheit besteht, die einen
ersten Eingang und einen zweiten Eingang, sowie einen ersten Ausgang
und einen zweiten Ausgang aufweist und in mindestens zwei verschiedenen
Konfigurationen betreibbar ist. In einer ersten Konfiguration ist
zwischen dem ersten Eingang und dem ersten Ausgang ein erster Operationsverstärker und
zwischen dem zweiten Eingang und dem zweiten Ausgang ein zweiter
Operationsverstärker
angeordnet, die als Signalverstärker
geschaltet sind. Somit stehen an den Ausgängen Ausgangssignale zur Verfügung, die
proportional zu an den Eingängen
anliegenden Eingangssignalen sind. In einer zweiten Konfiguration
ist der erste Operationsverstärker
als Differenzverstärker
geschaltet. Dadurch steht am Ausgang ein Ausgangssignal zur Verfügung, das
proportional zur Differenz der an den Eingängen anliegenden Eingangssignale
ist.
-
Weitere
Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten konfigurierbaren
Eingangsverstärkers
anhand der Figuren. Dabei zeigt
-
1 einen
Prinzipschaltplan einer ersten Ausführungsform eines konfigurierbaren
Eingangsverstärkers,
-
2 einen
Prinzipschaltplan einer zweiten Ausführungsform eines konfigurierbaren
Eingangsverstärkers
und
-
3 ein
Blockschaltbild eines konfigurierbaren Eingangsverstärkers mit
einer übergeordneten
Steuereinheit.
-
1 zeigt
einen Prinzipschaltplan einer ersten Ausführungsform eines konfigurierbaren
Eingangsverstärkers
für den
Einsatz in Positionsmesseinrichtungen. Sie besteht aus einer Verstärkereinheit 10,
die einen ersten Eingang IN1, einen zweiten Eingang IN2, sowie einen
ersten Ausgang OUT1 und einen zweiten Ausgang OUT2 besitzt.
-
Der
erste Eingang IN1 ist mit dem invertierenden Eingang eines ersten
Operationsverstärkers
A1 verbunden. Der erste Ausgang OUT1 ist mit dem Ausgang des ersten
Operationsverstärkers
A1 verbunden und über
eine erste Impedanz Z1 auf den invertierenden Eingang des ersten
Operationsverstärkers
A1 zurückgekoppelt.
Der nicht-invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers A1
ist über
ein Schaltelement S11 mit einer Referenzspannung VREF verbindbar.
-
Der
zweite Eingang IN2 der Verstärkereinheit 10 ist über ein
Schaltelement S12 mit dem nicht-invertierenden Eingang des ersten
Operationsverstärkers
A1, sowie über
ein Schaltelement S21 mit dem invertierenden Eingang eines zweiten
Operationsverstärkers
A2 verbindbar. Außerdem
ist er mit einem ersten Anschluss einer zweiten Impedanz Z2 verbunden.
Der zweite Anschluss der zweiten Impedanz Z2 ist über ein Schaltelement
S22 an die Referenzspannung VREF, sowie über ein Schaltelement S23 an
den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers A2 schaltbar. Der zweite
Ausgang OUT2 der Verstärkereinheit 10 ist
mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers A2 verbunden. Der nicht-invertierende
Eingang des zweiten Operationsverstärkers A2 liegt an der Referenzspannung
VREF.
-
In
einer ersten Konfiguration K1 sind die Schaltelemente S11, S21,
S23 geschlossen und die Schaltelemente S12 und S22 offen. Damit
arbeiten die Operationsverstärker
A1 und A2 als zwei voneinander getrennte stromgesteuerte Spannungsquellen,
d.h. Stromsignale. die an die Eingänge IN1 und IN2 angelegt werden,
werden in proportionale Spannungssignale umgewandelt. Als Bezugspunkt
für die
Ausgangssignale OUT1 und OUT2 dient die Referenzspannung VREF.
-
In
einer zweiten Konfiguration K2 sind die Schaltelemente S11, S21
und S23 offen und die Schaltelemente S12 und S22 geschlossen. Dadurch
ist jetzt der zweite Eingang IN2 der Verstärkereinheit 10 über das Schaltelement
S12 mit dem nicht-invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers A1
und über
die zweite Impedanz Z2 und das Schaltelement S22 mit der Referenzspannung
VREF verbunden. Da Schaltelement S21 offen ist, ist der zweite Operationsverstärker A2
ohne Funktion. Am ersten Ausgang OUT1 der Verstärkereinheit 10 wird
ein Spannungssignal ausgegeben, das proportional zur Differenz der
an den Eingängen IN1
und IN2 anliegenden Stromsignale ist.
-
Wie
oben bereits erwähnt,
sind die zu verarbeitenden Eingangssignale meist annähernd sinusförmig und
weisen verschiedene Phasenlagen zueinander auf. Werden nun in die
Eingänge
IN1 und IN2 zwei zueinander um 180° phasenverschobene sinusförmige Signale
eingespeist, ergeben sich für
das Spannungssignal am Ausgang OUT1 folgende Vorteile:
- 1. Sogenannte Gleichtaktstörungen,
also Störungen,
die in beiden Stromsignalen an den Eingängen IN1 und IN2 gleichermaßen enthalten
sind, werden durch die Differenzbildung kompensiert.
- 2. Der Gleichstromanteil, der in den sinusförmigen Stromsignalen enthalten
ist, wird eliminiert, d.h. das Spannungssignal am Ausgang OUT1 ist
annähernd
offsetfrei.
-
In
der folgenden Tabelle sind die Schalterstellungen der Schaltelemente
S11, S12, S21, S22, S23 für die
Konfigurationen K1 und K2 zusammengefasst:
-
-
2 zeigt
den Prinzipschaltplan einer zweiten Ausführungsform eines konfigurierbaren
Eingangsverstärkers
für den
Einsatz in Positionsmesseinrichtungen. Er besteht aus zwei Verstärkereinheiten 10.1, 10.2 mit dem
gleichen Aufbau wie die Verstärkereinheit 10 in 1.
Zur Unterscheidung wurde den Bezugszeichen der Verstärkereinheiten 10.1, 10.2 die
laufende Nummer der Verstärkereinheit
hinzugefügt.
So ist die erste Verstärkereinheit
in 2 mit 10.1 bezeichnet. die zweite Verstärkereinheit
mit 10.2. Analog dazu entspricht Z1.1 in der ersten Verstärkereinheit 10.1 der
ersten Impedanz Z1 in 1, bzw. Z1.2 in der zweiten
Verstärkereinheit 10.2 der
ersten Impedanz Z1, usw.
-
Zusätzlich ist
den Ausgängen
OUT1.1 und OUT2.1 der Verstärkereinheit 10.1 ein
mittelwertbildender Spannungsteiler 20, bestehend aus einer
dritten Impedanz Z3, einer vierten Impedanz Z4 und einer fünften Impedanz
Z5 nachgeschaltet.
-
Der
erste Ausgang OUT1.1 ist über
die dritte Impedanz Z3, der zweite Ausgang OUT2.1 über die
vierte Impedanz Z4 mit dem ersten Anschluss der fünften Impedanz
Z5 verbunden. Der zweite Anschluss der fünften Impedanz Z5 ist mit der
Referenzspannung VREF verbunden. Bei Einhaltung der Bedingung Z3
= Z4 stellt sich am gemeinsamen Knotenpunkt der Impedanzen Z3, Z4,
Z5 ein Mittelwertsignal Vm ein, welches über ein Schaltelement S33 an
den nicht-invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers A1.2
der Verstärkereinheit 10.2 schaltbar
ist.
-
Neben
der ersten Konfiguration K1 und der zweiten Konfiguration K2 des
konfigurierbaren Eingangsverstärkers
in 1 ist in der bevorzugten Ausführungsform in 2 somit
noch eine dritte Konfiguration K3 möglich. Dabei sind in der Verstärkereinheit 10.1 die
Schaltelemente S11.1, S21.1, S23.1 geschlossen und die Schaltelemente
S12.1, S22.1 offen, in der Verstärkereinheit 10.2 die
Schaltelemente S21.2. S23.2 geschlossen und die Schaltelemente S11.2,
S12.2, S22.2 offen. Zusätzlich
ist Schaltelement S33 im mittelwertbildenden Spannungsteiler 20 geschlossen.
-
Damit
arbeiten in der dritten Konfiguration K3 des konfigurierbaren Eingangsverstärkers die
beiden Operationsverstärker
A1 und A2 der Verstärkereinheit 10.1 entsprechend
der oben beschriebenen ersten Konfiguration K1 als stromgesteuerte
Spannungsquellen. Aus deren Ausgangssignalen OUT1.1 und OUT2.1 wird im
mittelwertbildenden Spannungsteiler 20 ein Mittelwertsignal
Vm gebildet, welches über
das Schaltelement S33 an den nicht-invertierenden Eingang des ersten
Operationsverstärkers
A1.2 der Verstärkereinheit 10.2 gelangt.
Wenn der Eingang IN1.2 der Verstärkereinheit 10.2 unbeschaltet
ist, arbeitet der Operationsverstärker A1.2 als nichtinvertierender
Verstärker
mit Verstärkungsfaktor 1,
also als sogenannter Spannungsfolger, d.h. das Mittelwertsignal
Vm wird lediglich gepuffert und mit unveränderter Amplitude am Ausgang
OUT1.2 ausgegeben. Wie dem Fachmann allerdings bekannt ist, kann
der Verstärkungsfaktor
des Operationsverstärkers A1.2
durch externe Beschaltung des Eingangs IN1.2 in weiten Bereichen
variiert werden.
-
Der
Operationsverstärker
A2.2 der zweiten Verstärkereinheit 10.2 arbeitet
ebenfalls als stromgesteuerte Spannungsquelle entsprechend der ersten
Konfiguration K1.
-
Aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
sind die Schalterstellungen der Schaltelemente S11.1, S12.1, S21.1,
S22.1, S23.1. S11.2, S12.2, S21.2, S22.2, S23.2, S33 für die Konfigurationen
K1, K2, K3 in der folgenden Tabelle noch einmal zusammengefasst:
-
Als
Schaltelemente S11, S12, S21, S22, S23, S11.1, S12.1, S21.1, S22.1,
S23.1. S11.2, S12.2, S21.2, S22.2, S23.2, S33 werden Halbleiterschalter
verwendet. Diese können
annähernd
leistungslos ein- und ausgeschaltet werden und eignen sich hervorragend
für die
Integration in einem anwenderspezifischen Baustein (ASIC).
-
Die
verwendeten Impedanzen Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z1.1, Z2.1, Z1.2, Z2.2
können
aus Wirk- und Blindwiderständen
zusammengesetzt sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft wenn sie,
wie in 1 anhand von Z1 angedeutet, aus einem ohmschen
Widerstand R1 bestehen, zu dem ein Kondensator C1 parallelgeschaltet ist.
In diesem Beispiel arbeitet der erste Operationsverstärker A1
als Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von fg = 1/(2·π·R1·C1), d.h.
hochfrequente Störungen,
die im Eingangssignal enthalten sind, werden abgeschwächt.
-
Je
nach Konfiguration K1, K2, K3, in der die Verstärkereinheiten 10, 10.1, 10.2 betrieben
werden, kann es sein, dass einer der Operationsverstärker A1,
A2, A1.1, A2.1, A1.2, A2.2 für
die Funktion der Schaltung nicht benötigt wird. In diesem Fall ist
es besonders vorteilhaft, wenn der entsprechende Operationsverstärker A1,
A2, A1.1, A2.1, A1.2, A2.2 inaktiv geschaltet wer den kann. Dadurch
wird der Stromverbrauch und somit auch die Erwärmung der Schaltung reduziert.
-
Darüber hinaus
ist es von Vorteil, im inaktiven Zustand am dazugehörigen Ausgang
OUT1, OUT2, OUT1.1, OUT2.1, OUT1.2, OUT2.2 einen definierten Spannungspegel,
bevorzugt VREF, auszugeben. Auf diese Weise wird einem undefinierten
Verhalten des Operationsverstärkers
A1, A2, A1.1, A2.1, A1.2, A2.2, das sich durch den unbeschalteten
invertierenden Eingang ergeben könnte,
vorgebeugt.
-
Zur
Veranschaulichung ist in 1 die Möglichkeit, den zweiten Operationsverstärker A2
inaktiv zu schalten, durch ein Steuersignal 11 angedeutet.
Wird die Schaltung in der zweiten beschriebenen Konfiguration K2
betrieben, ist der zweite Operationsverstärker A2 ohne Funktion. In diesem
Fall kann er über
das Steuersignal 11 inaktiv geschaltet werden.
-
Die
in 1 und 2 beschriebenen Schaltungen
sind so konzipiert, dass an den Eingängen IN1, IN2, IN1.1, IN2.1,
IN1.2, IN2.2 anliegende Stromsignale in dazu proportional verlaufende
Spannungssignale umgewandelt und an den Ausgängen OUT1, OUT2, OUT1.1, OUT2.1,
OUT1.2, OUT2.2 ausgegeben werden. Derartige Schaltungen werden als
stromgesteuerte Spannungsquellen bezeichnet. Für den Fachmann ist es jedoch
offensichtlich, dass die Schaltungen durch die Verwendung zusätzlicher
Impedanzen, die in Serie zu den Eingängen IN1, IN2, IN1.1, IN2.1,
IN1.2, IN2.2 geschaltet werden, auch dazu verwendet werden können, Spannungssignale
zu verarbeiten. In diesem Fall spricht man von spannungsgesteuerten
Spannungsquellen. Die zusätzlichen
Impedanzen können
selbstverständlich
mit in den ASIC integriert werden.
-
3 zeigt
ein Blockdiagramm eines konfigurierbaren Eingangsverstärkers. bestehend
aus zwei Verstärkereinheiten 10.1, 10.2 und
einem mittelwertbildenden Spannungsteiler 20, mit einer übergeordneten
Steuereinheit 30, über
die auswählbar
ist, in welcher Konfiguration der Eingangsverstärker betrieben wird.
-
Die
Steuereinheit 30 erhält über mindestens
eine Konfigurationsleitung 31 die Information, in welcher Konfiguration
der Eingangsverstärker
betrieben werden soll. Über
eine Vielzahl von Schaltleitungen 32 werden die Schaltelemente
S11, S12, S21, S22, S23, S11.1, S12.1, S21.1, S22.1, S23.1, S11.2,
S12.2, S21.2, S22.2, S23.2, S33 je nach ausgewählter Konfiguration K1, K2,
K3 geöffnet
oder geschlossen.
-
Die
Steuereinheit 30, die Konfigurationsleitung 31 und
die Schaltleitungen 32 stellen somit Umschaltmittel 30, 31, 32 dar, über die
der Zustand der Schaltelemente S11, S12, S21, S22, S23, S11.1, S12.1,
S21.1, S22.1, S23.1, S11.2, S12.2, S21.2, S22.2, S23.2, S33 entsprechend
der Konfiguration K1, K2, K3 bestimmt wird.
-
Bei
der mindestens einen Konfigurationsleitung 31 kann es sich
beispielsweise um Auswahlleitungen handeln, bei denen durch das
Spannungspotential, mit dem sie verbunden werden, bestimmt wird,
welche Konfiguration K1, K2. K3 ausgewählt ist. Besonders vorteilhaft
ist es jedoch, wenn es sich bei der mindestens einen Konfigurationsleitung 31 um
eine digitale Schnittstelle 31, vorzugsweise eine serielle
Schnittstelle, handelt. Eine digitale Schnittstelle 31 ist
in applikationsspezifischen Bausteinen (ASICs). die in Positionsmesseinrichtungen
verwendet werden, häufig
bereits vorhanden, es sind also keine zusätzlichen Leitungen nötig. Darüber hinaus
ist diese Art der Ansteuerung sehr flexibel. So kann beispielsweise
ohne großen
Aufwand implementiert werden, dass jedes einzelne Schaltelement
gezielt aus- und
eingeschaltet werden kann. Auf diese Weise können z.B. Testfunktionen oder
weitere Konfigurationen integriert werden.
-
Die
beschriebenen Ausführungsformen
eines konfigurierbaren Eingangsverstärkers lassen sich im Rahmen
der Erfindung selbstverständlich
abwandeln und an verschiedenste Anforderungen anpassen.
