DE102009016073B4

DE102009016073B4 - Demonstrationsvorrichtung

Info

Publication number: DE102009016073B4
Application number: DE102009016073A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schulz Florian
Original assignee: Bund Der Freien Waldorfschulen E V; BUND DER FREIEN WALDORFSCHULEN EV
Current assignee: Bund Der Freien Waldorfschulen E V; BUND DER FREIEN WALDORFSCHULEN EV
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2029-04-04
Also published as: DE102009016073A1

Abstract

Vorrichtung zur Demonstration der Umsetzung eines Digitalsignals in ein Analogsignal mit Hilfe einer drehbar gelagerten Trommel (1), die stromleitend ist und mittels einer Kurbel (3) drehbar, dadurch gekennzeichnet, – dass die Trommel (1) über einen ersten Schleifer (4) mit dem Pluspol einer Stromquelle (8) in ständig leitender Verbindung steht, – dass die Trommel (1) abschnittsweise mindestens eine isolierende Abdeckung (2) an ihrem Umfang aufweist, – dass auf axialer Höhe der Abdeckung (2) mindestens ein weiterer Schleifer (5, 6, 7) an dem Umfang der Trommel (1) anliegt, – dass jeder der weiteren Schleifer (5, 6, 7) über einen Widerstand und eine Glühbirne (9) in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung der Trommel (1) mit dem Minuspol der Stromquelle (8) verbunden ist oder nicht, – dass jedem der weiteren Schleifer (5, 6, 7) eine Leuchtdiode (10, 11, 12) zugeordnet ist und – dass jede Leuchtdiode (10, 11, 12) über einen Widerstand sowie eine Zenerdiode (ZF) mit dem Minuspol der Stromquelle (8) entsprechend der Drehwinkelverstellung der Trommel (1) verbunden ist oder nicht.

Description

Stand der Technik
Im Bereich der Telefon- und Nachrichtentechnik sind Umsetzer von Analogsignalen in Digitalsignale und umgekehrt seit langem bekannt. Dabei ist die Zielsetzung, die A/D- bzw. D/A-Konverter für immer höhere Tastfrequenzen tauglich zu machen bzw. die Umsetzung schneller zu machen.
Aus der Druckschrift Tietze, U., Schenk, Ch.: Halbleiterschaltungstechnik, 11. Aufl., Springer, 1999, S. 1025–1027 gehen die Grundprinzipien einer DA-Umsetzung hervor.
Die Aufgabe eines Digital-Analog-Umsetzers besteht darin, eine Zahl in eine dazu proportionale Spannung umzuwandeln.
Es bestehen drei prinzipiell verschiedene Verfahren dies zu erreichen:

1. Das Parallelverfahren,
2. Das Wägeverfahren und
3. das Zählverfahren.

Bei dem 1. Verfahren werden mit einem Spannungsteiler alle möglichen Ausgangsspannungen bereitgestellt. Mit einem 1-aus-n-Dekoter wird dann der jenige Schalter geschlossen, dem die gewünschte Ausgangsspannung zugeordnet ist.
Beim Wägeverfahren ist jedem Bit ein Schalter zugeordnet. Über entsprechend gewichtete Widerstände wird dann die Ausgangsspannung aufsummiert.
Beim Zählverfahren schließlich wird nur ein einziger Schalter benötigt. Er wird periodisch geöffnet und geschlossen. Sein Tastverhältnis wird mit Hilfe eines Pulsbreitenmodulator so eingestellt, dass der arithmetische Mittelwert der Ausgangsspannung den gewünschten Wert annimmt.
In der DE 31 05 782 C2 wird ein „Analog-Digitalumsetzer” offenbart, bei dem mehr als zwei A/D-Wandler zur Umwandlung eines Analog- in ein Digitalsignal vorhanden sind. Ein Taktsignalgenerator führt jedem der A/D-Wandler Taktsignale mit unterschiedlicher Phasenlage zu. Eine Verarbeitungsschaltung verarbeitet die Ausgänge der A/D-Wandler bei Zuführung eines Bezugssignals oder zu den Wandlern. Eine Phasenüberwachungsschaltung oder Phasenregelschaltung überwacht die Phasendifferenz zwischen den Taktsignalen und den analogen Eingangssignalen in Abhängigkeit vom Ausgang der Verarbeitungsschaltung.
Des weiteren ist eine „Schaltungsanordnung mit dividierendem Analogdigitalwandler” ( DE 40 02 270 A1 ) bekannt, bei der eine Schaltungsanordnung mit dividierendem Analogwandler, der zur Division eines Eingangssignals durch das dem jeweiligen Eingangssignal zugeordneten Referenzsignal vorgesehen ist, vorgeschlagen wird.
Aus der US-Patentschrift 2,958,861 geht eine verbesserte Analog-/Digital-Umsetzung hervor und im besonderem ein Drehsteller zur Umsetzung von Wellendrehungen in elektrische, kodierte Impulse. Dabei wird eine Drehstellerausgabe in einer Doppelfunktion verwendet, um ein intelligentes Signal als Grundlage zur Auswahlsteuerung sowohl einer Voreilung als auch einer Nacheilung einer Auslesung zu verwendet.
Als Demonstrationsvorrichtungen zur Veranschaulichung von Vorgängen sind zum einen eine „Demonstrationsvorrichtung für Photovoltaik” ( DE 89 05 138 U1 ) bekannt. Dabei werden photovoltaische und elektrische Bauteile eingesetzt. Die Vorrichtung besteht aus zwei Solargeneratoren und einer Demonstrationsschalttafel, in den Schalt-, Steuer- und Meßsysteme sowie weitere Bauteile integriert sind.
Schließlich geht aus der US-Patentschrift 3,021,518 eine Rechenmaschine hervor, die mit einer Trommel zur Umsetzung analoger Größen, wie zum Beispiel Zahlen in digitale Größen arbeitet, wobei die Art der Umsetzung an Hand einer Übertragungs- und einer nachgeschalteten Auswertungsvorrichtung von außen nicht erkennbar ist.
Eine Demonstrationsvorrichtung zur anschaulichen Erklärung der Wandlung analoger Größen in digitaler Größen und die Sichtbarmachung dieser Umsetzung ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen. Insbesondere ist eine optische Sichtbarmachung der bei der Umwandlung stattfindenden Vorgänge nicht augenfällig.
Zum anderen ist eine „Messvorrichtung für Linear- oder Angularbewegungen und Verwendung der Messvorrichtung und eines Messsensors” ( DE 44 13 098 C2 ) bekannt. Diese Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Erfassung der Position eines bewegten Teiles, insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen und die Verwendung der Messvorrichtung und eines Messsensors für Linear- oder Angularbewegungen mit einem Längen- oder Winkelaufnehmer, der nach einer Meßmethode arbeitet und eine Eingangsgröße in Form einer Linear- oder Angularbewegung in eine elektrisch verarbeitbare erste Ausgangsgröße umsetzt. Dies erfolgt mittels einer Verarbeitungs- und Ausgabeeinrichtung.
Für eine anschauliche Darstellung der digitalen Tonübertragung, beispielsweise für Unterrichts- oder Schulungszwecke, stellt sich das Problem, dass durch die Verwendung von elektronischen Mitteln bei der modernen Telefon- und Nachrichtentechnik ein anschaulicher, für Schüler oder Lehrlinge nachvollziehbarer und verständlicher Vorgang der Digitalisierung nicht offenbart wird.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Die Erfindung gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs hat dahingegen den Vorteil, dass die Vorrichtung der anschaulichen Demonstration der Umsetzung eines Digitalsignals in ein Analogsignal dient und dazu entsprechend ausgestaltet ist, um die in herkömmlichen Digital-/Analogwandlern optisch nicht sichtbaren Vorgänge darzustellen.
Die Demonstrationsvorrichtung besteht aus einer mittels einer Kurbel drehbar gelagerte Trommel, die vorzugsweise aus Messing besteht, an deren Umfang beispielsweise Streifen aus Kupferblech als Schleifer anliegen. Über mindestens einen Schleifer ist diese Trommel ständig leitend mit dem Pluspol eines Akkus, beispielsweise eines 12 V-Akkus, verbunden.
Auf dem Umfang der Trommel sind Isolierbandabschnitte aufgebracht, wobei die Anordnung der Isolierbandabschnitte ein bestimmtes Muster aufweisen. Weitere Schleifer, die entsprechend der axialen Lage der Isolierbandabschnitte auf der Trommel angeordnet sind, stehen unter Zwischenschaltung von Widerständen und einer Glühbirne mit dem Minuspol des Akkus zeitweilig in elektrisch leitender Verbindung.
An einer Seite, beispielsweise dem freien Ende, sind die Schleifer mit einer Platine verbunden, auf der neben einer Anzahl von Leuchtdioden, passend zur Anzahl der Schleifer, mindestens eine Glühbirne zur Anzeige montiert ist. Sobald ein Schleifer bei der Drehung der Trommel das Isolierbandstück nicht mehr berührt und leitend auf der Trommel aufliegt, leuchtet die dem Schleifer zugeordnete Leuchtdiode auf und die Helligkeit der Glühbirne wird entsprechend der Stufe dieses Schleifers erhöht.
Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung wird die zugehörige Dualzahl an den Leuchtdioden bei langsamer Drehung der Trommel ablesbar. Gleichzeitig nimmt die Helligkeit der Glühbirne entsprechend in deutlich erkennbaren Stufen zu und wieder ab. Bei schneller Umdrehung der Trommel wird die Wirkung erzielt, dass bedingt durch die Trägheit des Auges und des Glühfadens der Glühbirne eine kontinuierliche Zu- und Abnahme der Helligkeit zu erfolgen scheint.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
1 zeigt eine Trommel mit vier Schleifern sowie Leuchtdioden und einer Glühbirne.
2 zeigt eine Schaltungsanordnung mit den Widerständen, den LED's sowie einer Glühbirne.
3 zeigt die Anordnung der Klebestreifen auf der Trommel und die dazugehörenden Stufenzahlen.
4 zeigt die Leistungsstufen der Glühbirne in Abhängigkeit der Anzahl der Stufen sowie der Leistung in mW.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1: Auf dem Umfang der Trommel 1 sind Klebestreifen 2 aus Isolierbandstücken in unterschiedlichen Längen und axialer Lage aufgebracht. Die Trommel 1 ist mittels einer Kurbel 3 um ihre Achse drehbar gelagert. An der Trommel 1 liegen vier Schleifer 4, 5, 6 sowie 7 auf. Der Schleifer 4 links außen ist mit dem Pluspol eines 12 V-Akkus 8 ständig verbunden. Bei der Drehung der Trommel 1 erfolgt ein automatisches Hoch- und Herunterzählen der Dualzahlen. Jeder der Schleifer 5, 6 und 7 ist über einen Widerstand von 40 Ω bzw. 80 Ω bzw. 160 Ω mit einer Glühbirne 9 (6 V, 0,1 A) verbunden. Zusätzlich ist die Glühbirne 9 durch einen Widerstand von 390 Ω ständig und direkt mit Plus des Akkus 8 verbunden, so dass sie für den schwachen Strom der ersten Stufe vorgewärmt wird. Bei dieser Wahl der Widerstände ist gewährleistet, dass die Helligkeitsabstufungen möglichst gut zu erkennen sind. Die Leuchtdioden 10, 11, 12 dienen der Anzeige, wann der jeweilige Schleifer (5, 6, 7) auf die leitende Oberfläche der Trommel (1) oder die nichtleitende Oberfläche des Klebestreifens (2) trifft.
2 zeigt ein Schaltbild der Anordnung mit der Glühbirne 9 sowie den Leuchtdioden 10, 11, 12, den Widerständen von 40, 80, 160 sowie 390 Ω.
3 zeigt eine kontinuierliche Zu- und Abnahme der Helligkeit in Abhängigkeit von der Drehzahl der Trommel 1, der Größe und Anordnung der Klebestreifen 2 auf der Trommelmantelfläche 16 und der Bits 13, 14, 15. Wird die Trommel 1 langsam gedreht, kann die zugehörige Dualzahl an den drei Leuchtdioden 10, 11, 12 abgelesen werden. Gleichzeitig nimmt die Helligkeit der Glühbirne 9 entsprechend in deutlich erkennbaren Stufen zu und wieder ab. Bei schnellem Drehen der Trommel 1 scheint eine kontinuierliche Zu- und Abnahme der Helligkeit zu erfolgen, bedingt durch die Trägheit des Auges und des Glühfadens.
4 zeigt die gemessene Leistungsaufnahme der Glühbirne in mW in Abhängigkeit von der Schaltstufe (Werte 0 bis 8). Bedingt durch die einfache Schaltung wird der Strom nicht in gleichmäßigen Stufen hochgezählt, dazu müsste der Glühbirnenwiderstand verschwindend klein sein. Doch wird durch die Abstufung das Prinzip der Umwandlung von digitalen in analoge Signale deutlich. Die Vorwiderstände der Leuchtdioden liegen an einem gemeinsamen Fußpunkt, der durch eine Zenerdiode auf einer Spannung von 5,1 V gehalten wird. Dadurch wird verhindert, dass die zugehörige Leuchtdiode 10, 11, 12 eines ausgeschalteten Schleifers 5–7 über die Spannung an der Glühbirne 9 stromführend wird und leuchtet.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Trommel
2: Klebestreifen
3: Kurbel
4: Schleifer
5: Schleifer
6: Schleifer
7: Schleifer
8: 12 V-Akku
9: Glühbirne
10: Leuchtdiode
11: Leuchtdiode
12: Leuchtdiode
13: Bit
14: Bit
15: Bit
16: Trommelmantelfläche

Claims

Vorrichtung zur Demonstration der Umsetzung eines Digitalsignals in ein Analogsignal mit Hilfe einer drehbar gelagerten Trommel (1), die stromleitend ist und mittels einer Kurbel (3) drehbar, dadurch gekennzeichnet, – dass die Trommel (1) über einen ersten Schleifer (4) mit dem Pluspol einer Stromquelle (8) in ständig leitender Verbindung steht, – dass die Trommel (1) abschnittsweise mindestens eine isolierende Abdeckung (2) an ihrem Umfang aufweist, – dass auf axialer Höhe der Abdeckung (2) mindestens ein weiterer Schleifer (5, 6, 7) an dem Umfang der Trommel (1) anliegt, – dass jeder der weiteren Schleifer (5, 6, 7) über einen Widerstand und eine Glühbirne (9) in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung der Trommel (1) mit dem Minuspol der Stromquelle (8) verbunden ist oder nicht, – dass jedem der weiteren Schleifer (5, 6, 7) eine Leuchtdiode (10, 11, 12) zugeordnet ist und – dass jede Leuchtdiode (10, 11, 12) über einen Widerstand sowie eine Zenerdiode (ZF) mit dem Minuspol der Stromquelle (8) entsprechend der Drehwinkelverstellung der Trommel (1) verbunden ist oder nicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühbirne (9) über einen in Reihe geschalteten weiteren Widerstand mit dem Pluspol der Stromquelle (8) ständig verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifer (4, 5, 6, 7), die Glühbirne (9) und der mit dieser in Reihe geschaltete Vorwiderstand, die den Schleifern (5, 6, 7) zugeordneten Leuchtdioden und Widerstände (R bzw. 2R bzw. 4R), die Vorwiderstände (10, 11, 12) für die Leuchtdioden und die Zenerdiode (ZF) auf einer Platine befestigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trommel (1) aus Messing besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifer (4, 5, 6, 7) aus Kupferblech bestehen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leuchtdiode eine Dualzahl zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Helligkeit der Glühbirne (9) stufenweise in Abhängigkeit von der Drehzahl der Trommel (1) veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem Schleifer (4, 5, 6, 7) und der Glühbirne (9) ein Widerstand angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand, der dem ersten Schleifer (4) zugeordnet ist, 390 Ω, der des weiteren Schleifers (5) 40 Ω, der eines weiteren Schleifers (6) 80 Ω sowie der eines weiteren Schleifers (7) 160 Ω beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwiderstände der Leuchtdioden an einem gemeinsamen Fußpunkt auf einer Spannung von 5,1 V liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung von 5,1 V des Fußpunktes durch eine Zenerdiode (ZF) festgelegt ist.