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Die Erfindung betrifft einen digitalen Meßwertgeber mit einem aus
mehreren Spuren bestehenden, im zyklischen Kode verschlüsselten Rastermaßstab, dessen
Spuren Abtaster zugeordnet sind, die in einer Linie senkrecht zur Richtung der Spuren
des Rastermaßstabes angeordnet sind und deren Signale mittels einer Logikschaltung
in Ergebnissignale umgesetzt werden.
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Um bei digitalen Meßwertgebern, beispielsweise in Form von Winkelkodierern,
eine eindeutige Ablesung des Rastermaßstabes an den Übergangsstellen von einem Meßwert
zum anderen zu erhalten, ist es bekannt, den Rastermaßstab im zyklischen Kode auszubilden
(Zeitschrift >>ATM «, Lieferung 332, 1963, S. R113 bis R119). In diesem Falle
werden für n Bit als Abtaster der Rasterspuren entsprechend n Fotodioden benötigt.
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Bei diesem Kode tritt~von-Meßwert zu Meßwert in den Spuren nur eine
Übergangsstelle auf.
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Zur Lösung desselben Problems ist es auch bekannt, bei einem Rastermaßstab
im Dualkode eine Doppelabtastung zuverwenden (vorstehendgenannteLiteraturstelle).
In diesem Falle werden als Abtaster 2n-1-Fotodioden benötigt. Die Spuren haben eine
Teilung, die um den Faktor 2 zunimmt ; gleiches gilt für die Wertigkeit der Spuren.
Im Gegensatz zum zyklischen Kode treten von Meßwert zu Meßwert in den Spuren auch
mehrere Übergangsstellen auf, die zu Fehlmessungen Anlaß geben können. Zur Vermeidung
wird die Doppelabtastung der Spuren herangezogen.
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Wird als zyklischer Kode beispielsweise der Gray-Kode verwendet,
so ergibt sich also der Vorteil, daß gegenüberdernotwendigenDoppelabtastungbeimDualkode
weniger Fotodioden gebraucht werden. Die Fotodioden müssen beim Gray-Kode in ihrer
Lage zum Rastermaßstab jedoch recht genau liegen, d. h., die Lageabweichungen der
in einer Linie quer zu den Rasterspuren liegenden einzelnen Abtaster zueinander
beeinflussen die Lage der Grenzen von einem Meßwert zum anderen. Gleiches gilt jedoch
auch für die Doppelabtastung, bei welcher für die ersten beiden RasterspurendieAbtaster
rechtgenau angeordnet sein müssen.
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Aus der obengenannten Literaturstelle ist es auch bekannt, Winkelkodierer
mit mehreren dual verschlüsselten Kodescheiben zu verwenden, die über mechanische
Koppelglieder miteinander verbunden sind (Kupplungen, Getriebe). Bei derartig ausgebildeten
Meßwertgebern treten folgende Schwierigkeiten auf. Es ist erforderlich, daß die
einzelnen Rastermaßstabteile, die sich auf den verschiedenen Scheiben befinden,
zueinander eine gewisse Toleranz in ihrer Lage zulassen, damit beispielsweise die
Lose der Getriebe oder die Winkelübertragungsfehler, die gegebenenfalls entstehen
können, nicht ein falsches Meßergebnis ergeben.
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Dieses Problem ist bei solchen Meßwertgebern mittels einer Doppelabtastung
nach K l i e v e r oder mit einer Doppelabtastung, die im angelsächsischen Sprachgebiet
mit » U-scane bezeichnet wird, gelöst. Bei Anwendung der » U-scano sind die Abtaster
nicht V-förmig wie bei der Kliever-Abtastung angeordnet (s. genannte » ATM «), sondern
vom Abtaster der feinsten Spur aus gesehen, haben die Abtaster aller weiteren Spuren
gegenüber dem Abtaster der feinsten Spur den gleichen Abstand. Bei vielen Spuren
können die Abtaster zu Gruppen zusammengefaßt sein, wobei der Abstand der Gruppen
untereinander unterschiedlich zum Abtaster der feinsten Spur sein kann.
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Wie oben angedeutet, liegen beim zyklischen Kode alle Abtaster senkrecht
zur Richtung des Rastermaßstabes in einer Linie, und es muß eine genaue Lage-
anordnung
der Abtaster über den Spuren erfolgen. Die Lage der Abtaster ist also wichtig für
die Meßgenauigkeit und ein einwandfreies Funktionieren des Meßwertgebers.
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Bei Verwendung eines Rastermaßstabes im Dualkode und einer Doppelabtastung
nach K l i e v e r hat die feinste Spur 2° einen Abtaster. In der folgenden Spur
21 sind zwei Abtaster angeordnet. Der Abstand dieser Abtaster vom Abtaster der feinsten
Spur 2° ist eine halbe Einheit dieser feinsten Spur 2° bzw. eine viertel Einheit
der den beiden Abtastern zugeordneten Spur 21. Die beiden Abtaster der darauffolgenden
Spur 22 sind um den Abstand einer halben Einheit der Spur 21 bzw. um eine viertel
Einheit der Spur 22 versetzt. Weitere Abtaster werden auf den weiteren Spuren in
der gleichen Weise versetzt angeordnet.
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Der Lagetoleranzbereich der Abtaster nimmt bei dieser V-Abtastung
also von Spur zu Spur zu. Der erzielbare Toleranzbereich gestattet es daher bei
Winkelkodierern mit mehreren Codescheiben, die Teile des Rastermaßstabes aufweisen,
auch Getriebe mit einem relativ großen Spiel zwischen den Scheiben anzuordnen, ohne
daß dadurch Fehler im Meßergebnis auftreten.
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Wie oben angedeutet, werden bei der Doppelabtastung gegenüber der
Abtastung beim zyklischen Kode praktisch doppelt soviel Abtaster benötigt. Dazu
gehören nicht nur Fotodioden, sondern auch nachgeschaltete Verstärker und gegebenenfalls
auch nachgeschaltete Speicherelemente. Auf der Abtastseite ergibt sich demnach ein
relativ großer Aufwand, der bei Anwendung solcher Meßwertgeber bei numerisch gesteuerten
Arbeitsmaschinen für jede Koordinate aufgebracht werden muß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand der V-Abtastung
zu vermindern und für die meisten der Rasterspuren größere Toleranzen in der Lage
der Abtaster zuzulassen, so daß auch eine Erstellung von Meßwertgebern möglich ist,
bei denen Teile des Rastermaßstabes über mechanische Zwischenglieder miteinander
verbunden sind (z. B. Mehrscheiben-Meßwertgeber).
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spuren
und zugeordneten Abtaster zu Gruppen zusammengefaßt sind, deren Rasterteilung gegeneinander
versetzt ist und daß entsprechend der gewählten Versetzung (vor-oder nacheilend)
ein Signal erzeugt wird, welches zum Ergebnis der Logikschaltung addiert oder subtrahiert
wird.
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Zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt einen Ausschnitt eines beispielsweise im Gray-Kode
verschlüsselten Rastermaßstabes mit beispielsweise drei aus mehreren Spuren bestehenden
Gruppen 1, 2, 3 und je ein Signaldiagramm 4 und 5 mit sich an verschiedenen Stellen
einer Entschlüsselungsschaltung ergebenden Signalen ; F i g. 2 zeigt eine solche
an die Abtaster des Rastermaßstabes angeschaltete logische Entschlüsselungsschaltung.
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In der F i g. 1 besteht die Gruppe 1 aus den abzutastenden Spuren
2° bis 23. Aus dieser ersten Gruppe können innerhalb des Bereiches I mittels vier
über diesen Spuren angeordneten Abtastern F (angedeutet als Kreis mit Kreuz) und
der in F i g. 2 dargestellten Entschlüsselungsschaltung sechzehn verschiedene Informationen
dual
kodiert entnommen werden, wie dies im Diagramm 4 der Fig. 1 auch angeschrieben ist.
Die Rasterteilungen der Spuren 22 und 23 stimmen überein, sie haben jedoch eine
bestimmte gegenseitige Verschiebung. Die Gruppe 2 besteht beispielsweise aus den
Spuren 23', 24'und 25'und die Gruppe 3 aus den Spuren 25", 26"und gegebenenfalls
weiteren folgenden Spuren.
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Bei Verwendung des Gray-Kodes erfolgt die Steuerung der über den
Spuren angeordneten Abtaster F von der gröbsten zur feinsten Spur. Wie ersichtlich,
ist je Spur nur ein Abtaster F vorgesehen. Beim in F i g. 1 dargestellten Rastermaßstab
ist angenommen, daß sämtliche Abtaster F auf einer senkrecht zu den Rasterspuren
liegenden Linie angeordnet sind und eine Bewegung derselben in Pfeilrichtung erfolgt.
In der Entschlüsselungsschaltung nach F i g. 2 werden dadurch die Signale B und
A nach den Diagrammen 4 und 5 der F i g. 1 erzeugt.
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Die Steuerung der Abtaster F der Gruppe 1 und die sich bei Bewegung
ergebenden Signale an den Abtastern und Ausgängen B und A der nachgeschalteten Entschlüsselungsschaltung
wird nachstehend an Hand der F i g. 1 und 2 näher erläutert.
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Wie aus F i g. 1 ersichtlich, tritt am Abtaster F3 der Spur 23 ein
Signal S3 auf, das ein Abbild der Rasterteilung dieser Spur ist. Wenn angenommen
ist, daß Schwarz dem Binärwert L und Weiß dem Binärwert 0 zugeordnet ist, so tritt
bei Bewegung des Abtasters F3 in Pfeilrichtung in der Spur 23 erst ein Signal S3
entsprechend 0 und dann ein Signal S3 entsprechend L auf, in Übereinstimmung mit
der Teilung der Spur 23.
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Am Ausgang B3 der Entschlüsselungsschaltung nach F i g. 2 tritt, wie
aus dem Signaldiagramm 4 der F i g. 1 ersichtlich, ein vollkommen identisches Signal
B3 auf.
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Das Signal S, des der Spur 22 (F i g. 1) zugeordneten Abtasters F2
stimmt ebenfalls mit der Teilung der Spur 22 überein. Dieses Signal S2 wird durch
die Entschlüsselungsschaltung nach F i g. 2 in das Signal B2 umgewandelt. Das vom
Abtaster Fi der Spur 21 erzeugte Signal Si stimmt mit der Teilung dieser Spur überein.
Das Signal Si wird mittels der Entschlüsselungsschaltung nach F i g. 2 umgewandelt
in ein Signal Si. Das vom Abtaster Fo der Spur erzeugte Signal So stimmt mit der
Teilung der Spur 2° überein und wird mittels der Entschlüsselungsschaltung nach
der F i g. 2 in ein Signal Bo umgewandelt.
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Die in der Entschlüsselungsschaltung nach F i g. 2 aus den Signalen
S0 bis Sa der Abtaster Fa bis F3 abgeleiteten Signale Bo bis B3 sind offensichtlich
im Dualkode verschlüsselte Signale, wie dem Diagramm 4 nach der F i g. 1 zu entnehmen
ist.
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Die Entschlüsselungsschaltung nach der F i g. 2 setzt sich aus folgenden
Bauelementen zusammen : Wie ersichtlich, sind den Spuren 2° bis 23 beispielsweise
Fotodioden Fo bis F3 zugeordnet, an die Verstärker To bis T3 angeschaltet sind.
Den Verstärkern können Speicherelemente So bis S3 nachgeschaltet sein, die antivalente
Ausgänge haben. Die Ausgänge der Speicherelemente S3, S2 steuern zwei Und-Stufen
&'ll &2 an, die eine Oder-Nicht-Nicht-Stufe v2 ansteuern. Die antivalenten
Ausgänge dieser Stufe v2 und die antivalenten Ausgänge des Speicherelementes Si
steuern zwei weitere Und-Stufen Cz3, &4 an, die eine Oder-Nicht-Nicht-Stufe
vl ansteuern. Deren antivalente Ausgänge steuern zwei weitere Und-Stufen &5,
&6 an, die außerdem von den antivalenten Ausgängen
des Speicherelementes So angesteuert
werden. Die Und-Stufen &5, &6 steuern eine Oder-Nicht-Nicht-Stufe vo an.
An den bejahten Ausgängen der Stufen v3... vu treten die Signale B3 bis BO nach
der F i g. 1 auf, wenn beispielsweise die Fotodioden F0 bis F3 in Pfeilrichtung
über den Rasterma#stab nach F i g. 1 bewegt werden.
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An die Lage der Abtaster F der zweiten und gegebenenfalls weiterer
Spurengruppen brauchen durch die Erfindung keine hohen Toleranzforderungen mehr-gestellt
zu werden, was sich insbesondere bei der Erstellung von Kodierern günstig auswirkt,
die aus mehreren, durch toleranzbehaftete mechanische Zwischenelemente gekuppelten
Maßstabteilen bestehen. Durch die Erfindung kann also an Stelle des Dualkodes mit
seiner notwendigen Doppelabtastung der Gray-Kode mit seiner Einfachabtastung verwendet
werden.
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Wie aus der F i g. 1 ersichtlich, stimmt die Impulsform des aus der
Überlappungsspur 23' ('= nacheilend) abgeleiteten Signals B3'mit der Impulsform
des Signals B3 der Teilung der gröbsten Spur 23 der Spurengruppe 1 überein, beide
sind jedoch gegeneinander versetzt. Die aus den Spuren 23', 24', 25'bestehende Spurengruppe
2 ist um eine halbe Teilung der gröbsten Spur 23 der Gruppe 1 in Richtung zu größeren
Werten versetzt, wie durch die Strecke Z12 in F i g. 1 angedeutet ist. Bei einer
Verschiebung der Abtaster F der Gruppe 2 über die zugeordneten Spuren in Pfeilrichtung
erhalten diese Abtaster wegen der Versetzung der beiden Gruppen um die Strecke Z12
die Rasterinformation um eine halbe Teilung der gröbsten Spur 23 der Gruppe 1 nacheilend.
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Durch die Versetzung der Spurengruppe 2 gegen die Spurengruppe 1
ist das durch die Signale B4'und B5'erhaltene Ergebnis in der Entschldsselungsschaltung
nach F i g. 2 fehlerhaft. Der auftretende Fehler wird korrigiert durch Addition
eines Hilfssignals BH4 in der Binärstelle 24.
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Wie die F i g. 2 zeigt, wird das Hilfssignal BH4 aus den Signalen
B3'und B3 unter Verwendung einer Und-Stufe & abgeleitet und einer Addier-Subtrahierzelle
~4 eines aus den Addier-Subtrahierzellen i0 bis i6 bestehenden Addier-Subtrahierwerkes
AW zugeführt. Die an den bejahten Ausgängen dieser Addier-Subtrahierzellen auftretenden
Signale 40 bis A5 sind damit fehlerfrei.
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Die durch das Hilfssignal BH4 erreichte Korrektur ist wirksam, solange
die Versetzung der Spurengruppen 1, 2 nicht mehr von der optimalen Versetzung Z12
abweicht, als 12-Der Bereich, in welchem das die Korrektur bewirkende Hilfssignal
HB4 entsprechend L ist, ist abhängig von der Lage der Spurengruppe 2 gegenüber der
Spurengruppe 1.
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Im Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1 ist angenommen, daß alle
Abtaster F ohne Toleranz auf einer Abtastlinie angeordnet sind. Es können jedoch
auch den Abtastern F der Spurengruppe 2 Toleranzen von der Grole 12 (schraffierter
Bereich in Gruppe 2, F i g. 1) zugebilligt werden, wenn die Versetzung der Spurengruppe
2 optimal ist. Der Toleranzbereich der Abtaster F der Spurengruppe 3 ist in F i
g. 1 ebenfalls schraffiert dargestellt. Dieser Bereich ist doppelt so gro#, wie
die optimale Versetzung Z23 der Spurengruppe 2 gegenüber der Spurengruppe 3.
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Entsprechend der Bildung eines Hilfssignals BH4 wegen der Versetzung
der Spurengruppen 1, 2 wird ein weiteres Hilfssignal BE6 wegen der Versetzung
der
Spurengruppen 2, 3 gebildet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird dieses Signal BH6
aus den Signalen L5'' und B5' abgeleitet und tritt am bejahten Ausgang einer Und-Stufe
&1 auf. Das Signal BH6 wird der der Binärstelle 26 zugeordneten Addier-Subtrahierzelle
i6 zugeführt und hier addiert.
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Sollte der in F i g. 1 dargestellte Rastermaßstab weitere Spuren
haben, so wird in gleicher Weise, wie oben beschrieben, verfahren.
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Wie bereits vorstehend angedeutet, wird das Hilfssignal BH4 in die
Kette eines aus Addier-Subtrahierzellen , bis A6 bestehenden Addierwerkes A W eingegeben,
und zwar in die Zelle ~4, die au#erdem durch ein Übertragungssignal ü3 der Zelle
~3 und das Signal B4, angesteuert wird. Das Hilfssignal Bsf6 wird in die Zelle :
eingegeben, die außerdem vom Übertragungssignal Ü5 der Zelle 5 und vom Signal B6"
angesteuert wird. Wie aus der F i g. 2 weiter ersichtlich, steuern auch die Signale
Bo bis B3 die Zellen o bis vs an. An den nicht bezeichneten Eingängen der Zellen
möge ein Signal entsprechend 0 stehen.
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An den Ausgängen As bis Ao des Addierwerkes AW tritt die der jeweiligen
Stellung der Abtaster entsprechende Signalkombination in dualer Form auf, die in
einfacher Weise weiterverarbeitet werden kann.
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Bei numerischen Steuerungen, bei denen der Erfindungsgegenstand mit
Vorteil anwendbar ist, ist in der Regel ein Soll-Ist-Vergleich durchzuführen, so
da# ein Addierwerk bereits vorhanden ist und dieses somit nicht gesondert beigestellt
werden muß.
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Die Und-Stufe & (Fi g 2) hat folgende logische Schaltfunktion
: (B3' & B3) = BH4.
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Statt dessen kann auch folgende Verknüpfung gewählt werden : (F/<&
A/<&A,)(<&'<&)=jBj.
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Die Und-Stufe &1 hat folgende logische Schaltfunktion : (B,"&,
B,') = BH6* Hierfür kann auch die logische Verknüpfung (B6" & B5" & B5')v(B6" &
B5" & B5') = BH6 gewählt werden.
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Nachstehend wird die Wirkungsweise der Schaltung nach der F i g.
2 bezüglich der Addition der Hilfssignale BH4 und BH6 zu den Signalen B4 und B6"
erläutert.
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Die Signale S, bis S3, S3'bis S5'und SS"und Ss" stellen die Ausgangssignale
der entsprechenden Abtaster F bei optimaler Versetzung der einzelnen Spurengruppen
dar. Die Signale B0 bis B3, B3' bis B5' und B5'' und B6'' stellen die im Dualkode
verschlüsselten Signale dar.
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Wird eine Lage der Abtaster F in Stellung a nach der F i g. 1 angenommen,
so haben die Signale Bo bis B3 die der Dualzahl 2 entsprechenden Binärwerte (OOLO).
Die Signale B4', B5'und B6"haben je den Binärwert entsprechend L, an Stelle des
in dieser Stellung a an sich richtigen Binärwertes entsprechend 0.
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Die Signale Bo bis B3 und B4', B5' und B6'' stehen somit an den Eingängen
der Addier-Subtrahierzellen i0 bis 6 nach F i g. 2 als falsche Dualzahl LLLCOLO
an.
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Nun ist jedoch in Stellung a (F i g. 1) das Hilfssignal BH4 entsprechend
L und wird, wie aus F i g. 2
ersichtlich, in der-Binärstelle 24 dem zweiten Eingang
der Addier-Subtrahierzellen i4 zugeführt. Das Hilfssignal BH6 ist in der Stellung
a (F i g. 1) entsprechend 0.
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Durch die an den Eingängen der Addier-Subtrahierzellen , bis vs wirkenden
Signale führt das AddierwerkAWfolgende Rechenoperation durch : Die Signale 6'. bis
S3, S3'bis S5' und S5'' und S6'' stellen die Ausgangssignale der entsprechenden
Abtaster F bei optimaler Versetzung der einzelnen Spurengruppen dar. Die Signale
Bo bis B3, B3'bis B5'und B5'' und B6"stellen die im Dualkode verschlüsselten Signale
dar.
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Wird eine Lage der Abtaster F in Stellung a nach der F i g. 1 angenommen,
so haben die Signale BO bis B3 die der Dualzahl 2 entsprechenden Binärwerte (OOLO).
Die Signale B4', B5'und B6"haben je den Binärwert entsprechend L, an Stelle des
in dieser Stellung a an sich richtigen Binärwertes entsprechend 0.
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Die Signale Bo bis B3 und B4', B5' und B6"stehen somit an den Eingängen
der Addier-Subtrahierzellen o bis : nach F i g. 2 als falsche Dualzahl LLLOOLO an.
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Nun ist jedoch in Stellung a (F i g. 1) das Hilfssignal BB4 entsprechend
L und wird, wie aus F i g. 2 ersichtlich, in der Binärstelle 24 dem zweiten Eingang
der Addier-Subtrahierzellen 4 zugeführt. Das Hilfssignal bye ist in der Stellung
a (F i g. 1) entsprechend 0.
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Durch die an den Eingängen der Addier-Subtrahierzellen ~0 bis i6
wirkenden Signale führt das Addierwerk AW folgende Rechenoperation durch : Eingangssignale
Ausgangssignale Das Ergebnis an den Ausgängen A6 bis A, des Addierwerkes AW entspricht
also der richtigen Dualzahl in der Position 2.
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In der Stellung b (F i g. 1, Position 7) ergibt sich als nicht korrigiertes
Ergebnis der Signale Bo bis B3, B4, B5'und Bs"die falsche Dualzahl LOOLLL. Das Hilfssignal
BH4 ist in dieser Stellung b entsprechend 0 (s. F i g. 1) und das Hilfssignal BH6
entsprechend L und steuert die Zelle s (F (F g. 2) an.
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Das Addierwerk A W führt nunmehr folgende Rechenoperation durch :
Das Ergebnis an den Ausgängen As bis Ao des Addierwerkes entspricht damit der richtigen
Dualzahl in der Position 7.
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In der Stellung c (F i g. 1, Position 22) sind beide Hilfssignale
HB4, HB6 entsprechend 0. Die Signale
Bo bis B3, B,', B,'und B,"entsprechen
in dieser Stellung c auch der richtigen, dieser Position 22 zugeordneten Dualzahl
OOLOLLO, so daß eine Korrektur nicht erforderlich ist. Wie aus F i g. 1, Diagramm
5 ersichtlich, treten die Signale/ bis Ao entsprechend der richtigen Dualzahl OOLOLLO
in der Position 22 auf.
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Der durch die erfindungsgemäße Ausbildung erreichte Gewinn ist ein
Toleranzbereich in den jeweiligen Spurengruppen, der genauso gro# ist, wie bei der
in Verbindung mit dem Dualkode verwendeten Doppel-V-Abtastung, jedoch bei beträchtlicher
Verminderung des technischen Aufwandes für die Abtaster und Abtastelektronik. Im
Prinzip kann also ein Winkelkodierer aus einer Mehrzahl von im Gray-Kode verschlüsselten
Scheiben bestehen, die durch Getriebe gekoppelt sind.
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Die Erfindung ist nicht auf den Gray-Kode beschränkt. Sie ist auf
jeden beliebigen Kode anwendbar, der in der Lage ist, von Meßwert zu Meßwert eindeutige
Meßwertübergänge zu liefern, die gruppenweise zusammenfaßbar sind. Es können auch
zyklische Dezimalkodes verwendet werden.
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Patentansprüche : 1. Digitaler Meßwertgeber mit einem aus mehreren
Spuren bestehenden, im zyklischen Kode verschlüsselten Rastermaßstab, dessen Spuren
Ab-
taster zugeordnet sind, die in einer Linie senkrecht zur Richtung der Spuren
des Rasterma#stabes angeordnet sind und deren Signale mittels einer Logikschaltung
in Ergebnissignale umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spuren und
zugeordneten Abtaster (F) zu Gruppen (1 bis 3) zusammengefaßt sind, deren Rasterteilung
gegeneinander versetzt (is ; ;'23) ist und daß entsprechend der gewählten Versetzung
(vor-oder nacheilend) ein Signal (BH) erzeugt wird, welches zum Ergebnis der Logikschaltung
addiert oder subtrahiert (AW) wird.