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Vorrichtung zur fortlaufenden Differenzzählung zweier nichtsynchroner
Impulsreihen Die bekannten elektronischen Ringzähler zeigen als Ergebnis die Anzahl
der zugeführten Impulse an, d. h., jeder Eingangsimpuls bewirkt gewissermaßen
die Addition einer »Eins«. Eine einfache Umschaltung der Kopplungen innerhalb eines
solchen Zählers führt dazu, daß der Ring in umgekehrter Richtung durchlaufen wird
und jeder Impuls die Anzeige um den Wert »Eins« erniedrigt. Bei einer Kombination
beider Steuerungsarten über zwei getrennte Eingänge werden die Impulse eines Kanals
addiert und die des anderen subtrahiert, so daß jeweils die zahlenmäßige Differenz
der auf beiden Kanälen zugeführten Impulse angezeigt wird. Voraussetzung für diese
laufende Differenzbildung ist allerdings, daß nicht an beiden Eingängen gleichzeitig
Impulse auftreten, sondern ein Mindestabstand eingehalten wird, innerhalb dessen
der Zähler von Vor- auf Rückwärtsbetrieb umschalten kann.
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Die dafür bekannten Antikoinzidenzstufen beseitigen zwar das gleichzeitige
Auftreten von Impulsen, beeinträchtigen jedoch dabei das Zählergebnis.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur fortlaufenden
Differenzzählung zweier nichtsynchroner Impulsreihen, deren Impulse aus periodischen
oder nichtperiodischen Bewegungsvorgängen in zwei getrennten Kanälen abgeleitet
sind und bei denen von einem internen Impulsgenerator erzeugte Hilfsimpulse von
den Meßimpulsen gesteuert werden, wobei die Hilfsimpulse zur Zählung gelangen. Die
neue Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß von dem internen
Impulsgenerator zwei um den ursprünglichen Impulsabstand verschobene Impulsreihen
halber Folgefrequenz abgeleitet sind, die je einem der Kanäle in Abhängigkeit
von aus den Meßimpulsen abgeleiteten Torsteuerspannungen zugeleitet sind und Hilfsimpulse
bilden, die vorwärts und rückwärts ansteuerbaren Ringzählem zugeführt sind, wobei
der zeitliche Abstand der internen Impulse halber Folgefrequenz kleiner als die
Dauer des Torspannungsimpulses ist.
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Die neue Vorrichtung gestattet eine Differenzbildung auch bei beliebig
zeitlicher Zuordnung der vor- und rückwärts zählenden Impulse.
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Da die beiden Impulsfolgen weder in sich periodisch noch gegenseitig
synchronisiert sein müssen, ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, von
denen einige angeführt werden.
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Auf relativ einfache Weise lassen sich z. B. Torsionsmessungen an
umlaufenden Wellen vornehmen. Bringt man zwei gleiche Lochscheiben oder Magnettrommeln
an beiden Enden der zu untersuchenden Welle an und bildet die Differenz der lichtelektrisch
oder magnetisch abgetasteten Impulse, so wird direkt die dem Torsionswinkel entsprechende
Loch- bzw. Impulszahl angezeigt, und zwar unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit
der Welle.
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Ähnlich einfach läßt sich der Schlupf asynchroner Motoren aus dem
Vergleich der Netzfrequenz mit der um den Polpaarfaktor vergrößerten Drehzahl bestimmen.
Die Achse des Motors muß zu diesem Zweck so abgetastet werden, daß pro Umdrehung
eine der Polpaarzahl entsprechende Anzahl von Impulsen erzeugt wird. Da die Messung
über eine definierte Zahl von Netzperioden erfolgen muß, kann eine Start-Stop-Einrichtung
des Zählers von der entsprechend untersetzten Netzfrequenz gesteuert werden. Bei
einer Untersetzung 1: 1000 würde sich damit eine direkte Anzeige des über
20 Sekunden gemittelten Schlupfes in Promille ergeben. Die gleiche Genauigkeit bei
kürzerer Meßzeit kann man erhalten, wenn sowohl die Netzfrequenz als auch die Zahl
der pro Umdrehung abgetasteten Impulse um den gleichen Faktor vervielfacht werden.
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In ähnlicher Weise lassen sich auch Differenzen geradliniger Bewegung
ermitteln, wie z. B. die Verwindung breiter Transportbänder durch Abtastung beider
Kanten oder die Messung zu- und abfließender Mengen zur fortlaufenden überwachung
des zwischen Zu- und Abfluß vorhandenen Inhalts.
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Allgemein können laufende Differenzbildungen aller physikalischen
Größen vorgenommen werden, soweit sie mit vertretbarem Aufwand in eine ihnen proportionale
Anzahl von Impulsen umzuwandeln sind.
Die Zeichnungen stellen ein
Ausführungsbeispiel dar. Es zeigt Fig. 1 ein Impulsschema, F i
g. 2 ein Schaltschema für den Impulsgeber und einen Kanal, F i
g. 3 ein Schaltschema eines Ringzählers und F i g. 4 ein Blockschema
für ein Anwendungsbeispiel.
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Das begrenzte Auflösungsvermögen eines vor- und rückwärts steuerbaren
Zählers bedingt einen Mindestabstand zwischen Ansteuerimpulsen beider Zählrichtungen.
Soweit Impulse mit geringerem zeitlichem Abstand eintreffen, muß vor der Weiterleitung
zum Zähler eine gegenseitige Verschiebung vorgenommen werden. Das Impulsschema hierfür
zeigt F i g. 1.
A sei ein Eingangsimpuls beliebiger Kurvenform.
Aus seinem positiven Nulldurchgang wird ein Triggerimpuls B abgeleitet, der seinerseits
einen Rechteckimpuls definierter Breite C erzeugt. Letzterer wird mit einer
frei laufenden periodischen Impulsfolge D
abgetastet, deren Impulsabstand
so gewählt ist, daß maximal zwei Impulse E in den Rechteckimpuls hineinfallen
können. Durch besondere Maßnahmen wird erreicht, daß nur der erste von
D mit C
koinzidierende Impuls dem Kanall des Zählers als geeigneter
ZählimpulsF zugeführt wird. Der Rechteckimpuls C entspricht C, ist
jedoch durch ein dem KanalI1 zugeführtes Eingangssignal ausgelöst worden, dessen
Nulldurchgang im Grenzfall mit dem von A zusammenfallen kann. Die Inipulsfolge
D'
läuft synchron mit D, ist aber gegen letztere um einen halben Impulsabstand
verschoben. Von der SerieD' fällt daher im vorliegenden Fall nur der Impuls E' mit
C zusammen und liefert für den Kanal II einen ZählimpulsF.
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Einer willkürlichen Zuordnung der Eingangssignale entspricht also
eine ebensolche von C und C'. Da mindestens ein Impuls von D mit
C bzw. von D' mit C zusammenfällt, ist gewährleistet, daß jedes
Eingangssignal einen Zählimpuls F bzw. F' hervorruft. Da andererseits
D und D' um 1/2 T gegeneinander verschoben sind, müssen auch die Zählimpulse
F und F' bei beliebiger Lage von C gegen C
mindestens diesen Abstand
aufweisen. Sofern der vor- und rückwärts steuerbare Zähler ein Auflösungsvermögen
von :2## 1/2 T besitzt, sind damit alle Bedingungen für eine einwandfreie Differeuzählung
willkürlich erscheinender Eingangssignale erfüllt.
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Die Anordnung zur Erzeugung des beschriebenen Impulsscheinas zeigt
F i g. 2. Sie enthält zwei gleich aufgebaute Kanäle I, II, von denen nur
die Schaltung des einen angegeben ist, und den tastbaren Impulsgenerator mit Frequenzteiler.
Aus den Eingangssignalen jedes Kanals wird bei positivem Nulldurchgang mit Hilfe
eines Schmitt-Triggers 1 ein positiver Triggerimpuls abgeleitet. Dieser bringt
eine monostabile Stufe 2 zum Ansprechen, die einen negativen, annähernd rechteckigen
Impuls von einer definierten Breite erzeugt. Die hiermit angesteuerte Umkehrstufe
3 liefert an ihren beiden Ausgängen sowohl den invertierten als auch den
ursprünglichen Impuls mit niedriger Impedanz. Letzterer öffnet eine Torröhre 4,
über die jetzt maximal zwei Abtastimpulse über Leitung 4' an den Eingang einer bistabilen
Stufe 5 gelangen können. Durch den zuerst eintreffenden Impuls wird diese
Stufe 5 umkippen und über die Kathodenstufe 6 einen Zählimpuls an
den Zähler weitergeben. Der eventuell eintreffende zweite Abtastimpuls kann am Zustand
von 5 nichts ändern. Der Ausgangszustand wird am Ende des durch
3
invertierten Rechteckünpulses, und zwar mit dessen negativen Spannungssprung
wiederhergestellt.
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. Der Impulsgenerator 7 läuft mit einer Impulsfolgefrequenz
von beispielsweise 200 kHz und kann über einen Kathodenfolger 8 und eine
bistabile Stufe 9
durch Start-Stop-Impulse getastet werden. Die beiden Abtastimpulsfolgen
werden einfach durch beiderseitige Ansteuerung eines bistabilen Multivibrators
10 erzeugt, der ausgangsseitig zwei Impulsserien der halben Frequenz mit
einer gegenseitigen Verschiebung um den Abstand eines ursprünglichen Impulses abgibt,
Als frei laufender Impulsgenerator7 dient ein Sperrschwinger 11, dessen Folgefrequenz
mit Widerstand 12 auf z. B. 200 kHz eingestellt wird. Eine Start-Stop-Steuerung
des Generators wird durch gitterseitige Auf- und Zutastung über den Kathodenfolger
8 und eine bistabile Stufe 9 ermöglicht. Sie ist entweder von Hand
mit den Tasten 13 und 14 zu betätigen oder kann durch negative Impulse am
Start- bzw. Stopeingang erfolgen. Wird der Schalter 15 geschlossen, können
beide Steuerimpulse auch gemeinsam über einen Eingang zugeführt werden, Mit den
Sperrschwingerimpulsen wird eine bistabile Stufe 10 angesteuert, die an ihren
beiden Ausgängen 4# und 4#' nach Differentiation über Kondensator 16 und
Widerstand 17 und positiver Begrenzung durch Diode 18 die beiden gegeneinander
verschobenen negativen Impulsfolgen für die Kanäle 1
bzw. 11 liefert.
Der Schmitt-Trigger 1 am Eingang eines jeden Kanals ist so ausgelegt, daß
er wechselspannungsmäßig von beliebigen Generatoren oder bei überbrückung von Kondensator
19 mit Schalter 20 direkt durch einen Fotoleiter getriggert werden kann.
Wird z. B. der Kanal 1 am Eingang mit einer Sinusspannung von 20 kHz angesteuert,
so erzeugt die Triggerstufe 1 an ihrem Ausgang 21 einen Mäander gleicher
Frequenz. Dieser stößt mit seiner positiven Flanke nach Differentiation über 21,
22, 23 und negativer Begrenzung durch Dioden 24, 25 die monostabile
Stufe 2 an. Jedes Eingangssignal öffnet also die Torröhre 4 für die Dauer von z.
B. 15 Mikrosekunden. Während dieser Zeit können von der Abtastfrequenz mindestens
ein, aber nicht mehr als zwei Impulse an der Kathode 26 von Röhre 4 erscheinen.
Ein die Torröhre passierender Impuls bringt die bistabile Stufe 5 in Arbeitsstellung
(rechtes System 5' leitend). Der hierbei entstehende negative Spannungssprung
wird über 27,28,29 und 30,31
differenziert und mit Diode32 und der vorgespannten
Diode33 so begrenzt, daß nicht nur beim Zurückkippen auftretende positive Anteile,
sondern ebenso geringe negative Störsignale unterdrückt werden. Sollte ein weiterer
Abtastimpuls folgen, kann er wegen der inzwischen gesperrten Diode34 nicht zum Ausgang
gelangen. Die Ruhestellung der bistabilen Stufe (linkes System5" leitend) ist durch
die gleichspannungsmäßige Kopplung von Röhre5" und Röhre 3 über die Diode
35 eindeutig bestimmt.
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Besonders erwähnt sei der etwas von der üblichen Schaltungsweise abweichende
Aufbau der monostabilen Stufe 2. Um möglichst kleine Eingangssignalabstände zulassen
zu können, müssen diese Stufen kurz nach dem Zurückkippen wieder ansteuerbar sein.
Maßgebend hierfür ist die Dauer des Einschwingens in den statischen Ausgangszustand,
d. h.
im wesentlichen die zur Umladung von Kondensator
36 erforderliche Zeit. Letztere wird verhältnismäßig kurz gehalten, da infolge
der Diode 37 die Wiederherstellung des ursprünglichen Ladezustandes über
den relativ niedrigen Widerstand 12 und 38 parallel zu 39 erfolgt.
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Die eigentliche Impulszählung kann mit einem aus bistabilen Elementen
aufgebauten dekadischen Ringzähler erfolgen. Das Schaltbild einer Dekade zeigt F
i g. 3. Die Erfindung ist im übrigen nicht auf dekadische Ringzähler beschränkt.
Von den zehn pro Dekade vorhandenen bistabilen Multivibratoren 40, 40'.
.. 40" befindet sich jeweils nur einer in der Arbeitsstellung, die durch
niedriges Potential am Ausgang gekennzeichnet ist. Im Schaltbild steht die Dekade
in Nullstellung, d. h. 40 in der Arbeitslage. Alle »Und«-Tore 43', 44' bzw.
45', 46'... 43", 44" mit Ausnahme der von 40 kontrollierten sind gesperrt. Ein auf
Kanal 1 erscheinender Zählimpuls kann somit ausschließlich nach 40' gelangen,
ein solcher auf Kanal II nur nach 40". Impulse auf Kanal 1 bringen also jeweils
eine ziffernmäßig höher liegende, solche auf Kanal II eine tiefer liegende Stufe
zum Ansprechen, die ihrerseits die vorhergehende bzw. nachfolgende über einen gemeinsamen
,ipppelwiderstand 56 in die Ausgangslage zurückmrt.
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Den Eingängen jeder Dekade sind monostabile Stufen 41 bzw. 42 zur
Impulsformung und Impedanzwandlung vorgeschaltet. Der übertragimpuls für Kanal I
wird beim übergang von 9 auf 0 und der für Kanal 11 beim übergang
von 0 auf 9 abgegeben. Er ist in der Lage, eine Dekade gleicher Bauart
anzusteuern.
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Erwähnt sei hier, daß im Gegensatz zu gewöhnlichen Geradeauszählem
an jede folgende Dekade hinsichtlich Zählgeschwindigkeit die gleichen Anforderungen
zu stellen sind. Diese Bedingung leuchtet unmittelbar ein, wenn man bedenkt, daß
unter Umständen alle Dekaden gleichzeitig von 0 auf 9
und zurück schalten
müssen.
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Die Diodengatter für beide Wirkungsrichtungen haben bei möglichst
geringem Aufwand folgende Forderungen zu erfüllen: a) Sowohl Zählimpulseingang
57 wie Ausgang der Gatter 58 sollen möglichst geringe Rückwirkungen
auf den Gleichspannungseingang (Punkt 59) ausüben.
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b) Die durch das öffnen und Schließen am Ausgang des Gatters
hervorgerufenen Störsignale sollen möglichst klein gehalten werden. Dasselbe gilt
für die bei geschlossenem Gatter noch am Ausgang erscheinenden Anteile der Zählimpulse.
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c) Der Gleichspannungseingang soll nur bei niedrigem Potential,
d. h. leitendem rechtem System von 40 eine Belastung darstellen.
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Diese Forderungen sind mit je zwei Dioden 43, 44 bzw. 45, 46
zu erfüllen. Bei geschlossenem Gatter tritt infolge der gesperrten Diode 44 weder
eine nennenswerte Rückwirkung (a) noch eine Belastung (c) auf. Die Zählimpulse können,
da sie nicht größer als etwa 20 V sind, nur über den Sperrwiderstand von 43 an den
Ausgang gelangen. Dasselbe gilt für den bei der Sperrung auftretenden positiven
Spannungssprung, nur daß hier beim überschreiten des Kathodenpotentials von 46 (etwa
115 V) zusätzlich noch der Sperrwiderstand von 45 wirksam wird
(b).
Bei geöffnetem Gatter kann eine Rückwirkung ncgativer Impulse am Zustand
der bistabilen Stufe nichts ändern, und am Ausgang auftretende positive Störimpulse
müßten >4 V sein, um an den Gleichspannungseingang zu gelangen (a). Der beim öffnen
erscheinende negative Spannungssprung bleibt mit seinem tiefsten Potential stets
>95 V, so daß auch hierdurch verursachte Störsignale nur über den Sperrwiderstand
der Diode 46 am Ausgang des Gatters erscheinen können (b).
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Dei beiden erforderlichen Vorspannungen von etwa 95 und
115 V können je Dekade durch einen Spannungsteiler erzeugt werden.
Zweckmäßiger erscheint es jedoch, für alle Dekaden gemeinsam einen Kathodenfolger,
d. h. zusätzlich eine Doppeltriode vorzusehen, da man hiermit bei geringerem
Anodenstromverbrauch einen niedrigeren Innenwiderstand erzielt.
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Die übertragungsimpulse zur nächsten Dekade werden rückwirkungsfrei
ausgekoppelt, und zwar für Kanal I über Diode 47 und Widerstand 48 am Gatter 45",
46", für Kanal 11 über 50, 51 am Gatter 43, 44. Die linken Anoden
aller Stufen 40, 40'. . . 40" steuern bei hohem Potential (Arbeitsstellung)
je eine Triode 52, 52' . . . 58" auf, die ihrerseits die zugehörige
Glimmstrecke der Ziffernanzeigeröhre 53
zündet. Die Rückstellung des Zählers
wird durch Ansteuerung des rechten Systems der Nullstufe 40 entweder von Hand mit
der Taste 54 oder durch positive Impulse über Kondensator 55 vorgenommen.
Der zulässige minimale Abstand zwischen Impulsen beider Zählrichtungen beträgt beim
Ausführungsbeispiel etwa 3 Mikrosekunden. Mit einer für den Impulsgenerator
gewählten Folgefrequenz von 200 kHz ist also hinreichende Betriebssicherheit vorhanden.
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Sind z. B. die Drehzahlen, deren abgeleitete Spannungen den Eingängen
der Kanäle 1 und II zugeführt werden, n, = n 2 bei
180' Phasenunterschied, so bleibt die Anzeige des Zählers stehen, wobei jedoch
in der Einderdekade zwei benachbarte Ziffern gleichzeitig, aber mit halber Intensität
sichtbar werden, da der Zähler laufend einen Schritt vor und zurück zählt und im
vorliegenden Fall beide Schritte im gleichen Abstand erfolgen. Sind dagegen die
Drehzahlen ni =n 2 bei 01 Phasenunterschied, so ist nur eine Ziffer
sichtbar, da die benachbarte nur für eine sehr kurze Dauer eingeschaltet wird und
daher nicht mehr sichtbar reagieren kann.
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Als weitere vorteilhafte Anwendung der neuen Vorrichtung mit fortlaufender
Differenzzählung sei abschließend noch ein Verfahren erwähnt, das mit Hilfe an sich
bekannter Vorwahlzähler die Bildung des Produktes zweier Faktoren gestattet, von
denen der eine auch während der Rechenzeit fortlaufend vergrößert werden kann.
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In F i g. 4 ist die Impulsabtastung mit LA und der Differenzzähler
mit DZ bezeichnet. VZ ist ein Vorwahlzähler, d. h. ein normaler Geradeauszähler,
der nach einer einstellbaren Zahl von Eingangsimpulsen einen Ausgangsimpuls abgibt
und sich mit diesem gleichzeitig auf Null zurückstellt. Außer VZ wird ein tastbarer
Impulsgenerator IG benötigt, der praktisch so aufgebaut sein kann wie die Stufen
8, 9, 11
in Fig. 2.
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Vor Beginn der Multiplikation wird DZ statt nach Null auf
9999 zurückgestellt. IG steht in Stopstellung, VZ auf Null. Der Faktorn ist
die Vorwahleinstellung von VZ, m wird als Impulsfolge auf
Kanal
1 eingegeben. Mit dem ersten m-Impuls springt DZ von 9999 auf
0000, wobei am Ausgang der letzten Dekade auf Kanall ein Impuls abgegeben
wird, der IG starten läßt. Während die weiteren m-Impulse von DZ in Aufwärtsrichtung
gezählt werden, gibt VZ nach n Impulsen einen Ausgangsimpuls an KanalII ab, der
DZ um einen Schritt zurückstellt. Nach der m-fachen Wiederholung dieses Vorganges
steht DZ wieder auf 9999 und hat beim übergang von 0000 nach
9999 auf Kanal II einen Stopimpuls an IG abgegeben, womit die Multiplikation
beendet ist und am Ausgang m-n Impulse erschienen sind.
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Da der gesamte Rechenvorgang in Serie erfolgt, werden die Rechenzeiten
im Vergleich zu üblichen Verfahren mit
zwar relativ groß, wobei Tm die Rechenzeit für eine Multiplikation und fF die Impulsfolgefrequenz
von IG bedeutet, der Vorteil ist aber, daß m fortlaufend und in beliebig unregelmäßigen
Intervallen eingegeben werden kann. Der Differenzzähler darf laufend durch m-Impulse
vorwärts und mit YZ-Impulsen rückwärts gesteuert werden, da durch Zwischenschaltung
von IA eine gegenseitige Störung beider Impulsserien vermieden wird. Die angegebene
Rechenzeit gilt für den Fall, daß DZ nicht zwischen zwei m-Impulsen durch YR-Impulse
voll ausgezählt wird, d. h. die Eingabe von m in kürzerer Zeit als
erfolgt. Geht die Eingabe langsamer vor sich, so erscheint das vollständige Produkt
in einem zeitlichen Abstand nach dem Auftreten des letzten m-Impulses.