DE10241810B4

DE10241810B4 - Schaltungsanordnung zur Auswertung eines reflektierten Signals

Info

Publication number: DE10241810B4
Application number: DE2002141810
Authority: DE
Inventors: Andres Richter; Stefan Grohmann; Jörg LUMMERZHEIM
Original assignee: ME-IN GmbH; ME IN GmbH
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2022-09-07
Also published as: DE10241810A1

Abstract

Schaltungsanordnung zur Auswertung eines getakteten, von einem Objekt (3'; 3) reflektierten, insbesondere optischen Signals (3a'; 3a), mit wenigstens einem Strahlungssender (1'; 1), welcher zur Abgabe des getakteten Signals (1a'; 1a) mit einem Taktgenerator (4'; 4) verbunden ist, wenigstens einem Strahlungsempfänger (2'; 2), welcher von dem Strahlungssender (1'; 1) ausgesendete Strahlungspulse (1a'; 1a) und von dem Objekt (3'; 3) reflektierte Strahlungspulse (3a'; 3a) empfängt, und einem Vergleicher (5'; 5), mittels welchem die Ausgangssignalpulse (2a'; 2a) des Strahlungsempfängers (2'; 2) mit Referenzsignalpulsen (6a'; 6a) verglichen werden, wobei die Amplitude der Referenzsignalpulse (6a'; 6a) vom Ausgangssignal (5a'; 5a) des Vergleichers (5'; 5) abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzsignalpulse (6a'; 6a) zeitgleich mit dem vom Strahlungsempfänger (2'; 2) empfangenen Strahlungsimpulsen (3a'; 3a) auftreten und interne Impulse sind, mittels welcher entsprechende vom Strahlungsempfänger (2'; 2) empfangene Impulse (3a'; 3a) kompensiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zur Auswertung eines getakteten, von einem Objekt reflektierten, insbesondere optischen Signals, mit wenigstens einem Strahlungssender, welcher zur Abgabe des getakteten Signals mit einem Oszillator verbunden ist, wenigstens einem Strahlungsempfänger, welcher von dem Strahlungssender ausgesendeten Strahlungspulse und von dem Objekt reflektierten Strahlungspulse empfängt, und einem Vergleicher, mittels welchem die Ausgangssignalpulse des Strahlungsempfängers mit Referenzsignalpulsen verglichen werden, wobei die Amplitude der Referenzsignalpulse vom Ausgangssignal des Vergleichers abhängt.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der DE 100 01 943 A1 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung wird ein von einem Strahlungssender ausgesendetes und von einem Objekt reflektiertes getaktetes optisches Signal von einem Strahlungsempfänger empfangen. Der Strahlungsempfänger empfängt weiterhin direkt ein von einem zweiten Strahlungssender ausgesendetes getaktetes optisches Signal, welches zu dem vom ersten Strahlungssender ausgesendeten optischen Signal um 180 Grad phasenverschoben ist. Das heißt, immer dann, wenn das vom ersten Strahlungssender gesendete und vom Objekt reflektierte Signal eine Pulslücke aufweist, empfängt der Strahlungsempfänger einen Strahlungspuls des zweiten Strahlungssenders.

Der am Ausgang des Strahlungsempfängers vorhandene Signalverlauf hängt daher von der Größe der Amplitude der empfangenen Signale ab. Ist die vom Strahlungsempfänger empfangene Amplitude des vom Objekt reflektierten Signals des ersten Strahlungssenders so groß wie die Amplitude des vom Strahlungsempfänger empfangenen Signals des zweiten Strahlungssenders, gibt der Strahlungsempfänger an seinem Ausgang eine Gleichspannung ab.

Verändert sich der Abstand des Objekts von dem ersten Strahlungssender beziehungsweise Strahlungsempfänger, so verändert sich auch die Amplitude des vom Objekt reflektierten und vom Strahlungsempfänger empfangenen Signals des ersten Strahlungssenders. Hierdurch entsteht am Ausgang des Strahlungsempfängers eine Rechteckspannung. In einer dem Strahlungsempfänger nachgeschalteten Schaltungsanordnung wird aus dieser Rechteckspannung eine Stellgröße gebildet, mittels welcher die Größe der vom zweiten Strahlungssender ausgesendeten Pulse eingestellt wird.

Die Schaltungsanordnung ist so ausgelegt, daß die Stellgröße dem Unterschied der Amplituden des reflektierten Signals und des Referenzsignals entgegenwirkt. Das heißt, die Amplitude des Referenzsignals wird an die Amplitude des reflektierten Signals angeglichen, so daß die am Ausgang des Strahlungsempfängers anstehende Rechteckspannung nahezu null wird.

Nachteilig bei der bekannten Schaltungsanordnung ist, daß ein zweiter Strahlungssender erforderlich ist, und daß das vom zweiten Strahlungssender ausgesendete Licht stärker wird, wenn sich die Reflexion verbessert, das heißt, die Stärke des von dem Strahlungsempfänger empfangenen reflektierten Lichts erhöht. Hierdurch ist ein relativ hoher Energiebedarf vorhanden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine eingangs genannte Schaltungsanordnung derart auszubilden, daß sie einen geringen Energiebedarf hat.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zur Auswertung eines getakteten, von einem Objekt reflektierten, insbesondere optischen Signals, mit wenigstens einem Strahlungssender, welcher zur Abgabe des getakteten Signals mit einem Oszillator verbunden ist, wenigstens einem Strahlungsempfänger, welcher von dem Strahlungssender ausgesendete Strahlungspulse und von dem Objekt reflektierte Strahlungspulse empfängt, und einem Vergleicher, mittels welchem die Ausgangssignalpulse des Strahlungsempfängers mit Referenzsignalpulsen verglichen werden, wobei die Amplitude der Referenzsignalpulse vom Ausgangssignal des Vergleichers abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzsignalpulse zeitgleich mit dem vom Strahlungsempfänger empfangenen Strahlungsimpulsen auftreten und interne Impulse sind, mittels welcher entsprechende vom Strahlungsempfänger empfangene Impulse kompensiert werden.

Dadurch, daß die Referenzsignalpulse zeitgleich mit dem vom Strahlungsempfänger empfangenen Strahlungsimpulsen auftreten, wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß während der Impulslücken des vom Strahlungsempfänger empfangenen Signals ein Vergleich mit dem Referenzsignal nicht stattfinden muß. Hierdurch ist es nicht mehr erforderlich, daß die vom Strahlungsempfänger empfangenen Impulse periodisch auftreten. Des weiteren lassen sich die vom Strahlungsempfänger empfangenen Strahlungsimpulse mittels eines Kompensationsverfahrens auswerten. Ein Kompensationsverfahren bietet in schaltungstechnischer Hinsicht sehr große Vorteile. Darüber hinaus kann durch die direkte Kompensation eines jeden vom Strahlungsempfänger empfangenen Strahlungsimpulses eine besonders schnelle und zuverlässige Auswertung des vom Strahlungsempfänger empfangenen Signals erfolgen.

Somit ist es in vorteilhafter Weise beispielsweise möglich, daß bei geringen Änderungen der Amplitude der vom Strahlungsempfänger empfangenen vom Objekt reflektierten Impulse der zeitliche Abstand zwischen den vom Strahlungssender ausgesendeten Impulsen vergrößert wird. Dies wirkt sich äußerst günstig auf den Energieverbrauch der Schaltungsanordnung aus. Darüber hinaus haben Störungen, welche außerhalb der Pulsdauer liegen, keinen Einfluß. Weiterhin wird durch die Kom pensation der Einzelimpulse erreicht, daß keine hohen Einschwingzeiten vorhanden sind.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Referenzsignalpulse in einem steuerbaren Verstärker erzeugt werden, dessen Signaleingang mit dem Taktgenerator verbunden ist, und dessen Steuereingang mit dem Ausgang eines Reglers verbunden ist, dessen Eingang mit dem Ausgang des Vergleichers verbunden ist. Eine derartige Kompensationsschaltung läßt sich sehr einfach realisieren und arbeitet sehr zuverlässig. Insbesondere läßt sich eine derartige Schaltungsanordnung in vorteilhafter Weise mit digitalen Bauelementen realisieren. Des weiteren kann bei einer derartigen Ausführungsform ein Sender zur Erzeugung der Referenzsignalpulse entfallen.

Dadurch, daß der Signaleingang des steuerbaren Verstärkers mit dem Taktgenerator verbunden ist, liegt am Ausgang des steuerbaren Verstärkers ein Signal an, welches bis auf Laufzeiten in zeitlicher Hinsicht mit dem vom Taktgenerator abgegebenen Signal und damit mit dem vom Strahlungssender gesendeten und vom Strahlungsempfänger empfangenen Signal übereinstimmt. Unterscheidet sich die Amplitude des vom steuerbaren Verstärker abgegebenen Signalpulses von der Amplitude des vom Strahlungsempfänger abgegebenen Impulses, ist am Ausgang des Vergleichers ein Signal vorhanden. Aus diesem Signal wird in dem Regler ein Signal gebildet, welches bewirkt, daß die Verstärkung des steuerbaren Verstärkers sich derart einstellt, daß das Ausgangssignal des Vergleichers zu Null wird. Hierdurch kann das am Steuereingang des steuerbaren Verstärkers anliegende Signal zur Bestimmung der Größe der Amplitude des vom Strahlungsempfänger empfangenen vom Objekt reflektierten Impulses verwendet werden.

Als sehr vorteilhaft hat sich auch eine Ausführungsform der Erfindung herausgestellt, bei der parallel zum Strahlungsempfänger eine Impedanz geschaltet ist, deren Kapazität ein Vielfaches der Kapazität des Strahlungsempfängers beträgt, und deren Ohmscher Widerstand ein Bruchteil des Ohmschen Widerstandes des Strahlungsempfängers beträgt.

Hierdurch wird der Einfluß der Änderungen der Eigenschaften beziehungsweise Parameter des Strahlungsempfängers reduziert, so daß sich gegebenenfalls auftretende Störgrößen nur sehr gering auswirken. Des weiteren lassen sich aus der Impedanz und einem beispielsweise nachfolgend geschalteten Verstärker ein Filter bilden, mittels welchem der Signal-Rauschabstand vergrößert werden kann.

Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der steuerbare Verstärker einen digitalen Steuereingang hat und der Regler einen Aufwärts-/Abwärtszähler aufweist, dessen Zählrichtungseingang mit dem Ausgang eines Flipflops verbunden ist, dessen Setz-/Rücksetzeingang mit dem Ausgang des Vergleichers verbunden ist, wobei der Takteingang des Flipflops und der Takteingang des Zählers mit dem Taktgenerator verbunden sind.

Dadurch, daß der Setz-/Rücksetzeingang des Flipflops mit dem Ausgang des Vergleichers verbunden ist, ist der Ausgang des Flipflops immer dann low, wenn das Ausgangssignal des Vergleichens beim Auftreten eines Taktsignals kleiner als die Schaltschwelle des Flipflops ist. Ist beim Auftreten eines Taktsignals der Ausgang des Vergleichers größer als die Schaltschwelle des Flipflops, ist der Ausgang des Flipflops high.

Während der Highphase des Flipflops zählt der Zähler aufwärts, während der Lowphase des Flipflops zählt der Zähler abwärts. Somit zählt der Zähler so lange aufwärts, solange der Ausgang des Vergleichers während des Auftretens eines Taktsignals größer als die Schaltschwelle des Flipflops ist. Dies ist solange der Fall, solange das Referenzsignal kleiner als das vom Strahlungsempfänger abgegebene Signal ist.

Da sich durch das Aufwärtszählen des Zählers das Ausgangssignal des Zählers erhöht, erhöht sich die Verstärkung des steuerbaren Verstärkers. Hierdurch erhöht sich das Referenzsignal. Dieser Vorgang setzt sich solange fort, bis das Referenzsignal größer ist als das vom Strahlungsempfänger abgegebene Signal. Dann kehrt sich der zuvor beschriebene Vorgang um und der Zähler zählt abwärts, wodurch sich sein Ausgangssignal verringert. Dies hat zur Folge, daß sich die Verstärkung des steuerbaren Verstärkers verringert, was wiederum zur Folge hat, daß sich die Amplitude des Referenzsignals verringert. Ist das Referenzsignal wieder kleiner als das vom Strahlungsempfänger abgegebene Signal, kehrt sieh der Vorgang wieder um. Es stellt sich somit ein Zustand ein, bei dem der Ausgang des Zählers um einen bestimmten Wert schwankt.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Zähler während eines Zyklus des getakteten Signals des Strahlungssenders in Abhängigkeit der Änderung der Amplitude der Ausgangssignalimpulse des Strahlungsempfängers mehrere Zähltakte erhält. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, auf größere Änderungen des vom Strahlungsempfänger empfangenen Signals zu reagieren. Durch die mehreren Zähltakte pro Zyklus des getakteten Signals des Strahlungssenders ändert sich das Ausgangssignal des Zählers schneller, so daß sich schneller ein neuer Gleichgewichtszustand einstellt. Die Dynamik der Schaltungsanordnung ist somit höher geworden.

Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Zähler in Abhängigkeit eines Ereignisses auf einen vorbestimmten Zählerstand voreinstellbar ist. Hierdurch läßt sich ebenfalls ein Gleichgewichtszustand schneller erreichen. So kann beispielsweise der Zähler beim Einschalten der Schaltungsanordnung mit dem Wert voreingestellt werden, den er beim Ausschalten der Schaltungsanordnung aufgewiesen hat. Hierdurch würde unmittelbar nach dem Einschalten der Schaltungsanordnung sich die Schaltungsanordnung in dem Zustand befinden, in dem sie sich vor dem Ausschalten befunden hat, wodurch es ermöglicht wird, den Auswerteteil der Schaltungsanordnung in einem Polling-Verfahren für mehrere Sende- und Empfangsdioden-Anordnungen zu verwenden.

Mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist es in vorteilhafter Weise auch möglich, die Dämpfung einer optischen Übertragungsstrecke zu bestimmen. Des weiteren läßt sich die Position des Objektes auf einer festgelegten Bahn nicht senkrecht zur Linie Sender-Empfänger bestimmen.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
2 eine schematische Anordnung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
3 einige Signalverläufe der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung im eingeschwungenen Zustand der Schaltungsanordnung,
4 die in 3 dargestellten Signalverläufe bei einer Änderung des Reflexionssignals,
5 eine schematische Anordnung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
6 einige Signalverläufe der in 5 dargestellten Schaltungsanordnung.
Wie 1 entnommen werden kann, ist ein durch eine Infrarot-Sendediode 1' gebildeter Strahlungssender mit einem Taktgenerator 4' verbunden. Beim Anliegen eines Ausgangsimpulses des Taktgenerators 4' an der Infrarot-Sendediode 1' sendet diese einen Lichtimpuls 1a' aus. Der Lichtimpuls 1a' wird von einem Objekt 3' reflektiert. Der vom Objekt 3' reflektierte Lichtimpuls 3a' wird von einem als Infrarot-Empfangsdiode 2' ausgebildeten Strahlungsempfänger 2' empfangen und in ein elektrisches Signal 2a' umgesetzt.
Das Ausgangssignal 2a' der Empfangsdiode 2' wird auf den ersten Eingang 5E₁' eines Vergleichens 5' gegeben. Ein zweiter Eingang 5E₂' des Vergleichens 5' ist mit dem Ausgang 6a' eines steuerbaren Verstärkers 6' verbunden. Der Eingang 6E' des steuerbaren Verstärkers 6' ist mit dem Taktgenerator 4' verbunden. Der Steuereingang 6S' des steuerbaren Verstärkers 6' ist mit dem Ausgang 7A' eines Reglers T verbunden. Der Eingang 7E' des Reglers 7 ist mit dem Ausgang 5A' des Vergleichers 5' verbunden.
Der Vergleicher 5', der steuerbare Verstärker 6' und der Regler T sind so ausgelegt, daß sich die Verstärkung des steuerbaren Verstärkers 6' mittels des Reglers 7' aufgrund eines Ausgangssignals 5a' des Vergleichers 5' so einstellt, daß das am zweiten Eingang 5E₂' des Vergleichers 5' anliegende Signal so groß ist, wie das am ersten Eingang 5E₁' des Vergleichers 5' anliegende Signal. Das heißt, das Ausgangssignal 5a' des Verstärkers 5' wird bis auf eine Regelabweichung zu Null geregelt. Das hierzu am Steuereingang 6S' des steuerbaren Verstärkers 6' benötigte Signal stellt somit ein Maß für das vom Objekt 3' reflektierte und von der Empfangsdiode 2' empfangene Lichtsignal dar. Es wird somit auf einen Ausgang A' der Schaltungsanordnung gegeben.
Ändert sich der Abstand des Objekts 3' von der Sendediode 1' beziehungsweise der Empfangsdiode 2', ändert sich das vom Objekt 3' reflektierte Signal 3a'. Hierdurch tritt zunächst am Ausgang 5A' des Vergleichens 5' ein Ausgangssignal 5a' auf, welches eine Veränderung der Verstärkung des steuerbaren Verstärkers 6' dahingehend bewirkt, daß das Ausgangssignal 6a' des Verstärkers 6' sich an das Ausgangssignal 2a' der Empfangsdiode 2' anpaßt. Das zur Einstellung der neuen Verstärkung des Verstärkers 6' benötigte Signal 6s' ist ein Maß für den neuen Abstand des Objekts 3' von der Sendediode 1' beziehungsweise Empfangsdiode 2'.
Da die von der Empfangsdiode 2' empfangenen Lichtimpulse 3a' bis auf Laufzeitunterschiede direkt mit Referenzsignalpulsen 6a' verglichen werden, sind die Impulslücken des Sendesignals 1a' für die Auswertung des reflektierten Signals 3a' nicht von Bedeutung. Die von der Sendediode 1' ausgesendeten Strahlungsimpulse 1a' brauchen daher nicht periodisch aufzutreten. Je nach Anwendungsfall können die Strahlungsimpulse sporadisch oder mit einer sehr geringen Frequenz erzeugt werden. Bei einem sich ändernden Abstand des Objekts 3' von der Sendediode 1' oder der Empfangsdiode 2' können die Strahlungsimpulse 1a' mit entsprechend höherer Frequenz erzeugt werden.
Die in 2 dargestellte Schaltungsanordnung hat im Grundsatz dieselbe Funktion wie die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung. Sie enthält jedoch teilweise detaillierter dargestellte Funktionsgruppen.
Wie 2 entnommen werden kann, ist ein Taktgenerator 4 mit einem einstellbaren Verstärker 16 verbunden, welcher eine Infrarot-Sendediode 1 mit Strom versorgt. Das von der Infrarot-Sendediode 1 ausgesendete Lichtsignal 1a wird von einem Objekt 3, welches jenseits einer aus durchsichtigem Material bestehenden Platte 17 angeordnet ist, reflektiert. Das vom Objekt 3 reflektierte Lichtsignal 3a gelangt auf eine Infrarot-Empfangsdiode 2. Die Infrarot-Empfangsdiode 2 wird von einer Gleichspannungsquelle 11 in Sperrichtung betrieben. Parallel zur Infrarot-Empfangsdiode 2 ist eine Impedanz 10 geschaltet, deren Kapazität ein Vielfaches der Kapazität der Infrarot-Empfangsdiode 2 beträgt, und deren ohmscher Widerstand ein Bruchteil des ohmschen Widerstands der Infrarot-Empfangsdiode 2 beträgt.
An der der Gleichspannungsquelle 11 abgewandten Seite sind die Infrarot-Empfangsdiode 2 und die Impedanz 10 mit einer steuerbaren Stromquelle 9 verbunden. Die an den hierdurch gebildeten Stromknoten 12 anstehende Spannung wird auf den Eingang eines Verstärkers 13 gegeben. Der Ausgang des Verstärkers 13 ist mit dem Eingang eines ersten Tiefpasses 14 verbunden. Der erste Tiefpaß 14 ist so ausgelegt, daß er bezüglich der vom Taktgenerator 4 abgegebenen und im Ergebnis von der Infrarot-Empfangsdiode 2 auf Grund der Impedanz 10 in eine Spannung umgesetzten Rechteckimpulse als Integrator wirkt, wodurch am Ausgang des ersten Tiefpasses 14 ein dreieckförmiger Spannungsverlauf entsteht.
Der Ausgang des ersten Tiefpasses 14 ist einerseits mit dem Eingang eines zweiten Tiefpasses 15 verbunden, welcher aus dem dreieckförmigen Ausgangssignal des ersten Tiefpasses 14 eine Gleichspannung erzeugt, und andererseits direkt mit dem ersten Eingang 5E₁ eines Komparators 5 verbunden. Der Ausgang des zweiten Tiefpasses 15 ist mit dem zweiten Eingang 5E₂ des Komparators 5 verbunden.
Der Ausgang 5A des Komparators 5 ist mit dem Setz-/Rücksetzeingang 8E eines Flipflops 8 verbunden. Der auf eine negative Flanke wirkende Takteingang 8T des Flipflops 8 ist mit dem Taktgenerator 4 verbunden. Der Ausgang 8A des Flipflops 8 ist mit dem Zählrichtungseingang 7E eines Aufwärts-/Abwärtszählers 7 verbunden. Der auf eine negative Flanke wirkende Takteingang 7T des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 ist über ein Verzögerungsglied 18 mit dem Taktgenerator 4 verbunden. Der Ausgang 7A des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 ist mit dem Steuereingang 6S eines steuerbaren Verstärkers 6 verbunden. Der Eingang 6E des steuerbaren Verstärkers 6 ist mit dem Taktgenerator 4 verbunden. Der Ausgang 6A des steuerbaren Verstärkers 6 ist mit dem Steuereingang 9S der steuerbaren Stromquelle 9 verbunden. Des weiteren ist der Ausgang 7A des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 mit einem Ausgang A der Schaltungsanordnung verbunden.
Die Funktion der Schaltungsanordnung wird nun unter Zuhilfenahme der in den 3 und 4 dargestellten Signalverläufe erläutert.
Das Ausgangssignal 4a des Taktgenerators 4, besteht aus in unregelmäßigen Abständen auftretenden Impulsen. Aufgrund dieser Impulse sendet die Infrarot-Sendediode 1 Lichtimpulse 1a aus, welche durch die Klarsichtscheibe 17 hindurchtreten und vom Objekt 3 reflektiert werden. Die vom Objekt 3 reflektierten Impulse 3a haben eine geringere Amplitude als die von der Infrarot-Sendediode 1 abgegebenen Impulse 1a. Die Amplitude der von der Infrarot-Empfangsdiode 2 empfangenen Lichtimpulse 3a hängt vom Abstand des Objekts 3 von der Infrarot-Sendediode 1 beziehungsweise der Infrarot-Empfangsdiode 2 ab.
Die vom Objekt 3 reflektierten Lichtimpulse 3a rufen in der Infrarot-Empfangsdiode 2 einen pulsförmigen Signalstrom 2a hervor. Durch den pulsförmigen Signalstrom 2a entsteht am Stromknoten 12 eine entsprechende Spannung. Diese, nahezu rechteckförmige Spannung wird vom Verstärker 13 verstärkt und vom ersten Tiefpaß 14 integriert, wodurch am Ausgang des ersten Tiefpasses 14 eine ansteigende Flanke eines dreieckförmigen Signalverlaufs 14a entsteht. Der dreieckförmige Signalverlauf 14a wird vom zweiten Tiefpaß 15 integriert, wodurch am Ausgang des zweiten Tiefpasses 15 ein Gleichspannungssignal 15a anliegt, deren Betrag von der Amplitude des auf den ersten Tiefpaß 14 gegebenen Rechtecksignals und somit von der Amplitude des reflektierten Lichtsignals 3a abhängt.
Das vom zweiten Tiefpaß 15 abgegebene Gleichspannungssignal 15a bildet eine Schwellenspannung für den Komparator 5. Überschreitet der Wert des vom ersten Tiefpaß 14 abgegebenen Dreiecksignals 14a diese Schwellenspannung, schaltet der Komparator 5, wodurch an seinem Ausgang ein positives Signal 5a ansteht. Aufgrund des positiven Signals 5a wird der Ausgang 8A des Flipflops 8 positiv, wenn der vom Taktgenerator 4 abgegebene Impuls 4a seine negative Flanke hat. Durch das positive Ausgangssignal 8a des Flipflops 8 ist die Zählrichtung des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 aufwärts, wodurch das Ausgangssignal 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 bei der nächsten negativen Flanke an seinem Takteingang 7T um einen Wert erhöht wird. Da der am Takteingang 7T des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 anliegende Takt 4a des Taktgenerators 4 durch das Verzögerungsglied 18 etwas verzögert ist, schaltet der Zähler 7A bei derselben negativen Flanke des Ausgangsimpulses 4a des Taktgenerators 4, bei der das Flipflop 8 geschaltet hat.
Das Ausgangssignal 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 stellt am steuerbaren Verstärker 6 eine bestimmte Verstärkung ein, wodurch in die steuerbare Stromquelle 9 ein bestimmter Strom 9e fließt. Der Strom 9e ist so gewählt, daß er den Signalstrom 2a der Infrarot-Empfangsdiode 2 bis auf eine geringe Regelabweichung, welche vom Verstärker 13 verstärkt wird, vollständig kompensiert.
Nachdem der Impuls des Taktgenerators 4 beendet ist, wird von der Infrarot-Empfangsdiode 2 kein Signal mehr empfangen, wodurch im Ergebnis am ersten Tiefpaß 14 keine Spannung mehr anliegt. Das Ausgangssignal 14a des ersten Tiefpasses 14 kehrt daher seine Richtung um, das heißt die negative Flanke des Dreiecks beginnt. Unterschreitet das Ausgangssignal 14a des ersten Tiefpasses 14 den Schwellwert 15a, wird die Ausgangsspannung 5a des Komparators 5 Null.
Durch die Erhöhung des Ausgangssignals 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 wird bewirkt, daß bei unverändertem Abstand des Objekts 3 von der Infrarot-Sendediode 1 beziehungsweise der Infrarot-Empfangsdiode 2 eine Überkompensation des Signalstroms 2a erfolgt. Hierdurch kehrt sich beim nächsten von der Infrarot-Empfangsdiode 2 empfangenen Lichtimpuls der Stromfluß durch die Impedanz 10 um, wodurch die am Stromknoten 12 vorhandene Spannung bezüglich des Arbeitspunktes ein anderes Vorzeichen erhält. Diese Spannung wird wiederum vom Verstärker 13 verstärkt und im Tiefpaß 14 integriert, wodurch das dreieckförmige Ausgangssignal 14a des Tiefpasses 14 eine negative Flanke aufweist. Da der Spannungsverlauf des Ausgangssignals 14a des ersten Tiefpasses 14 unterhalb der Schwellenspannung 15a liegt, ist das Ausgangssignal 5a des Komparators 5 Null. Da hierdurch das am Eingang 8E des Flipflops 8 anliegende Signal unterhalb der Schaltschwelle des Flipflops 8 liegt, wird der Ausgang 8A des Flipflops 8 Null, wenn der vom Taktgenerator 4 abgegebene Impuls 4a seine negative Flanke hat. Da hierdurch das am Zählrichtungseingang 7E des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 liegende Signal 8a unterhalb der Schaltschwelle des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 liegt, verringert sich das Ausgangssignal 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 um einen Wert, wenn der vom Taktgenerator 4 abgegebene Impuls 4a seine negative Flanke hat, wobei der Schaltvorgang des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 durch das Verzögerungsglied 18 etwas verzögert erfolgt.
Durch die Verringerung des Ausgangssignals 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 wird bewirkt, daß bei unverändertem Abstand des Objekts 3 von der Infrarot-Sendediode 1 bzw. der Infrarot-Empfangsdiode 2 der Signalstrom 2a wieder unterkompensiert ist. Der Stromfluß durch die Impedanz 10 kehrt daher bezüglich des Arbeitspunktes wieder seine Richtung um, das heißt, er fließt wieder in die Richtung, in die er zuerst geflossen ist. Hierdurch liegt am Stromknoten 12 wiederum eine Rechteckspannung mit einer positiven Amplitude an, wodurch am Ausgang des ersten Tiefpasses 14 wieder ein dreieckförmiger Signalverlauf mit einer positiven Flanke entsteht.
Der zuvor beschriebene Vorgang wiederholt sich bei unverändertem Abstand des Objekts 3 von der Infrarot-Sendediode 1 bzw. der Infrarot-Empfangsdiode 2 ständig. Das heißt, das Ausgangssignal 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 schwankt um einen bestimmten Wert.
Verändert sich der Abstand des Objekts 3 von der Infrarot-Sendediode 1 bzw. der Infrarot-Empfangsdiode 2, so verändert sich das Reflexionssignal 3a, wie dies in 4 dargestellt ist. Bei einem größeren Abstand verringert sich das Reflexionssignal 3a, wodurch eine Überkompensation des Signalstroms 2a der Infrarot-Empfangsdiode 2 erfolgt. Dies hat, wie zuvor bereits erläutert wurde, zur Folge, daß das dreieckförmige Ausgangssignal 14a des ersten Tiefpasses 14 eine negative Flanke hat. Hierdurch ist das Ausgangssignal 5a des Komparators 5 Null, wodurch der Aufwärts-/Abwärtszähler 7 sein Ausgangssignal 7a bei der negativen Flanke des vom Taktgenerator 4 abgegebenen Ausgangsimpulses 4a um einen Wert verringert.
Zwar wird durch die Verringerung des Ausgangssignals 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 um einen Wert die Überkompensation des Signalstroms 2a der Infrarot-Empfangsdiode 2 etwas verringert, jedoch besteht sie weiter fort. Hierdurch weist das dreieckförmige Ausgangssignal 14a des ersten Tiefpasses 14 beim nächsten Takt 4a des Taktgenerators 4 wiederum einen negativen Verlauf auf. Dies hat im Ergebnis zur Folge, daß sich das Ausgangssignal 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 wiederum um einen Wert verringert. Dieser Vorgang setzt sich solange fort, bis eine Überkompensation des Signalstroms 2a der Infrarot-Empfangsdiode 2 nicht mehr vorhanden ist. Dann kehrt sich der Stromfluß durch die Impedanz 10 um, wodurch am Stromknoten 12 eine positive Rechteckspannung bezüglich des Arbeitspunktes anliegt, welche am Ausgang des ersten Tiefpasses 14 eine steigende Flanke eines Dreiecksignals hervorruft. Hierdurch erhöht sich das Ausgangssignal 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 um einen Wert. Es setzt somit wieder die Schwankung des Ausgangssignals 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 um einen bestimmten neuen Wert ein. Dieser neue Wert ist ein Maß für den neuen Abstand des Objekts 3 von der Infrarot-Sendediode 1 bzw. Infrarot-Empfangsdiode 2.
Die in 5 dargestellte Schaltungsanordnung hat gegenüber der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung den Vorteil, daß sie größere Änderungen der von der Infrarot-Empfangsdiode 2 empfangenen Lichtimpulse, das heißt Abstandsänderungen des Objekts 3 schneller ausgleichen kann. Sie entspricht in ihrer Grundfunktion jedoch der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung. Gleiche Elemente sind daher mit denselben Bezugszeichen versehen.
So weist die in 5 dargestellte Schaltungsanordnung einen Oszillator 4 auf, dessen Ausgangssignal 4a jedoch nicht direkt auf einen einstellbaren Verstärker 16 geht, welcher eine Infrarot-Sendediode 1 mit Strom versorgt. Sondern das Ausgangssignal 4a des Taktgenerators 4 geht auf eine sogenannte Finite-State-Maschine (FSM) 20, welche aus dem Takt des Taktgenerators 4 unterschiedliche Taktsignale 20a, 20b, 20c erzeugt. Das erste Signal 20a der FSM 20 dient zur Ansteuerung des einstellbaren Verstärkers 16 und somit der Infrarot-Sendediode 1.
Das von der Infrarot-Sendediode 1 ausgesendete Lichtsignal 1a wird von einem Objekt 3, welches jenseits einer aus durchsichtigem Material bestehenden Platte 17 angeordnet ist, reflektiert. Das vom Objekt 3 reflektierte Lichtsignal 3a gelangt auf eine Infrarot-Empfangsdiode 2. Die Infrarot-Empfangsdiode 2 wird von einer Gleichspannungsquelle 11 in Sperrichtung betrieben. Parallel zur Infrarot-Empfangsdiode 2 ist eine Impedanz 10 geschaltet, deren Kapazität ein Vielfaches der Kapazität der Infrarot-Empfangsdiode 2 beträgt, und deren ohmscher Widerstand ein Bruchteil des ohmschen Widerstands der Infrarot-Empfangsdiode 2 beträgt.
An der der Gleichspannungsquelle 11 abgewandten Seite sind die Infrarot-Empfangsdiode 2 und die Impedanz 10 mit einer steuerbaren Stromquelle 9 verbunden. Die an den hierdurch gebildeten Stromknoten 12 anstehende Spannung wird auf den Eingang eines Verstärkers 13 gegeben. Der Ausgang des Verstärkers 13 ist mit dem Eingang eines Tiefpasses 14 verbunden. Der Tiefpaß 14 ist so ausgelegt, daß er bezüglich des von der FSM 20 abgegebenen ersten Signals 20a und im Ergebnis von der Infrarot-Empfangsdiode 2 auf Grund der Impedanz 10 in eine Spannung umgesetzten Rechteckimpulse als Integrator wirkt, wodurch am Ausgang des Tiefpasses 14 ein dreieckförmiger Spannungsverlauf entsteht.
Der Ausgang des Tiefpasses 14 ist mit dem ersten Eingang 5E₁ eines Komparators 5 verbunden. Mit dem zweiten Eingang 5E₂ des Komparators 5 ist eine Referenzspannungsquelle 30 verbunden.
Der Ausgang 5A des Komparators 5 ist mit dem Setz-/Rücksetzeingang 8E eines Flipflops 8 verbunden. Am Takteingang 8T des Flipflops 8 liegt das zweite Ausgangssignal 20b der FSM 20 an. Der Ausgang 8A des Flipflops 8 ist zum einen mit dem Zählrichtungseingang 7E eines Aufwärts-/Abwärtszählers 7 verbunden. Zum anderen ist der Ausgang 8A des Flipflops 8 mit dem Eingang 21E eines 4-Bit-Schieberegisters 21 verbunden.
Am Takteingang 7T des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 liegt das über ein UND-Glied 27 geschaltete dritte Ausgangssignal 20c der FSM 20 an. Der Ausgang 7A des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 ist mit dem Steuereingang 6S eines steuerbaren Verstärkers 6 verbunden. Des weiteren ist der Ausgang 7A des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 mit einem Ausgang A der Schaltungsanordnung verbunden.
Am Eingang 6E des steuerbaren Verstärkers 6 liegt das erste Ausgangssignal 20a der FSM 20 an. Der Ausgang 6A des steuerbaren Verstärkers 6 ist mit dem Steuereingang 9S der steuerbaren Stromquelle 9 verbunden.
Der nicht mit der FSM 20 verbundene Eingang des UND-Gliedes 27 ist mit dem negierten Ausgang eines ersten exklusiven ODER-Gliedes (XNOR) 26 verbunden. Der erste Eingang des ersten XNOR-Gliedes 26 ist mit dem gemeinsamen Ausgang eines Schalters 29 verbunden, welcher vier Eingänge 29E₁, 29E₂, 29E₃, 29E₄ hat. Des weiteren ist der erste Eingang des ersten XNOR 26 und somit der gemeinsame Ausgang des Schalters 29 mit einem ersten Anschluß A' der Schaltungsanordnung verbunden. Der Schalter 29 wird vom dritten Ausgangssignal 20c der FSM 20 gesteuert.
Der zweite Eingang des ersten XNOR 26 ist mit dem letzten (linken) Bit 21d des Schieberegisters 21 verbunden. Am Takteingang des Schieberegisters 21 liegt das zweite Ausgangssignal 20b der FSM 20. Das erste (rechte) Bit 21a des Schieberegisters 21 ist mit dem ersten Eingang eines zweiten XNOR 22 verbunden. Das zweite Bit 21b des Schieberegisters 21 ist mit dem ersten Eingang eines dritten XNOR 23 verbunden. Das dritte Bit 21c des Schieberegisters 21 ist mit dem ersten Eingang eines vierten XNOR 24 verbunden. Der zweite Eingang des zweiten XNOR 22, der zweite Eingang des dritten XNOR 23 und der zweite Eingang des vierten XNOR 24 sind mit dem Ausgang eines Inverters 25 verbunden.
Der Eingang des Inverters 25 ist mit dem vierten Eingang 29E₄ des Schalters 29 sowie dem letzten Bit 21d des Schieberegisters 21 als auch dem zweiten Eingang des ersten XNOR 26 verbunden.
Der invertierende Ausgang des zweiten XNOR 22 ist mit dem ersten Eingang 29E₁ des Schalters 29 verbunden. Der invertierende Ausgang des dritten XNOR 23 ist mit dem zweiten Eingang 29E₂ des Schalters 29 verbunden. Der invertierende Ausgang des vierten XNOR 24 ist mit dem dritten Eingang 29E₃ des Schalters 29 verbunden.
Die FSM 20 hat einen Eingang 20P, welcher mit einem zweiten Anschluß L der Schaltungsanordnung verbunden ist, und mittels welchem das zeitliche Auftreten und die Dauer seiner Ausgangssignale programmiert werden kann. Der Aufwärts-/Abwärtszähler 7 hat einen Voreinstellungseingang 7V, mittels welchem der Zählerstand des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 voreinstellbar ist, und welcher ebenfalls mit dem zweiten Anschluß L der Schaltungsanordnung verbunden ist.
Die Funktion der Schaltungsanordnung wird nachfolgend erläutert.
Das Ausgangssignal 4a des Taktgenerators 4 wird auf die FSM 20 gegeben, in welchem die zum Betrieb der Schaltungsanordnung erforderlichen Taktsignale 20a, 20b, 20c erzeugt werden. Sofern eine Änderung der zum Betrieb der Schaltungsanordnung erforderlichen Taktsignale gewünscht wird, läßt sich die Änderung über den mit dem zweiten Anschluß L verbundenen Eingang 20P vornehmen.
Das erste Ausgangssignal 20a der FSM 20 gelangt über den einstellbaren Verstärker 16 auf die Infrarot-Sendediode 1, welche hierdurch verursacht Lichtimpulse 1a aussendet. Die Lichtimpulse 1a treten durch die Klarsichtscheibe 17 hindurch und werden von dem Objekt 3 reflektiert. Die vom Objekt 3 reflektierten Lichtimpulse 3a gelangen auf die Infrarot-Empfangsdiode 2. Die Amplitude der reflektierten Impulse 3a hängt von der Entfernung des Objekts 3 von der Infrarot-Sendediode 1 bzw. der Infrarot-Empfangsdiode 2 ab.
Die von der Infrarot-Empfangsdiode 2 empfangenen Lichtimpulse 3a rufen in ihr einen pulsförmigen Signalstrom 2a hervor. Durch den pulsförmigen Signalstrom 2a entsteht am Stromknoten 12 eine entsprechende Spannung. Diese, nahezu rechteckförmige Spannung wird vom Verstärker 13 verstärkt und vom Tiefpaß 14 integriert, wodurch bei positiver Amplitude des vom Verstärker 13 abgegebenen Rechtecksignals 13a am Ausgang des Tiefpasses 14 eine ansteigende Flanke eines dreieckförmigen Signalverlaufs 14a entsteht.
Das Ausgangssignal 14a des Tiefpasses 14 wird im Komparator 5 mit der Schwellenspannung 30a der Referenzspannungsquelle 30 verglichen. Überschreitet der Wert des Ausgangssignals 14a des Tiefpasses 14 die Schwellenspannung 30a, schaltet der Komparator 5, wodurch an seinem Ausgang ein positives Signal 5a ansteht.
Aufgrund des positiven Signals 5a wird der Ausgang 8A des Flipflops 8 bei der nächsten ansteigenden Flanke des zweiten Ausgangssignals 20b der FSM 20 positiv. Durch das positive Ausgangssignal 8a des Flipflops 8 ist die Zählrichtung des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 aufwärts, wodurch sich das Ausgangssignal 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 bei der nächsten positiven Flanke des vom UND-Glied 27 abgegebenen Ausgangssignals 27a um einen Wert erhöht.
Das Ausgangssignal 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 stellt am steuerbaren Verstärker 6 eine bestimmte Verstärkung ein, wodurch in die steuerbare Stromquelle 9 ein bestimmter Strom 9e fließt. Der Strom 9e ist so gewählt, daß er den Signalstrom 2a der Infrarot-Empfangsdiode 2 bis auf eine geringe Regelabweichung, welche vom Verstärker 13 verstärkt wird, vollständig kompensiert. Hierdurch wirken sich Änderungen der Eigenschaften der Infrarot-Empfangsdiode 2 in gleicher Weise auf Signale mit einer hohen Amplitude wie auch mit einer geringen Amplitude als auch beim Ruhesignal aus.
Nachdem der Puls des ersten Ausgangssignals 20a der FSM 20 beendet ist, sendet die Infrarot-Sendediode 1 kein Licht mehr aus. Die Infrarot-Empfangsdiode 2 empfängt somit kein Signal mehr, wodurch im Ergebnis am Tiefpaß 14 keine Spannung mehr anliegt. Das Ausgangssignal 14a des ersten Tiefpasses 14 kehrt daher seine Richtung um, das heißt, die negative Flanke des Dreiecks beginnt. Unterschreitet das Ausgangssignal 14a des Tiefpasses 14 den Schwellenwert 30a, wird die Ausgangsspannung 5a des Komparators 5 Null.
Durch die Erhöhung des Ausgangssignals 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 wird bewirkt, daß bei unverändertem Abstand des Objekts 3 von der Infrarot-Sendediode 1 beziehungsweise der Infrarot-Empfangsdiode 2 eine Überkompensation des Signalstroms 2a erfolgt. Hierdurch kehrt sich beim nächsten von der Infrarot- Empfangsdiode 2 empfangenen Lichtimpuls der Stromfluß durch die Impedanz 10 um, wodurch die am Stromknoten 12 vorhandene Spannung bezüglich des Arbeitspunktes ein anderes Vorzeichen erhält. Diese Spannung wird wiederum vom Verstärker 13 verstärkt und im Tiefpaß 14 integriert, wodurch das dreieckförmige Ausgangssignal 14a des Tiefpasses 14 eine negative Flanke aufweist. Sobald der Spannungsverlauf des Ausgangssignals 14a des ersten Tiefpasses 14 unterhalb der Schwellenspannung 30a liegt, ist das Ausgangssignal 5a des Komparators 5 Null. Da hierdurch das am Eingang 8E des Flipflops 8 anliegende Signal unterhalb der Schaltschwelle des ersten Flipflops 8 liegt, wird der Ausgang 8A des ersten Flipflops 8 Null, wenn das zweite Ausgangssignal 20b der FSM 20 einen Impuls aufweist. Da hierdurch das am Zählrichtungseingang 7E des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 liegende Signal 8a Null ist, erniedrigt sich das Ausgangssignal 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 um einen Wert, wenn das zweite Ausgangssignal 20b der FSM 20 einen Impuls aufweist.
Durch die Erniedrigung des Ausgangssignals 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 wird bewirkt, daß bei unverändertem Abstand des Objekts 3 von der Infrarot-Sendediode 1 bzw. der Infrarot-Empfangsdiode 2 der Signalstrom 2a wieder unterkompensiert ist. Der Stromfluß durch die Impedanz 10 kehrt daher bezüglich des Arbeitspunktes wieder seine Richtung um, das heißt, er fließt wieder in die Richtung, in die er zuerst geflossen ist. Hierdurch liegt am Stromknoten 12 bezüglich des Arbeitspunktes wiederum eine Rechteckspannung mit einer positiven Amplitude an, wodurch am Ausgang des ersten Tiefpasses 14 wieder ein dreieckförmiger Signalverlauf mit einer positiven Flanke entsteht.
Der zuvor beschriebene Vorgang wiederholt sich bei unverändertem Abstand des Objekts 3 von der Infrarot-Sendediode 1 bzw. der Infrarot-Empfangsdiode 2 ständig. Das heißt, das Ausgangssignal 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 schwankt um einen bestimmten Wert.
Die zuvor beschriebene Funktion entspricht der Funktion der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung.
Die Wirkungsweise der in 5 dargestellten Schaltungsanordnung bei einer großen Änderung der Amplitude des von der Infrarot-Empfangsdiode 2 empfangenen Signals 3a wird nun anhand der in 6 dargestellten Signalverläufe erläutert.
Bei dem in 6 dargestellten Signalverlauf besteht im Intervall I₀ eine Überkompensation des Signalstroms 2a der Infrarot-Empfangsdiode 2 durch den Strom 9e der steuerbaren Stromquelle 9. Hierdurch steht am Eingang des Tiefpasses 14 ein negatives Rechtecksignal 13a an. Dies hat zur Folge, daß das Ausgangssignal 14a des Tiefpasses 14 eine negative Flanke hat. Kurz vor Ende der Pulsdauer des ersten Ausgangssignals 20a der FSM 20 und somit des am Eingang des Tiefpasses 14 anstehenden Rechtecksignals 13a unterschreitet das Ausgangssignal 14a des Tiefpasses 14 den Wert der Schwellenspannung 30a der Referenzspannungsquelle 30. Hierdurch wird das Ausgangssignal 5a des Komparators 5 Null, was zur Folge hat, daß sich die Richtung der Flanke des Ausgangssignals 14a des Tiefpasses 14 umkehrt.
Das Ausgangssignal 14a des Tiefpasses 14 steigt solange an, bis es einen Wert erreicht hat, der sich aufgrund des von der Infrarot-Empfangsdiode 2 empfangenen Umgebungslichtes einstellt. Wenngleich der Anstieg auch nach einer Exponentialfunktion erfolgt, so wurde er in der 6 aus Gründen der Anschaulichkeit als ansteigende Flanke eines Dreiecks dargestellt. Nach Überschreiten der Schwellenspannung 30a der Referenzspannungsquelle 30 wird das Ausgangssignal 5a des Komparators 5 positiv. Das Ausgangssignal 5a des Komparators 5 bleibt solange positiv, bis das Ausgangssignal 14a des Tiefpasses 14 wieder unterhalb der Schwellenspannung 30a der Referenzspannungsquelle 30 ist. Dies wird der Fall sein, wenn die Infrarot-Empfangsdiode 2 den nächsten Lichtimpuls 3a empfängt (Intervall I₁). Denn durch die noch vorhandene Überkompensation des Ausgangssignals 2a durch das Signal 9e der Stromquelle 9 ist das Ausgangssignal 13a des Verstärkers 13 negativ, wodurch das Ausgangssignal 14a des Tiefpasses 14 den Beginn einer negativen Flanke hat.
Im Intervall I₁ hat sich der Abstand des Objekts 3 von der Infrarot-Empfangsdiode 2 stark vergrößert, wodurch sich die Amplitude des von der Infrarot-Empfangsdiode 2 abgegebenen Signals 2a stark verringert hat und eine starke Überkompensation des Signalstroms 2a der Infrarot-Empfangsdiode 2 durch den Strom 9e der steuerbaren Stromquelle 9 stattfindet. Wegen der relativgroßen Überkompensation ist die Flanke des Ausgangssignals 14a des Tiefpasses 14 steil. Hierdurch unterschreitet das Ausgangssignal 14a des Tiefpasses 14 unmittelbar nach dem Auftreten des Lichtimpulses 3a die Schwellenspannung 30a der Referenzspannungsquelle 30. Dies hat zur Folge, daß das Ausgangssignal 5a des Komparators 5 unmittelbar nach dem Auftreten des Lichtimpulses 3a Null ist. Je größer die Überkompensation des Ausgangssignals 2a der Infrarot-Empfangsdiode 2 ist, desto schneller unterschreitet das Ausgangssignal 14a des Tiefpasses 14 die Schwellenspannung 30a der Referenzspannungsquelle 30 und desto länger ist das Ausgangssignal 5a des Komparators 5 Null. Ist die Überkompensation des Ausgangssignals 2a der Infrarot-Empfangsdiode 2 nur gering oder besteht eine Unterkompensation, ist das Ausgangssignal 5a des Komparators sehr lange oder ununterbrochen positiv, bis wieder eine Überkompensation vorhanden ist.
Das Ausgangssignal 5a des Komparators 5 wird mittels des zweiten Ausgangssignals 20b der FSM 20 abgetastet und das Ergebnis der Abtastung in das Schieberegister 21 geschrieben. Die Zwischenschaltung des Flipflops 8 ist hierbei nicht von Bedeutung.
Das zweite Ausgangssignal 20b der FSM 20 besteht aus einer Folge von vier Impulsen, welche zeitlich so auftreten, daß der vierte Impuls jeweils bei der abfallenden Flanke eines Impulses des ersten Signals 20a der FSM 20 auftritt. Hierdurch ist gewährleistet, daß der vierte Impuls des zweiten Ausgangssignals 20b der FSM 20 jeweils in der Spitze des dreieckförmigen Ausgangssignals 14a des Tiefpasses 14 auftritt sowie die drei vorhergehenden Impulse des zweiten Ausgangssignals 20b der FSM 20 jeweils im Verlauf einer ansteigenden positiven oder negativen Flanke des Ausgangssignals 14a des Tiefpasses 14 auftreten.
Da wegen der großen Überkompensation des Ausgangssignals 2a der Infrarot-Empfangsdiode 2 das Ausgangssignal 14a des Tiefpasses 14 eine steile Flanke hat, wodurch der Komparator 5 unmittelbar nach dem Auftreten eines von der Infrarot-Empfangsdiode 2 empfangenen Lichtimpulses 3a schaltet, ist der Eingang 21E des Schieberegisters 21 nur beim ersten Impuls des zweiten Ausgangssignals 20b der FSM 20 positiv, wodurch nur das erste (rechte) Bit 21a des Schieberegisters 21 Eins ist und die übrigen Bits 21b, 21c, 21d Null sind. Dies wiederum hat zur Folge, daß der mittels des Schalters 29 im Takt der Impulse des dritten Ausgangssignals 20c der FSM 20 im ersten XNOR 26 durchgeführte Vergleich der Bits ergibt, daß das Ausgangssignal 26a des ersten XNOR 26 in der ersten Stellung des Schalters 29 (erster Eingang 29E₁ mit Ausgang 29A verbunden) Null ist, in der zweiten Stellung des Schalters 29 (zweiter Eingang 29E₂ mit Ausgang 29A verbunden) Eins ist, in der dritten Stellung des Schalters 29 (dritter Eingang 29E₃ mit Ausgang 29A verbunden) Eins ist und in der vierten Stellung des Schalters 29 (vierter Eingang 21E₄ mit Ausgang 29A verbunden) Eins ist.
Da das Ausgangssignal 26a des ersten XNOR 26 im UND-Glied 27 bewirkt, daß das dritte Ausgangssignal 20c der FSM 20 durchgelassen beziehungsweise gesperrt wird, weist das Ausgangssignal 27a des UND-Gliedes 27 die letzten drei Impulse des dritten Ausgangssignals 20c der FSM 20 auf. Der Aufwärts-/Abwärtszähler 7 zählt daher drei Impulse, wodurch sich sein Ausgangssignal 7a um drei Werte erniedrigt. Dies hat zur Folge, daß sich die Verstärkung des steuerbaren Verstärkers 6 stärker verändert als es bei der Veränderung des Ausgangssignals 7a des Aufwärts-/Abwärtszähler 7 um einen Wert der Fall war. Hierdurch verringert sich die Überkompensation des Ausgangssignals 2a der Infrarot-Empfangsdiode 2 ebenfalls stärker.
Durch die verringerte Überkompensation des Ausgangssignals 2a der Infrarot-Empfangsdiode 2 ist die Amplitude des am Tiefpaß 14 anliegenden Rechtecksignals 13a ebenfalls geringer, wodurch die Flanke des Ausgangssignals 14a des Tiefpasses 14 eine geringere Steilheit aufweist. Die geringere Steilheit wiederum hat zur Folge, daß der Schwellenwert 5a der Referenzspannung 30 nicht mehr unmittelbar nach Auftreten des ersten Ausgangssignals 20a der FSM 20 unterschritten wird, sondern etwas verzögert. Das Ausgangssignal 5a des Komparators 5 ist somit länger positiv. Hierdurch werden beim Auftreten der nächsten Impulsfolge (Intervall I₃) des zweiten Ausgangssignals 21b der FSM 20 die Werte Eins Eins Null Null in das Schieberegister 21 geschrieben.
Hierdurch bedingt hat der bei der im Intervall I₃ auftretenden Impulsfolge des dritten Ausgangssignals 20c der FSM 20 im ersten XNOR 26 vorgenommene Vergleich der Bits 21a, 21b, 21c, 21d des Schieberegisters 21 mit dem linken Bit 21d des Schieberegisters 21 zur Folge, daß das Ausgangssignal 26a des ersten XNOR 26 in der ersten Stellung des Schalters 29 (erster Eingang 29E₁ mit Ausgang 29A verbunden) Null ist, in der zweiten Stellung des Schalters 29 (zweiter Eingang 29E₂ mit Ausgang 29A verbunden) Null ist, in der dritten Stellung des Schalters 29 (dritter Eingang 29E₃ mit Ausgang 29A verbunden) Eins ist und in der vierten Stellung des Schalters 29 (vierter Eingang 29E₄ mit Ausgang 29A verbunden) Eins ist.
Hierdurch gelangen an den Eingang 7T des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 zwei Impulse, wodurch sich das Ausgangssignal 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 um zwei Werte erniedrigt. Dies hat wiederum eine verbesserte Angleichung des Kompensationssignals 9e an das Ausgangssignal 2a der Infrarot-Empfangsdiode 2 zur Folge, da sie größer ist als bei der Erniedrigung des Ausgangssignals 7a des Aufwärts-/Abwärts-zählers 7 um einen Wert, jedoch geringer ist als bei der Erniedrigung des Ausgangssignals 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 um drei Werte.
Da durch die letzte Erniedrigung des Ausgangssignals 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 um zwei Werte die Überkompensation zwar nochmals verringert wurde, jedoch immer noch vorhanden ist, ist die Amplitude des am Tiefpaß 14 anliegenden Rechtecksignals 13a zwar noch negativ, jedoch nicht mehr sehr groß. Dies hat zur Folge, daß die Flanke des Ausgangssignals 14a des Tiefpasses 14 eine sehr geringe Steilheit aufweist, was wiederum zur Folge hat, daß der Schwellenwert 5a der Referenzspannung 30a erst kurz vor Ende des Rechteckimpulses des ersten Ausgangssignals 20a der FSM 20 unterschritten wird. Das Ausgangssignal 5a des Komparators 5 ist somit sehr lange positiv. Hierdurch wird beim Auftreten der nächsten Impulsfolge (Intervall I₄) des zweiten Ausgangssignals 21b der FSM 20 die Werte Eins Eins Eins Null in das Schieberegister 21 geschrieben.
Hierdurch bedingt hat der bei der im Intervall I₄ auftretenden Impulsfolge des dritten Ausgangssignals 20c der FSM 20 im ersten XNOR 26 vorgenommene Vergleich der Bits 21a, 21b, 21c, 21d des Schieberegisters 21 mit dem linken Bit 21d des Schieberegisters 21 zur Folge, daß das Ausgangssignal 26a des ersten XNOR 26 in der ersten Stellung des Schalters 29 (erster Eingang 29E₁ mit Ausgang 29A verbunden) Null ist, in der zweiten Stellung des Schalters 29 (zweiter Eingang 29E₂ mit Ausgang 29A verbunden) Null ist, in der dritten Stellung des Schalters 29 (dritter Eingang 29E₃ mit Ausgang 29A verbunden) Null ist und in der vierten Stellung des Schalters 29 (vierter Eingang 29E₄ mit Ausgang 29A verbunden) Eins ist.
Hierdurch gelangt an den Eingang 7T des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 ein Impuls, wodurch sich das Ausgangssignal 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 um einen Wert erniedrigt. Dies wiederum hat zur Folge, daß das Ausgangssignal 2a der Infrarot-Empfangsdiode 2 durch den Strom 9E der steuerbaren Stromquelle 9 nicht mehr überkompensiert sondern unterkompensiert wird.
Hierdurch weist das Ausgangssignal 13a des Verstärkers 13 eine positive Amplitude auf. Das Ausgangssignal 14a des Tiefpasses 14 hat somit eine positive Flanke, wodurch der Schwellenwert 30a der Referenzspannungsquelle 30 nicht mehr unterschritten wird. Das Ausgangssignal 5a des Komparators 5 ist somit ununterbrochen positiv. In das Schieberegister 21 wird somit beim Auftreten der nächsten Impulsfolge (Intervall I₅) des zweiten Ausgangssignals 21b der FSM 20 die Werte Eins Eins Eins Eins geschrieben.
Dadurch, daß das vierte Bit 21d des Schieberegisters 21 Eins ist, liegt an dem unteren Eingang des zweiten XNOR 22, dem unteren Eingang des dritten XNOR 23 und dem unteren Eingang des vierten XNOR 24 eine Null, was zur Folge hat, daß das jeweils am oberen Eingang der XNOR liegende Signal invertiert wird. Am ersten Eingang 29E₁ des Schalters 29 liegt somit eine Null, am zweiten Eingang 29E₂ eine Null, am dritten Eingang 29E₃ eine Null und am vierten Eingang 29E₄ eine Eins. Hierdurch bedingt ist das Ausgangssignal 26a des ersten XNOR 26 während einer Impulsfolge des dritten Ausgangssignals 20c der FSM 20 in der ersten Stellung des Schalters 29 (erster Eingang 29E₁ mit Ausgang 29A verbunden) Null, in der zweiten Stellung des Schalters 29 (zweiter Eingang 29E₂ mit Ausgang 29A verbunden) Null, in der dritten Stellung des Schalters 29 (dritter Eingang 29E₃ mit Ausgang 29A verbunden) Null und in der vierten Stellung des Schalters 29 (vierter Eingang 29E₄ mit Ausgang 29A verbunden) Eins.
Hierdurch gelangt an den Eingang 7T des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 während des Intervalls I_S ein Impuls, wodurch sich das Ausgangssignal 7a des Aufwärts- /Abwärtszählers 7 um einen Wert erhöht, da das Ausgangssignal 8a des Flipflops 8 Eins ist. Dies wiederum hat zur Folge, daß das Ausgangssignal 2a der Infrarot-Empfangsdiode 2 durch den Strom 9E der steuerbaren Stromquelle 9 wieder überkompensiert wird. Das Ausgangssignal 7a des Aufwärts-/Abwährtszählers 7 schwankt somit um diesen Wert. Soll der Zähler im statischen Zustand nicht schwanken, sondern fest stehen, können beispielsweise die beiden linken Bits 21c und 21d des Schieberegisters 21 als Zählkriterium, wie nachfolgend beschrieben, herangezogen werden. Die Bit-Folgen Null Null oder Eins Eins verändern den Zählerstand nicht. Die Bit-Folge Null Eins erniedrigt den Zählerstand, und die Bitfolge Eins Null erhöht den Zählerstand.
Da am Ausgang A der Schaltungsanordnung das Ausgangssignal 7a des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 ansteht, läßt sich an diesem Anschluß ein Maß für den Abstand des Objekts 3 von der Klarsichtplatte 17 abnehmen. Am ersten Anschluß A' hingegen liegt das Ausgangssignal 29a des Schalters 29, welches ein Maß für die Abstandsänderung des Objekts 3 ist. Somit läßt sich am ersten Anschluß A' ein Maß für die Geschwindigkeit abnehmen, mit welcher sich das Objekt 3 gegenüber der Klarsichtplatte 17 bewegt. Mittels des zweiten Anschlusses L der Schaltungsanordnung läßt sich einerseits die FSM 20 programmieren. Andererseits läßt sich mittels des zweiten Anschlusses L der Zählerstand des Aufwärts-/Abwärtszählers 7 voreinstellen.

Claims

Schaltungsanordnung zur Auswertung eines getakteten, von einem Objekt (3'; 3) reflektierten, insbesondere optischen Signals (3a'; 3a), mit wenigstens einem Strahlungssender (1'; 1), welcher zur Abgabe des getakteten Signals (1a'; 1a) mit einem Taktgenerator (4'; 4) verbunden ist, wenigstens einem Strahlungsempfänger (2'; 2), welcher von dem Strahlungssender (1'; 1) ausgesendete Strahlungspulse (1a'; 1a) und von dem Objekt (3'; 3) reflektierte Strahlungspulse (3a'; 3a) empfängt, und einem Vergleicher (5'; 5), mittels welchem die Ausgangssignalpulse (2a'; 2a) des Strahlungsempfängers (2'; 2) mit Referenzsignalpulsen (6a'; 6a) verglichen werden, wobei die Amplitude der Referenzsignalpulse (6a'; 6a) vom Ausgangssignal (5a'; 5a) des Vergleichers (5'; 5) abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzsignalpulse (6a'; 6a) zeitgleich mit dem vom Strahlungsempfänger (2'; 2) empfangenen Strahlungsimpulsen (3a'; 3a) auftreten und interne Impulse sind, mittels welcher entsprechende vom Strahlungsempfänger (2'; 2) empfangene Impulse (3a'; 3a) kompensiert werden.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzsignalpulse (6a', 6a) in einem steuerbaren Verstärker (6'; 6) erzeugt werden, dessen Signaleingang (6E'; 6E) mit dem Taktgenerator (4'; 4) verbunden ist, und dessen Steuereingang (6S'; 6S) mit dem Ausgang (7A'; 7A) eines Reglers (7'; 7, 8) verbunden ist, dessen Eingang (7E'; 7E) mit dem Ausgang (5A'; 5A) des Vergleichers (5'; 5) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Strahlungsempfänger (2) eine Impedanz (10) geschaltet ist, deren Kapazität ein Vielfaches der Kapazität des Strahlungsempfängers (2) beträgt, und deren ohmscher Widerstand ein Bruchteil des ohmschen Widerstandes des Strahlungsempfängers (2) beträgt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Verstärker (6) einen digitalen Steuereingang (6S) hat und der Regler (7, 8) einen Aufwärts-/Abwärtszähler (7) aufweist, dessen Zählrichtungseingang (7E) mit dem Ausgang (8A) eines Flipflops (8) verbunden ist, dessen Setz-/Rücksetzeingang (8E) mit dem Ausgang (5A) des Vergleichers (5) verbunden ist, wobei der Takteingang (8E) des Flipflops (8) und der Takteingang (7T) des Zählers (7) mit dem Taktgenerator (4) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (7) während eines Zyklus' des getakteten Signals des Strahlungssenders (1'; 1) in Abhängigkeit der Änderung der Amplitude der Ausgangssignalpulse (2a'; 2a) des Strahlungsempfängers (2'; 2) mehrere Zähltakte erhält.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (7) in Abhängigkeit eines Ereignisses auf einen bestimmten Zählerstand einstellbar ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mittels ihr der Abstand des Objekts von einer Achse oder Ebene bestimmt wird.