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I. Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Zeitintervalls, insbesondere bei Positionssensoren nach dem Laufzeitprinzip, beispielsweise in magnetostriktiven Positionssensoren.
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II. Technischer Hintergrund
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Bei derartigen Positionssensoren nach dem Laufzeitprinzip wird ein Zeitintervall zwischen einem Startimpuls und einem Stoppimpuls bestimmt, dessen Länge die Entfernung des Positionsgebers, meist eines Positionsmagneten von der Messstelle repräsentiert.
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Damit ist offensichtlich, dass die Genauigkeit des Positionssensors u. a. von der Genauigkeit der Bestimmung des Zeitintervalls abhängt.
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Daneben ist auch in anderen technischen Anwendungen die möglichst genaue Bestimmung eines sehr kurzen Zeitintervalls häufig gefragt.
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Die
EP 0885373 B1 sieht einen anwendungsspezifischen Spezialschaltkreis SARA {
12} vor, der aus einer hochauflösenden Zeitmesseinheit besteht, die zusätzlich mit einer fest programmierten State Machine ausgestattet ist. Die State Machine ist in der Lage, den Basis-Messzyklus eines magnetostriktiven Positionssensors selbsttätig und kontinuierlich abzuarbeiten. Für weitere Aufgaben des Messablaufs und zur Schnittstellenkommunikation ist ein zusätzlicher Mikrokontroller {
16} vorgesehen, der mit dem SARA Schaltkreis über einen parallelen 8-Bit Datenbus bestehend aus 12 Leitungen verbunden ist. Ein Nachteil dieser Anordnung ist die geringe Flexibilität der fest programmierten State Machine und der zusätzliche Aufwand für Kommunikation und Aufteilung der Verarbeitungsaufgaben zwischen State Machine und Mikrokontroller. Ebenso steht die hohe Anzahl an Gehäuse-Anschlusspins einer Miniaturisierung im Wege. Um die hohe Messauflösung, Genauigkeit und Stabilität zu erreichen, wird als Referenzelement für die Zeitmessung ein Quarz vorgeschlagen. Daraus ergibt sich ein Kosten- und ein Bauformnachteil, da Quarze im Vergleich zu anderen Resonatoren teuer sind und deutlich mehr Bauraum in Anspruch nehmen. Um die Empfindlichkeit der Anordnung gegen Störungen (Noise) zu verbessern, wird ein adaptives Noise Window vorgeschlagen. Dieses soll eine Fehlauslösung der Zeitmessung durch Störimpulse verhindern, indem die Zeitmessung nur innerhalb eines vorberechneten Positionsimpuls-Erwartungsfensters freigegeben wird. Ein Nachteil des Noise Window ist der hohe Rechenaufwand für die adaptive Positionierung des Noise-Window.
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Die
EP 01571425 A2 schlägt einen magnetostriktiven Positionssensor vor der dem Impulsdetektor ein Bandfilter zuordnet um das analoge Impulssignal weniger empfindlich gegen Störungen zu machen. Um die Integration der Hardware-Schaltung in ein Standardgehäuse zu ermöglichen wird ein Aufbau bestehend aus vier unabhängigen und beidseitig bestückten Einzel-Leiterkarten vorgeschlagen, die über Leiterplatten-Steckerverbinder untereinander verbunden sind. Das Gehäuse selbst besteht aus mehr als acht anwendungsspezifischen Formteilen. Ein Nachteil dieser Anordnung ist nicht nur im Aufwand für die vielen Gehäuse-Einzelteile sondern auch in der Zuverlässigkeit der hohen Anzahl an Steckkontakten für die Innenverdrahtung zu sehen. Auch steht die Erfordernis eines Bandfilters dem Ziel nach geringem Schaltungsaufwand entgegen.
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Die
US 5640109 A schlägt zur Verbesserung der Störfestigkeit des Impulsdetektors gegen elektrische oder mechanische Störimpulse eine Messung des Spitzenwertes und eine daraus abgeleitete Schaltschwellennachführung vor. Die Nachführung der Schaltschwelle über einen Digital-Analogwandler erfordert jedoch eine hohe Auflösung, um Schrittfehler durch die Schaltschwellenregelung unter der Messauflösung des Sensors zu halten. Des weiteren erfordert die Messung des Amplituden-Spitzenwertes zusätzlichen Aufwand an entsprechenden Schaltungsteilen. Alternative Ausführungen analog ausgeführter Schaltschwellen-Regelungen zur Vermeidung von Schrittfehlern erhöhen den Hardwareaufwand für Komparatoren, Operationsverstärker, Halteglieder, Analogschalter jedoch beträchtlich und verbrauchen Platz auf der Elektronikbaugruppe.
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Die
US 4943773 A schlägt zur Verbesserung von Störfestigkeit und Detektionsge- nauigkeit die Einführung eines zweiten Vergleichers für die Erkennung einer ersten von Null verschiedenen Schaltschwelle bei anschließender Detektion im Nulldurchgang vor. Auch hier ist mit der Realisierung des weiteren Vergleichers Zusatzaufwand und Platzierungsfläche auf der Elektronikbaugruppe erforderlich.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, die Messgenauigkeit und Störfestigkeit der Zeitmessung insbesondere bei magnetostriktiven Positionssensoren trotz verringerter Baugröße der Elektronikbaugruppe und niedriger Herstellungskosten zu verbessern.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 23 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch die Umwandlung in ein Digitalsignal und die Bestimmung des Zeitintervalls bis zur Mitte des digitalen Impulses wird die Messgenauigkeit erhöht und die Störfestigkeit verbessert.
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Der zur vorliegenden Erfindung nächstgelegene Stand der Technik ergibt sich aus der
DE 200 23 138 U1 . Diese zeigt bereits ein gattungsbildendes Verfahren zum Bestimmen eines Zeitintervalls zwischen einem Startimpuls und einem Positionsimpuls eines Positionssensors mit mindestens einem Positionsmagneten nach dem Laufzeitprinzip.
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Weiterer diesbezüglicher Stand der Technik ist aus der
US 4,079,315 A bekannt. Dort werden jedoch zur Ermittlung der zeitlichen Lage eines Analogsignals drei Zähler verwendet, die dadurch ausgelöst bzw. wieder angehalten werden, dass das Analogsignal bestimmte Schwellenwerte über- oder unterschreitet. Auf diese Weise wird dort der Abstand zwischen zwei Analogsignalen bestimmt, indem durch das Ansteigen des ersten Analogsignals über einen Schwellenwert ein erster Zähler ausgelöst wird, und durch das Abfallen des Analogsignals unter diesen Schwellenwert der erste Zähler angehalten wird und ein zweiter Zähler ausgelöst wird, der dann angehalten wird, wenn das Analogsignal einen weiteren Schwellenwert überschreitet, wobei zu diesem Zeitpunkt gleichzeitig ein dritter Zähler gestartet wird, der dann angehalten wird, wenn das Analogsignal wieder unter den zweiten Schwellenwert gefallen ist. Sodann wird die tatsächliche Impulsdauer durch eine Berechnung aus den drei Zählerständen ermittelt.
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Weiterer diesbezüglicher Stand der Technik findet sich noch in der
EP 1 306 650 A1 . Diese Entgegenhaltung richtet sich jedoch in erster Linie auf die mechanische Ausbildung des Positionssensors.
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Aus dem gleichen Grund werden nicht nur ein, sondern mehrere digitale Positionsimpulse mit unterschiedlicher zeitlicher Breite aus dem analogen Impuls erzeugt und das Zeitintervall mit Hilfe der digitalen gemittelten Mittelwerte aller erzeugten digitalen Positionsimpulse bestimmt. Dabei können die digitalen Positionsimpulse hinsichtlich ihrer Breite erzeugt werden durch Subtrahieren eines zweiten vom einen ersten Zeitintervall, insbesondere eines zweiten digitalen von einem ersten digitalen Zeitintervall.
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Auch alle weiteren in den Ansprüchen angegebenen Merkmale dienen entweder der Erhöhung der Messgenauigkeit und Störfestigkeit der Zeitmessung oder der Verringerung des Platzbedarfs für die Elektronikbaugruppe und deren Koste.
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c) Ausführungsbeispiele Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
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1a: den Aufbau eines erfindungsgemäßen magnetostriktiven Positionssensors,
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1b: den Aufbau der Wellenleiter-Detektor-Einheit,
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1c: eine mechanisch elastische Impulswelle,
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2: einen erfindungsgemäßen magnetostriktiven Positionssensor,
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3: ein Signal-Zeitdiagramm einer bevorzugten Ausführung mit Vergleicher,
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4: einen Schaltplan einer bevorzugten Ausführung mit einem Vergleicher,
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5: ein Signal-Zeitdiagramm einer Ausführung mit drei Vergleichern,
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6: einen Schaltplan einer Ausführung mit drei Vergleichern,
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7: ein Signal-Zeitdiagramm einer Amplitudenstörung des analogen Positionsimpulses,
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8: ein Signal-Zeitdiagramm einer Offsetstörung des analogen Positionsimpulses,
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9: ein Zeitdiagramm zum Ablauf der Zeitmessung und der Aktivität der Steuer- und Arithmetikeinheit,
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10: ein Blockschaltbild der Signalverarbeitungselektronik des erfindungsgemäßen magnetostriktiven Positionssensors,
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1a, 1b und 2 zeigen den Aufbau eines erfindungsgemäßen magnetostriktiven Positionssensors. Das Hauptmerkmal für Sensoren dieser Art ist die Messung der Laufzeit einer mechanisch elastischen Impulswelle entlang eines Wellenleiters. In einer bevorzugten Ausführung wird ein Positionsmagnet (3) entlang eines Wellenleiters geführt. Der Wellenleiter ist in einer Wellenleiter-Detektor-Einheit (2) integriert. Ein über das Leiterpaar (8) dem Wellenleiter zugeführter Erreger-Stromimpuls (11) mit einer Impulsdauer von etwa zwei bis fünf Mikrosekunden erzeugt ein zirkulares Magnetfeld entlang des Wellenleiters.
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An der Position, an der sich das Magnetfeld des Positionsmagneten (3) und das zirkulare Magnetfeld des Wellenleiters durchdringen, entsteht eine mechanisch elastische Impulswelle, die sich entlang des Wellenleiters ausbreitet. Ein am Ende der Wellenleiter-Detektor-Einheit angebrachter Impulsdetektor wandelt die nach einer Laufzeit eintreffende mechanisch elastische Impulswelle in einen analogen elektrischen Spannungsimpuls (10) um. Die Laufzeit der mechanisch elastischen Impulswelle bis zum Eintreffen am Impulsdetektor ist das Maß für die Position des Magneten (3).
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Erregung, Einleitung und auch die Detektion der mechanisch elastischen Impulswelle kann mit anderen Mitteln erfolgen: Eine alternative Ausführungsform sieht die Erzeugung der mechanisch elastischen Impulswelle durch ein Piezoelement und die Detektion eines Spannungsimpulses über dem Wellenleiter vor. Eine weitere alternative Ausführungsform sieht die Erregung der mechanisch elastischen Impulswelle durch eine den Wellenleiter umschließende Spule vor. Schließlich kann in einer weiteren Ausführungsform die mechanisch elastische Impulswelle anstatt im Wellenleiter erregt, in diesen über ein Villary-Element eingeleitet werden. Gemeinsam bleibt allen Sensoren dieser Art das Prinzip der Laufzeitmessung der mechanisch elastischen Impulswelle, deren charakteristischer Verlauf sich aus zwei zeitverschoben überlagerten Einzelimpulsen (1c 108, 109) ergibt.
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10 zeigt das Blockschaltbild der Signalverarbeitungselektronik (15) des erfindungsgemäßen magnetostriktiven Positionssensors (1). Eine Multitasking- und Arithmetikeinheit (20) ist über Stecker (19a, 17) mit einer Folgeelektronik verbunden. Die Verbindung zur Folgeelektronik umfasst die Spannungsversorgung (nicht dargestellt) und Schnittstellensignale zur digitalen oder analogen Übertragung von Positionswerten (nicht dargestellt). Die Multitasking- und Arithmetikeinheit ist mit einem Keramikresonator (26) verbunden, der den Arbeitstakt liefert. Über einen Schalter (25) erzeugt die Multitasking- und Arithmetikeinheit den Erregerimpuls (11) auf dem Leiterpaar (8). Eine von der Multitasking- und Arithmetikeinheit angesteuerte Hochstellereinheit (16) erzeugt die für den Erregerkreis (8) notwendige Erregerspannung. Der auf dem Leiterpaar (9) eingehende analoge Positionsimpuls (10) wird mit einem Vorverstärker (24) verstärkt und der Vergleichereinheit (23) zugeführt. Ein Digital-Analog-Wandler (76) ist mit seinem analogen Ausgang mit der Vergleichereinheit verbunden. Der Digital-Analog-Wandler wird von der Multitasking- und Arithmetikeinheit angesteuert oder ist in einer alternativen Ausführung integrierter Bestandteil von dieser. Das digitale Vergleichersignal (35) der Vergleichereinheit ist über eine Verknüpfungslogik (22) mit dem Eingang der Zeit-Messeinheit (21) verbunden. In einer alternativen Ausführungsform mit nur einem Vergleicher entfällt die Verknüpfungslogik und das Vergleichersignal (35) ist direkt mit der Zeit-Messeinheit verbunden. Die Zeitmessung wird von der Multitasking- und Arithmetikeinheit über die Leitung (34) mit einem Impuls (36) gestartet. Zum Datenaustausch ist die Multitasking- und Arithmetikeinheit mit der Zeitmesseinheit über eine schnelle serielle Schnittstelle (21) verbunden.
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4 zeigt den Schaltplan der erfindungsgemäßen Impulsauswerteschaltung mit einem Vergleicher (91), 3 zeigt das zugehörige Signal-Zeitdiagramm. Vom Vorverstärker (24) wird auf der Leitung (74) dem Vergleicher über einen ersten Eingang der analoge Positionsimpuls (10) zugeführt. Ein Widerstandstandsteiler bestehend aus zwei Widerständen (89, 90) erzeugt eine Vergleichsspannung (39), die auf der Leitung (111) dem zweiten Eingang des Vergleichers zugeführt wird. Der Vergleicher erzeugt das Zustandssignal (35). Der Vergleicher ist als Komparator mit einer Signalverzögerungszeit von 4 bis 80 nsec ausgeführt. Durch Spannungsvergleich an beiden Eingängen wandelt der Vergleicher das analoge Positionsimpuls in einen digitalen Positionsimpuls (43) um. Der digitale Positionsimpuls hat eine führende Flanke (42) und eine folgende Flanke (44), die symmetrisch zur Symmetrieachse (31) des analogen Positionsimpulses liegen.
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Die Impulsbreite (50) des digitalen Positionsimpulses ist von der Schaltschwelle (39) abhängig. Wird die Schaltschwelle auf einen höheren Spannungswert angehoben verringert sich die Impulsbreite, wird die Schaltschwelle abgesenkt, nimmt die Impulsbreite zu. Dabei bleibt die symmetrische Lage des digitalen Positionsimpulses zur Symmetrieachse des analogen Positionsimpulses bestehen. Umgekehrt bleibt die Lage des digitalen Positionsimpulses auch bei Amplituden- oder Offsetschwankungen unbeeinflusst. Um die Impulsdetektion zu verbessern wird deshalb durch Mittelwertbildung der Messwerte zweier Intervalle (47, 49) ein Positionsimpuls-Mittenwert gebildet. Wird nun die Amplitude des analogen Positionssignals (10) durch Fertigungstoleranzen oder Temperatur vergrößert (10a) oder verkleinert (10b), bleibt dabei der Positionsimpuls-Mittenwert unverändert, die Störung ist unterdrückt. Das gleiche gilt für Offsetfehler (10c), die dem analogen Positionssignal (10) eine Gleichspannung überlagern und für niederfrequente Störspannungen, deren Frequenzen 10-fach unter der Grundschwingung des Positionsimpulses von etwa 100 kHz liegen. 7 zeigt die Beeinflussung der Positionssignals durch Amplitudenverfälschung, 8 die Beeinflussung durch eine Offsetverschiebung. Die Verbreiterung (47a, 47c, 48a, 48c) des digitalen Positionsimpulses (43) oder dessen Verschmälerung (47b, 48b) beeinflusst den Positionsimpuls-Mittenwert (49) nicht.
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Die Mittelwertbildung über zwei Messwerte für einen Positionsimpuls verringert den statistischen Einfluss hochfrequenter Störungen auf das Ergebnis der Messung. Wie anschließend ausgeführt wird, kann in einer alternativen Ausführungsform nach 5 dies weiter verbessert werden, indem eine größere Anzahl von Messwerten für einen Positionsimpuls erfasst wird. Da alle Messwerte innerhalb eines Messzyklus ermittelt und verarbeitet werden, ergibt sich kein Einfluss auf die Dynamik des Messsignals. Bei bekannten Sensoren konnte nur durch Wiederholen kompletter Messzyklen eine Mittelwertbildung erreicht werden, dies verringerte jedoch die Dynamik des Messsignals.
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Die Multitasking-Arithmetik-Einheit vergleicht die Impulsbreite (50) gegen vorgegebene Vergleichswerte unter Berücksichtung der aktuell eingestellten Schaltschwelle (39). Übersteigt die Abweichung vorgegebene Grenzwerte wird ein Fehlerflag gesetzt. Das Fehlerflag kann durch eine Fehlerbehandlungs-Task wie unten beschrieben ausgewertet werden.
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Obwohl die Positionsimpuls-Mittendetektion Einflüsse auf Amplitudenhöhe und Offset bereits eliminiert, wird die Schaltschwelle des Vergleichers an die aktuelle Amplitudenhöhe angepasst, um einen stets optimalen Störabstand gegen überlagerte Störsignale sicherzustellen. Für eine bevorzugte Ausführungsform wird ein optimaler Störabstand der Vergleicher-Schaltschwelle mit 70% des Amplituden-Spitzenwertes erreicht. Anstelle des Amplituden-Spitzenwertes wird die Impulsbreite als Messgröße für die Nachführung der Vergleicher-Schaltschwelle verwendet. Die Multitasking-Arithmetik-Einheit führt über den Digital-Analog-Wandler (76) die Schaltschwelle nach jedem Messzyklus so nach, dass sich eine verdefinierte Impulsbreite einstellt. Die Schaltschwellen-Nachführung über die Impulsbreite des Positionssignals erübrigt die Erfassung des Impuls-Spitzenwertes und den damit verbundenen Schaltungsaufwand. Für einen Impulsdetektor nach dem Stand der Technik mit der Auswertung einer einzigen Signalflanke pro Positionsimpuls darf die Auflösung des Digital-Analog-Wandlers (76) zur Schaltschwellen-Nachführung nicht zu klein gewählt werden, da die Nachführung auf Grund der Quantisierung des Signals (75) in Schritten erfolgt. Dies führt bei der Detektion zu einem Zeitfehler, da der Schaltpunkt ja auf der schrägen Flanke des analogen Positionssignals nicht nur auf und ab sondern auch entlang der Zeitachse verschoben wird. Dies wird auch Walking-Effect genannt. Die erfindungsgemäße Schaltung vermeidet auf Grund der symmetrisch zur Mittellinie des Positionsimpulses liegenden Messwerte auch bei grober Quantisierung des Signals (75) den Walking-Effect. Dies erlaubt die Verwendung eines preisgünstigen 8-Bit-Digital-Analog-Wandler (76) in der bevorzugten Ausführungsform, realisierbar durch einen üblichen pulsweitenmodulierten Ausgang mit Widerstands-Kondensator-Beschaltung.
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Zur Vermeidung des Walking Effect nutzen Impulsdetektoren nach dem Stand der Technik die Detektion im Spannungs-Nulldurchgang des Positionssignals, dessen zeitliche Lage im Idealfall von Amplitudenschwankungen unbeeinflusst ist. Da die Schaltschwelle für den Nulldurchgang sich vom Rauschen der Signal-Grundlinie nicht abhebt, muss eine zusätzliche von der Nullspannung verschiedene Schaltbedingung eingeführt und daraus eine Schaltfreigabe für die Nulldurchgangsdetektion erzeugt werden. Dem Stand der Technik entsprechend ist dafür ein zusätzlicher Detektor, mit einer von der Nullspannung verschiedenen Schaltschwelle erforderlich, dessen Schaltsignal jedoch zur Positionsgenauigkeit nichts beiträgt.
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6 zeigt den Schaltplan einer alternativen Ausführungsform der Impulsauswerteschaltung mit einem ersten (84), zweiten (85) und dritten (86) Vergleicher, 3 zeigt das zugehörige Signal-Zeitdiagramm. Vom Vorverstärker (24) wird auf der Leitung (74) allen drei Vergleichern über einen ersten Eingang der analoge Positionsimpuls (10) zugeführt. Ein erster (78, 79), zweiter (80, 81) und dritter (82, 83) Widerstandsteiler erzeugt Vergleichsspannungen (55, 56, 57), die den zweiten Eingängen der drei Vergleicher zugeführt werden. An den Ausgängen der Vergleicher liegen die digitalen Vergleicher-Signale (58, 59, 60). Durch Spannungsvergleich an beiden Eingängen wandeln die Vergleicher das analoge Positionsimpuls in digitale Positionsimpulse (69, 70 71) um. Da die Schaltschwellen für jeden Vergleicher unterschiedlich sind, liegt der Schaltpunkt für die digitalen Positionsimpulse zeitlich verschieden und es entstehen digitale Positionsimpulse (69, 70, 71) mit unterschiedlicher Impulsbreite. Jeder der drei Positionsimpulse liegt wie bereits beschrieben symmetrisch zur Symmetrieachse des analogen Positionsimpulses. Die digitalen Vergleichersignale werden einer Verknüpfungslogik (22) zugeführt.
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Die Verknüpfungslogik führt alle zugeführten Vergleichersignale (58, 59, 60) kombinatorisch zu einem einzigen Vergleichersignal (35) zusammen. Vorzugsweise erfolgt die Verknüpfung durch ein oder mehrere EXCLUSIVE-ODER Gatter (EX-OR-Gatter). Ein EX-OR-Gatter hat zwei Eingänge X1, X2 und einen Ausgang Y. Der Ausgang nimmt den Zustand HIGH dann an wenn die Eingänge verschiedenen Zustand haben – er nimmt den Zustand LOW dann an wenn die Eingänge gleichen Zustand haben. In Boolscher Notation: Y = X1 ⊕ X2. Je zwei Vergleichersignale werden auf die zwei Eingänge X1, X2 eines der EX-OR-Gatter geführt. Die Ausgänge Y der EX-OR-Gatter bzw. verbleibende Vergleichersignale werden wiederum paarweise auf ein nächstes Gatter geführt, bis alle Verknüpfungspfade in das Vergleichersignal (35) kombiniert sind. Für die alternative Ausführungsform mit drei Vergleichern sind zwei EX-OR-Gatter verwendet. Das von der Verknüpfungslogik ausgegebene Vergleichersignal (35) wechselt seinen Zustand bei jedem Zustandswechsel eines der zugeführten Vergleichersignale. Da die Zeitmesseinheit jeden der Zustandswechsel unabhängig vom Vorzeichen verarbeitet, kann eine definierte Zuordnung der Vorzeichen durch die Verknüpfungslogik entfallen. Die Schaltschwellen der einzelnen Vergleicher sind zueinander soweit auseinandergelegt, dass sich ausreichend zeitlicher Abstand für die Verarbeitung der aufeinander folgenden Zustandswechsel durch die Zeitmesseinheit (Doppelimpuls-Auflösung) ergibt. Die Zeitmesseinheit hat eine Doppelimpuls-Auflösung von kleiner als 10 ns. Bei der Schaltungsausführung mit einem Vergleicher verarbeitet die Zeitmesseinheit zwei Zustandswechsel des Vergleichersignals (35) – bei einer Ausführung mit einer Anzahl von zwei bis N Vergleichern werden zweimal N Zustandswechsel verarbeitet.
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Da alle Zustandswechsel des Vergleichersignals paarweise symmetrisch zum Positionssignal-Mittenwert angeordnet sind, reicht für dessen Berechnung die Summation über alle Messwerte als einfachstmögliche mathematische Operation aus. Es ist keine Multiplikation oder Division nötig. Dies bedeutet geringen Rechenaufwand und hebt die Methode vorteilhaft ab von einer auf Interpolation oder Ausgleichsrechnung basierenden Verarbeitung von nicht paarweise mittensymmetrisch angeordneten Wertemengen.
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Das Vergleichersignal (35) wird dem Eingang der Zeitmesseinheit (21) zugeführt. Die Zeitmesseinheit ist als handelsüblicher Zeit-Digital-Wandler (TDC) in Form eines integrierten Schaltkreises ausgeführt. Die Zeitauflösung des Zeit-Digital-Wandlers beträgt etwa 100 Picosekunden. Die Zeitmessung ist Multi-Hit-fähig, das heißt sie kann mehrere nach einem Startimpuls (36) in auch kurzem zeitlichen Abstand eintreffende Zustandwechsel erfassen und das Ergebnis der Zeitmessung in einem internen Speicher hinterlegen. Die Zeitmesseinheit wird zum Messbeginn durch einen von der Verarbeitungs- und Arithmetikeinheit (20) zugeführten Startimpuls (36) gestartet und erfasst die danach eingehenden Zustandswechsel des Vergleichersignals (35). Dabei werden sowohl die steigenden als auch fallenden Flanken des Vergleichersignals als Zeitereignisse ausgewertet und je ein entsprechender Messwert zwischengespeichert. Ein Messzyklus der Zeitmesseinheit erfasst also mehrere Messwerte, die alle einem einzigen Positionsimpuls zugeordnet sind. Eine Zeitmesseinheit einer bevorzugten Ausführungsform erfasst vier Messwerte pro Positionsimpuls mit zwei Vergleichern. Eine alternative Ausführungsform sieht die Erfassung von vier Messwerten bei nur einem Vergleicher für eine Zwei-Magnetanordnung vor, so dass je zwei eingehende Messwerte zur Mittenwertbildung für jeden der beiden Positionsimpulse genutzt werden.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform werden pro Positionsimpuls zwei Messwerte erfasst. Diese werden von der Multitasking- und Arithmetikeinheit (20) innerhalb von 10 Mikrosekunden nach der Erfassung zur Weiterverarbeitung ausgelesen. Bei Mehrmagnetanordnung wird die Zeitmesseinheit zur Auswertung weiterer Positionsimpulse erneut gestartet und gleichzeitig ein Grob-Zeitwert durch die Multitasking- und Arithmetikeinheit zur Verrechnung zwischengespeichert. In einer bevorzugten Ausführungsform übernimmt bereits die Zeitmesseinheit die Addition der einem Positionsimpuls zugeordneten Messwerte in einem Messwertakkumulator. In einer weiteren alternativen Ausführungsform hat die Zeitmesseinheit mehr als einen Messkanal und erfasst auf jedem Messkanal eine Teilmenge der einem Positionsimpuls zugeordneten Messwerte.
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Eine alternative Ausführungsform erlaubt eine Zeitdifferenzmessung zwischen einem ersten analogen Positionsimpuls und einem oder mehreren zeitlich folgenden analogen Positionsimpulsen. Der Messbeginn ist hier nicht durch einen digitalen Startimpuls, sondern durch einen ersten analogen Positionsimpuls definiert. Eine Anzahl Messwerte wird wie oben beschrieben für den ersten analogen Positionsimpuls und die nachfolgenden Positionsimpulse gebildet. Die Wertemenge für alle Positionsimpulse wird in der Zeitmesseinheit zwischengespeichert und nach Ablauf des Messzyklus weiterverarbeitet. Dabei erfolgt die Zuordnung der Messwert-Teilmengen zu den analogen Positionsimpulsen durch die Auswerteeinheit. Alternativ wird die zu jedem einzelnen Positionsimpuls gehörende Messwert-Teilmenge sofort aus der Zeitmesseinheit an die Steuerung übertragen. Die Messwerterfassung durch die Zeitmesseinheit kann dabei – nach Auslesen von Messwerte-Teilmengen – zwischen den einzelnen Impulsen neu gestartet oder über alle analogen Impulse durchgehend bei Speicherung der Gesamt-Messwertemenge betrieben werden. Dies hängt von der Ausbildung der Zeitmesseinheit und der Anzahl der vorgesehenen Speicher ab.
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Die Zeitmesseinheit empfängt ein Bezugs-Taktsignal (27) von etwa 2 bis 8 MHz von der Verarbeitungs- und Arithmetikeinheit (20). In einer alternativen Ausführung wird zur Erzeugung des Arbeitstakts direkt an die Zeitmesseinheit ein Keramikresonator (28) angeschlossen. Des Weiteren enthält die Zeitmesseinheit einen Temperatur-Messkreis, an die ein temperaturabhängiger Widerstand (29a) und ein Kondensator (29b) angeschlossen sind. Da die Temperaturmessung in Form einer Widerstands-, Kondensator-Ladeschaltung in eine Zeitmessung überführt ist, wird der Temperaturwert auch über die Zeitmesseinheit ohne Zusatzaufwand in Form eines aktiven Temperatursensors erfasst.
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Die Zeitmesseinheit (21) ist über eine schnelle serielle Schnittstelle mit einer Bitrate von 25 MHz an die Multitasking- und Arithmetikeinheit (20) angeschlossen. Ein Messergebnis mit einer Auflösung von 24 Bit kann somit in weniger als 2,4 Mikrosekunden aus der Messeinheit in die Verarbeitungs- und Arithmetikeinheit übertragen werden. Mit einem Taktsignal und dem Übertragen eines Befehlscodes erfolgt die Aktivierung der Übertragung. Eine oder vorzugsweise zwei serielle Datenleitungen dienen zum Transfer der seriellen Daten. Eine Synch-Leitung formatiert mit einem Impuls die abgeschlossene Übertragung. Der PIN-Count (Anzahl der Anschlüsse pro Gehäuse) von Sensordaten-Erfassungssystemen nach dem Stand der Technik mit parallelem Bussystems liegt mit einer Anzahl von 100 um das 3-fache höher als bei der erfindungsgemäßen Zeitmesseinheit mit seriellem Datenbus. Gleiches Pin-Raster vorausgesetzt, ergibt sich ein Flächenvorteil von 5 × 5 mm gegen 12,5 × 12,5 mm Platzierungsfläche entsprechend dem 6-fachen – ein wesentlicher Beitrag bei für die Schaffung kleinerer Sensorabmessungen.
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Die Multitasking- und Arithmetikeinheit hat folgende Einzelmerkmale: Interruptfähigkeit für Zeit- und Ereignis-Interrupts, Grob-Zeiterfassung, Standby-Mode, Programmspeicher, Datenspeicher, EEPROM-Speicher für nichtflüchtig programmierbare Daten, schnelle Arithmetikeinheit, Überwachungseinheit (Watch-Dog) für Totschleifen. Daten und Programmspeicher sind in 8, 16 oder 32 Bit Datenworten organisiert.
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Zum Ablauf eines Messzyklus nach 9 führt die Multitasking- und Arithmetikeinheit eine Folge von Verarbeitungsschritten durch, die im Fehlerfall durch das Abarbeiten von Fehleranalyse- und Behebungsstrategien unterbrochen werden:
- – Einstellen der Erregerspannung (32) durch Ansteuerung des Hochstellers (30) über eine Takt- und eine Feedbackleitung
- – Erzeugen eines Erregerimpulses (11) mit Schalter (25)
- – Zeit-Interrupt 'Messbereich-Anfang' verarbeiten ()
- – Starten der Zeitmesseinheit (21) durch einen Startimpuls (36) auf Leitung (34)
- – Standbymodus (105) aktivieren
- – Ereignis-Interrupt 'Positionsimpuls-1' (93) verarbeiten
- – Standbymodus aktivieren
- – Ereignis-Interrupt 'Positionsimpuls-2' (93) verarbeiten
- – Standbymodus aktivieren
- – Zeit-Interrupt 'Messbereich-Ende' verarbeiten (94)
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In der Ereignis-Interruptsequenz (93) wird folgende Aufgabe abgearbeitet:
- – Lesen des Messwertes aus der Zeitmesseinheit
- – Neustart der Zeitmesseinheit und Erfassung des aktuellen Grob-Zeitwertes
- – Zählen der Anzahl der Magnete
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In den Zeit-Interruptsequenzen (94) werden folgende Aufgaben abgearbeitet:
- – Erkennen von Messbereich-Anfang und Messbereich-Ende
- – Erkennen von Fehlerbedingung ”kein Magnet” durch Time-Out
- – Durchführen sonstiger Timing-Prozesse wie beenden des Parametermodus, Watch Dog Überwachung
- – Äquidistante Ausgabe von Messwerten an die Folgeelektronik
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In nebenläufigen, im Timesharing Verfahren abgearbeiteten Tasks (95, 96, 97, 98), werden weitere Aufgaben abgearbeitet. Dabei werden die von der Position des Magneten abhängenden veränderlichen Pausenzeiten ausgenutzt, die zwischen den Ereignis-Interrupts liegen. Stehen keine abzuarbeitenden Prozesse an, wird die Multitasking- und Arithmetikeinheit in einen stromsparenden Stand-By Mode versetzt der mit einem auftretenden Interrupt verzögerungsfrei beendet wird. Beispiele für nebenläufige Aufgaben sind:
- – Berechnung der Messwertsummen und Bestimmen des Positionswertes (97)
- – Messen der Temperatur des Keramikresonators und Korrekturrechnung der Positionswerte
- – Nachführen der Schaltschwelle des Vergleichers über Impulsbreitenregelung (96)
- – Nachführen der Erregerspannung auf einen vorbestimmten Wert (95)
- – Kommunikation über Parameterschnittstelle durchführen (98)
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Nachdem Zeitmesswerte für jeden Zustandswechsel einer Impulsfolge des Zustandssignals (61) von der Zeitmesseinheit erfasst und in die Multitasking- und Arithmetikeinheit übertragen sind, erfolgt deren arithmetische Bearbeitung. Ein Positionsimpuls-Mittenwert wird durch Addition zweier Messwerte für die Zeitintervalle (47) und (49) gebildet. In einer alternativen Ausführungsform erfolgt eine Mittelwertbildung durch Addition und anschließender Division durch zwei. In einer weiteren alternativen Ausführungsform werden die ermittelten Positionswerte durch Verrechnung mit einer Korrektur-Wertetabelle linearisiert um Toleranzen der Wellengeschwindigkeit des Wellenleiters auszugleichen. Die Wertetabelle wird im nichtflüchtigen Speicher während der Endprüfung hinterlegt. Zur Linearisierung wird je nach gemessenem Positionswert auf einen oder mehrere der Korrekturwerte zugegriffen.
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Auf Grund der flexiblen Programmierung kann die Multitasking- und Arithmetikeinheit nicht nur einfache Entscheidungen treffen wie z. B. ”Magnet fehlt”. In einer bevorzugten Ausführungsform reagiert die Multitasking- und Arithmetikeinheit auf Fehlerfälle und Sonder-Betriebszustände mit einer Fehlerstrategie. Fehlt z. B. das Positionssignal, wird zunächst kein fehlerbehafteter Messwert erzeugt und ausgegeben, sondern durch weitere Messzyklen mit veränderter Erregerspannung oder veränderter Schaltschwelle der Detektionsbereich abgesucht.
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Zusätzlich wird überprüft ob andere Ergebnisse der seriell einlaufenden Zeitmessungen wahrscheinlich richtig sind. Dies geschieht durch Vergleich mit den zuletzt als richtig verarbeiteten Messwerten, die für diesen Zweck in einem Zwischenspeicher abgelegt sind.
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Kommt es zur Entscheidung, dass ein nicht behebbarer Fehler vorliegt, wird eine differenzierte Fehlermeldung über die genaue Fehlerursache an die Folgeelektronik übermittelt oder eine Zustandsanzeige in Form einer Leuchtdiode aktiviert.
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Nach jedem Einschalten der Versorgungsspannung führt die Multitasking- und Arithmetikeinheit einen Selbsttest des vollständigen Sensors durch. Für diesen Zweck wird der Messwerterfassungszyklus unterbrochen und es werden Messgrößen wie Versorgungsspannung, Temperatur, aktuelle Positionsimpuls-Breite, hinterlegte Messlänge erfasst. Ebenso werden Programmspeicher und nichtflüchtiger Datenspeicher auf Konsistenz (Checksumme) überprüft sowie ein Test des flüchtigen Datenspeichers SRAM durchgeführt.
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Die Multitasking- und Arithmetikeinheit übernimmt weitere Aufgaben, die der Verbesserung und Kostensenkung innerhalb des Fertigungsprozesses oder nach der Auslieferung dienen. Während des Endtests nach der Fertigung ist die Multitasking- und Arithmetikeinheit über eine zusätzliche Kommunikationsverbindung in Form einer Parametrierschnittstelle und an eine Prüf- und Vermessungseinheit angeschlossen. Über diese Schnittstelle werden Einstellungen wie Messlänge, Ausgangsspannung, Nullpunkt, Endpunkt, Konfiguration der zur Verfügung stehenden Ausgangskanäle in den Sensor zur nichtflüchtigen Speicherung übertragen. Auch nach Auslieferung des Produkts ist die Parametrierschnittstelle nutzbar um zum Beispiel um eine Nullpunkteinstellung an eine Einbausituation anzupassen oder eine Funktionsprüfung durchzuführen. Für diesen Zweck wird der Messwerterfassungszyklus unterbrochen und es Sonderprogrammfunktionen ausgeführt.
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Ein Keramikresonator (26) ist das frequenzbestimmende Bauelement für die Verarbeitungs- und Arithmetikeinheit. Um eine hohe Rechen- und Verarbeitungsleistung zu erzielen, ist eine Systemtaktfrequenz von 20 MHz vorgesehen. Die Verarbeitungs- und Arithmetikeinheit teilt diesen hochfrequenten Systemtakt herunter auf eine Bezugs-Taktfrequenz (27) von 2 bis 8 MHz und führt diesen der Zeitmesseinheit zu. Dies hat den Vorteil, dass die üblichen Perioden-Unsymmetrien des Systemtakt-Oszillators durch Herunterteilen eliminiert werden. Verglichen mit einem Quarz ist die Trimmgenauigkeit eines Keramikresonator mit 0,5% etwa 100-fach geringer und der Temperaturkoeffizient mit 50 ... 100 ppm/Grad etwa 2-fach größer. Somit kann ein Keramikresonator trotz eines deutlichen Kosten- und Bauformvorteils nicht ohne weiteres zum Einsatz kommen. Ein Quarz ist etwa 10-fache teuerer bei einer etwa der 5- bis 10-fach größeren Platzierungsfläche.
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Die erfindungsgemäße Anordnung sieht vor, dass die Trimmtoleranz des Keramikresonators in den Endabgleich des magnetostriktiven Positionssensors einbezogen wird. Im Endabgleich werden unvermeidliche Fertigungstoleranzen wie die Schalllaufzeit der mechanisch elastischen Welle und mechanische Fertigungstoleranzen gegen eine hochgenaue Längenreferenz wie z. B. einem Laser-Interferometer abgeglichen. Ein erster Ausgleichsfaktor wird nach der Endvermessung in der Verarbeitungs- und Arithmetikeinheit hinterlegt. Ein weiterer zweiter Ausgleichsfaktor wird zur Kompensation des Temperaturgangs des Keramikresonators hinterlegt. Während des Normalbetriebs wird die aktuelle Temperatur des Keramikresonators mit der Zeitmesseinheit gemessen und es werden beide Ausgleichsfaktoren mit den gemessenen Zeitwerten verrechnet um einen korrigierten und temperaturstabilen Positionswert zu erhalten. Um eine möglichst fehlerfreie Temperaturinformation über den Keramikresonator zu erhalten ist der an die Zeitmesseinheit angeschlossene Messwiderstand (29) im Leiterkartenlayout der Elektronikbaugruppe unmittelbar neben dem Keramikresonator (26) oder (28) in der alternativen Ausführungsform angeordnet. Auf Grund der hohen Rechenleistung der Verarbeitungs- und Arithmetikeinheit erfordert die Verrechnung der Ausgleichsfaktoren für die Korrekturrechnung einen geringen Aufwand, so dass Kostenvorteil und vor allem der Bauformvorteil überwiegen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist realisiert auf einer einzigen Leiterkarte (15) dies erlaubt unter Ausnutzung des verringerten Platzierungsflächenbedarfs neuartige Gehäusebauformen als Flachprofil mit 35 mm Breite × 12 mm Höhe oder als Rundprofil mit 25 mm Durchmesser. Dies ist mit einer Baukonzept nach dem Stand der Technik nicht möglich. Für die erfindungsgemäßen Gehäusevarianten sind mit dem Gehäuseprofil und den Abschlussdeckeln die wesentlichen Sonder-Fertigungsteile definiert alle anderen Elemente ergeben sich aus konfektionierten Standards wie Runddichtungen, Schrauben, Stecker usw.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetostriktiver Positionssensor
- 2
- Wellenleiter-Detektor-Einheit
- 3
- Positionsmagnet
- 4
- Wellenleiter
- 5
- Detektorseitiges Ende des Wellenleiters
- 6
- Fußpunktseitiges Ende des Wellenleiters
- 7
- Detektor für mechanisch elastische Impulswelle
- 8
- Anschluss-Leiterpaar für Erregerkreis
- 9
- Anschluss-Leiterpaar für Detektorspule
- 10
- Mechanisch elastische Impulswelle
- 11
- Erreger-Stromimpuls im Erregerkreis
- 12
- Gehäuse des magnetostriktiven Positionssensors
- 13
- Abschlussdeckel
- 14
- Dichtungen
- 15
- Elektronikbaugruppe
- 16
- Halterung für Elektronikbaugruppe
- 17
- Anschlussstecker = Ausgangsleitung
- 18
- Multitasking- und Arithmetikeinheit = Verarbeitungseinheit
- 19
- Stecker für Innenverdrahtung
- 20
- Multitasking- und Arithmetikeinheit = Steuereinheit (Mikrocontroller)
- 21
- Zeitmesseinheit
- 22
- Verknüpfungslogik = Verknüpfungseinheit
- 23
- Vergleichereinheit
- 24
- Vorverstärker
- 25
- Schalter für Erregerkreis
- 26
- Keramik-Resonator für Multitasking- und Arithmetikeinheit
- 27
- Bezugs-Taktsignal
- 28
- Keramik-Resonator für Zeitmesseinheit
- 29a
- Temperaturabhängiger Messwiderstand
- 29b
- Kondensator
- 30
- Hochsteller-Einheit
- 31
- Symmetrieachse des Positionsimpulses
- 32
- Erregerspannung
- 33
- Erregersignal für Erregerkreis
- 34
- Startsignal für Zeitmesseinheit
- 35
- Vergleichersignal
- 36
- erster Startimpuls für Zeitmesseinheit
- 37
- zweiter Startimpuls für Zeitmesseinheit
- 38
- Interrupt-Signal
- 39
- Schaltschwelle
- 40
- Amplituden-Spitzenwert des analogen Positionsimpulses
- 41
- Beginn des ersten Zeit-Messintervalls
- 42
- steigende Flanke des Vergleicher-Zustandssignals
- 43
- erster digitaler Positionsimpuls
- 44
- fallende Flanke des Vergleicher-Zustandssignals
- 45
- Beginn des zweiten Zeit-Messintervalls
- 46
- zweiter digitaler Positionsimpuls
- 47
- erstes unverfälschtes Zeitintervall
- 47a, 47b
- erstes durch Amplitudenfehler verfälschtes Zeitintervall
- 47c
- erstes durch Offsetfehler verfälschtes Zeitintervall
- 48
- zweites unverfälschtes Zeitintervall
- 48a, 48b
- zweites durch Amplitudenfehler verfälschtes Zeitintervall
- 48c
- zweites durch Offsetfehler verfälschtes Zeitintervall
- 49
- Positionsimpuls-Mittenwert
- 50
- Positionsimpuls-Breite
- 51
- Differenzzeitspanne für zweiten Startimpuls
- 55
- erste Schaltschwelle
- 56
- zweite Schaltschwelle
- 57
- dritte Schaltschwelle
- 58
- erstes digitales Vergleicher-Signal
- 59
- zweites digitales Vergleicher-Signal
- 60
- drittes digitales Vergleicher-Signal
- 61
-
- 62–67
- Zeitmessintervalle für die Zustandswechsel des Vergleicher-Zustandssignals
- 68
- Positionsimpuls-Mittenwert
- 69
- erster Positionsimpuls
- 70
- zweiter Positionsimpuls
- 71
- dritter Positionsimpuls
- 72
- Impulsbreite des zweiten Positionsimpulses
- 73
- Impulsfolgen des Vergleicher-Zustandssignals
- 74
- analoges Positionssignal
- 75
- Ausgangssignal des DA-Wandlers
- 76
- DA-Wandlers
- 77
- Schnittstelle, mehrpolig, zur Ansteuerung des DA-Wandlers mit digitalen Werten
- 78, 79
- Spannungsteiler für erste Vergleicher-Schaltschwelle
- 80, 81
- Spannungsteiler für zweite Vergleicher-Schaltschwelle
- 82, 83
- Spannungsteiler für dritte Vergleicher-Schaltschwelle
- 84
- erster Vergleicher
- 85
- zweiter Vergleicher
- 86
- dritter Vergleicher
- 87, 88
- EXCLUSIV-ODER Logik-Gatter
- 89, 90
- Spannungsteiler für Schaltschwelle
- 91
- Vergleicher
- 92
- Task-Switcher
- 93
- Event-Interrupt-Serviceroutine
- 94
- Timer-Interrupt-Serviceroutine
- 95
- Task: Hochsteller
- 96
- Task: Impulsbreitenregelung
- 97
- Task: Schnittstellenausgabe
- 98
- Task: Kommunikation Servicekanal
- 99
- Detektor Enable Hardwaresignal
- 100
- Aktion: Erregerimpuls erzeugen
- 101
- Ereignis: Zeitgeber-Interrupt
- 102
- Ereignis: Positionsimpuls-Interrupt
- 103
- Ereignis: Positionsimpuls-Interrupt
- 104
- Ereignis: Zeitgeber-Interrupt
- 105
- Task: Stand-By Phase
- 106
- Tasks
- 107
- Aktivitäten und Ereignisse
