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Winkelmeßvorrichtung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zum Messen von Winkeln und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Messen
von Richtungen in Verbindung r,zit einem Peilsystem.
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Es ist daher Auf gabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zum essen des Richtungswinkels eines empfangenen elektromagnetischen Signals zu
schaffen,
Diese Vorrichtung enthält Einrichtungen, welche auf das
elektromagnetische Signal ansprechen und erste und zweite zum Sinus und Kosinus
des Richtungswinkels entsprechend proportionale elektrische Signale liefern, Vergleichs
einrichtungen, welche den Quotienten aus den beiden elektrischen Signalen messen,
und Modifizierungseinrichtungen, welche den Wert wenigstens eines dieser elektrischen
Signale um einen solchen Faktor abändern, daß der Quotient gleich eins wird. Der
genannte Faktor ist zum Tangens des gesuchten Richtungswinkels proportional.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung soll außerdem eine Vorrichtung
geschaffen werden, welche auf erste uK zweite elektrische Signale, die zum Sinus
und Kosinus des genannten Winkels entsprechend proPortional sind, anspricht und
ein zu diesem Winkel proportionales Ausgangssignal liefert. Diese Vorrichtung enthält
erste Gener atoreinrichtungen, welche ein im wesentlichen linear ansteigendes Pegelsignal
liefern, seite Generatoreinrichtungen, welche auf das Regelsignal ansprechen und
ein zum Tangens des Wertes des Pegelsignals praktisch in wenigstens einem bestimmten
bereich proportionales "Tangens"-Signal liefern, Modifizierungseinrichtungen,
welche
auf das Tangens-Signal ansprechen und den tTert wenigstens eines der elektrischen
Signale um einen Faktor ändern, der proportional zum Tangens-Signal ist und den
Quot.ienten aus den beiden elektrischen Signalen zil eins macht, und Vergleichseinrichtungen,
welche den Ouotienten nach der Modifizierung messen und so angeordnet sind, daß
sie den Anstieg des Regelsignals hemmen, wenn der Quotient-gleich eins ist, wobei
der Wert des zum Stillstand gebrachten Regelsignals für den oben genannten Winkel
kennzeichnend- ist.
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Die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung und die zugehörigen Zeichnungen dienen zur weiteren Erläuterung.
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Die Zeichnungen zeigen: Fig. 1 ein vereinfachtes schematisches Schaltbild
eines Teils der Winkelmeßvorrichtung; Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Teils der
Winkelmeßvorrichtung entsprechend Fig. 1; Fig. 3 das Schaltbild eines Teils der
in Fig. 2 gezeigten Einrichtung; und Fig. 4 ein Blockschaltbild einer abgewandelten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Winkelmeßvorrichtung enthält ein Baar Peilantennen A und B, welche
ein Signal aufnehmen, dessen Richtungswinkel festgestellt werden soll. Jede Antenne
speist einen entsprechenden Empfangskanal C, D, der das empfangene Signal in ein
Zwischenfrequenz-Signal von 100 kHz umwandelt, so daß die Amplituden der Zwischenfrequenz-Signalkomponenten
des empfangenen Signals in den beiden Empfangskanälen entsprec.hend. zum Sin Q und
zum Cos Q proportional sind, wobei Q der Richtungswinkel des empfangenen Signals.
bezüglich der Peilantennen ist.
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Es soll nun auf Fig. 1 Bezug genommen werden. Die Sin O und Cos Q-Zwischenfrequenzsignale
werden entsprechend zu den Eingangsleitungen 1 und 2 geleitet. Die Eingangsleitungen
1 und 2 sind mit den Eingängen von verstärkungsgeregelten Funktionsverstärkern 3
und 4 verbunden. Die Ausgänge der Verstärker 3 und 4 sind mit entsprechenden Detektorschaltungen
5 und 6 verbunden. Die Ausgangssignale der Detektorschaltungen werden in einer Vergleichsschaltung
7 miteinander verglichen.
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Jeder der Verstärker 3 und 4 ist mit einem Rückkopplungsnetzwerk
versehen, das aus entsprechenden Rückkopplungselementen 8 und 10 besteht. Die Rückkopplungselemente
verbinden
den Ausgang mit dem Eingang jedes Verstärkers und arbeiten mit in Reihe geschalteten
Eingangswiderständen 9 und 11 zusammen. Die Gesamtverstärkung der Verstärker 3,
4 kann durch eine Veränderung des Leitwertes des entsprechenden Elementes 8 oder
9 im Rückkopplungsnetzwerk geregelt werden. Am Anfang werden die Verstärkungen der
Verstärker 3 und 4 durch eine entsprechende Einstellung der Elemente 8 und 10 auf
einen bestimmten minimalen Wert gesetzt. Ist kein Empfangssignal vorhanden, so weisen
die beiden Empfangskanäle die gleiche Verstärkung auf. wird der Vorrichtung ein
Peilsignal zugeführt, indem die Peilantennen mit den-Emp£ängern verbunden werden,
so sind die Signalamplituden in den beiden Kanälen zum Sinus und Cosinus des Peil-Richtungswinkels
proportional, In einer noch zu beschreibenden eise bestimmt die Vergleichsschaltung,
welcher Kanal das kleinere der beiden Signale enthält und bewirkt, daß die Verstärkung
des in diesem Kanal befindlichen Verstärkers durch eine Veränderung des Leitwertes
des entsprechenden Rückkopplungselementes solange erhöht wird, bis die a-bgefühl.ten
Ausgangssignale gleich groß sind, Ist das Sin Q - Signal das kleinere und ist die
Gesamtspannungsverstärkung des Funktionsverstärkers 3 proportional zu 1/G wobei
Gder ückkopplungsgleitwert ist (dies trifft zu, wenn die Eigenverstärkung
des
Verstärkers im Vergleich zur Gesamtverstärkung groß ist), dann ist Cos Q = 1/G Sin
Q, woraus folt, daß G = Tan Q ist. Dies ist der Fall, wenn Q größer als null und
kleiner als 450 IStr wobei Sin Q kleiner Cos Q ist. Wenn das Cos Q - Signal andererseits
kleiner als das Sin Q - Signal ist, dann wird die Verstärkung des Verstärkers 4
entsprechend eingeregelt. In diesem Fall ist dann 1/G Cos Q = Sin Q oder G = Cot
Q.
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Aus den obigen Erläuterungen geht hervor, -daß der Leitwert des entsprechenden
Rückkopplungselementes 8 oder 10, welches so-eingestellt ist, daß an den Detektorschaltungen
Symmetrie herrscht, eine Funktion des Tangens oder Co tangens des- Peil-Richtungswinkels
in einem Quadranten -ist. Es ist außerdem einzusehen, daß der für die Detektonschaltungen
5 und 6 benötigte Aussteuerungsbereich nicht größer ist als der Bereich für eine
Signaländerung von Cos 00 bis Cos 450; das entspricht einem Bereichsumfangvon 3
Dezibel.
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Es sollen nun eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben werden,
mit deren Hilfe der Winkel aus der Messung seines Tangens oder Cotangens gewonnen
werden kann.
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Zu diesem Zweck ist ein Generator 12 vorgesehen, der einen Parameter
# liefert. Ein dem Wert des Parameters # entsprechendes Ausgangs signal wird zu
einem Funktionsgeber 1-3 übertragen, der eine Ausgangsfunktion Tan # erzeugt. Die
Funktion Tan # wird zur Regelung des Leitwertes des entsprechenden Rückkopplungselementes
8 oder 10 in der Rückkopplungsschleife des Funktionsverstärkeres in;-denjenigen
Kanal benutzt, der -das -kl-einere der beiden Richtungssignale überträgt.
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Wird das Richtungssignal am Anfang zum Peilkanal geleitet, dann liefert
der Generator 12 ein Ausgangssignal, das dem Parameterwert # = 0 entspricht. Ferner
wird das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 7 dazu benutzt, den- Ausgang des
Funktionsgenerators 13- zu schalten-, daB er den Leit-wert des Rückkopplungselementes
8 oder-10 in-d-emjenigen-Kanal, in dem sich das kleinere der empfangenen Richtungssignale
befindet, entsprechend regelt. Danach liefert der Generator 12 einen gleichmäßig
zunehmenden Wert für den Parameter pl und der Funktionsgenerator 13 regelt den Leitwert
des entsprechenden Rückkopplungselementes 8 oder 10, mit dem er durch Mithilfe der
Vergleichsschaltung 7 verbunden worden ist. Die Leitvertregelung geschieht in Übereinstimmung
mit der Funktion
Tan /,- Sobald die Ausgangssignale der Detektorschaltungen,
5 und 6 gleich groß werden, unterbindet die Vergleichsschaltung 7 eine weitere Zunahme
des Parameters ;6, und der zu diesem Zeitpunkt erreichte Wert wird ausgegeben und
stellt den gesuchten Richtungswinkel dar. Der für # ausgegebene Wert entspricht
direkt dem gesuchten Richtungswinkel in den Fällen, bei denen Cos Q größer ist als
Sin Q. Der für # ausgegebene Wert stellt einen Winkel von 900 minus dem gesuchten
Richtungswinkel in denjenigen Fällen dar, bei denen Sin Q größer ist als Cos Q.
Durch das Abfühlen des ursprünglichen Ausgangssignals der Vergleichsschaltung 7
kann festgestellt werden, ob Sin Q oder Cos Q größer ist, Dies wird dazu benutzt,
den korrekten Richtungswinkel aus den beiden gegebenen Alternativen auszuwählen.
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Der Paramçt-er / kann eine analoge Spannung sein und einer linear
verlaufenden, sägezahnförmlgen Kurve entsprechen, die in eine Waagerechte übergeht
und so bleibt, wenn an den Detektorausgängen Symmetrie herrscht9 Statt einer analogen
Darstellung und um die Genauigkeit zu erhöhen, kann der Parameter auch digital dargestellt
werden. In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung wird deshalb der Parameter
ß in Form
von Binär-Signalen auf mehreren parallelen Leitungen
dargestellt. In dieser Ausführungsform ist der Funktionsgenerator 13 eine Dioden-Matrix.
Die variablen Rückkoplungselemente 8, 10 können von mehreren Widerständen gebildet
und durch eine Kombination von Binär-Schaltern geregelt werden. Mit Hilfe dieser
Einrichtung kann eine Genauigkeit von 1 i erreicht werden. Es ist zweckmäßig, den
Parameter ;6 durch das parallele Ausgangssignal eines Binär-Zählers darzustellen,
wobei der binär Zähler selbst mit einer gleichförmigen Eingangsimpulskette versorgt
wird. Stellt jeder gezählte Impuls einen Schritt von einem Grad in der Richtung
dar und wird die Impulskette unterbrochen, wenn an den Detektorschaltungen Symmetrie
erreicht ist, dann gibt der Zustand des Zählers den gesuchten Richtungswinkel in
binärer Form an.
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Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild dieser Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Der Generator 12 von Fige 1 hat hier die Form eines Impulsgenerators
20, der eine Impulskette erzeugt und sie über eine Gatterschaltung 21, die durch
das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 7 gesteuert wird 7 zum Eingang eines
'rEiner"-Zählers 22 überträgt. Der Zähler 22 ist außerdem mit einem "Zehner"-Zähler
23 gekoppelt. Die Zähler 22 und 23
sind zweistufige, binär codierte
ezimalzähler. Sie liefern Ausgangssignale in einer Form, die den Erfordernissen
nachfolgender Stufen in der Vorrichtung angepaßt sind. Es sei jedoch darauf hingewiesen,
daß statt dessen ein reiner 6-Bit-Binärzähler oder irgendein anderer passender Digitalzähler
auch verwendet werden könnte.
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Die .Ausgangssignale aus den Stufen der Zähler 22 und 23 werden in
entsprechender Weise zu Decodiereinrichtungen 24 und 25 übertragen, welche die "Einer"-und
"Zehner"-Anzeigesignale zu einer abschließenden Decodierschaltung 26 liefern, Das
Ausgangssignal aus der Decodierschaltung 26 wird zum "Tangens"-Generator 13 übertragen,
der eine Dioden-Matrix 33 enthält. Die Matrix 33 erzeugt ein Ausgangssignal, das
über einen aus sieben parallelen Leitungen bestehenden Kanal weitergeleitet wird.
Dieses Ausgangssignal stellt den Binärwert des Tangens des Eingangsparameters #
dar, Der Kanal ist über entsprechende Gatterschaltungen 35 und 38 mit dem entsprechenden
Schalteingang von Widerstandsnetzwerken 28, 30 verbunden. Die Widerstandsnetzwerke
sind in die Rückkopplungsschleifen der Funktionsverstärker 3, 4 geschaltet und stellen
entsprechend die
einstellbaren Elemente 8 und 10 von Fig. 1 dar,
Der Ausgang der Vergleichsschaltung 7 ist mit dem Eingang einer bistabilen Schaltung
27 verbunden. Die bistabile Schaltung.27 nimmt einen Zustand an, welcher der "Richtung"
der Unsymmetrie bezüglich der Signalausgänge der Detektorschaltungen 5 und 6 entspricht,
wenn das empf angene Signal zum ersten Mal zu den Peilkanälen geschickt wird, Die
bistabile Schaltung 27 gibt entsprechende Steuersignale an dre Leitungen X und Y
ab, die zur Betätigung der Gatterschaltungen 35 und 38 benutzt werden.
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Ausgangssignale aus den Zählern 22 und 23 werden direkt zur entsprechenden
Gatterschaltung 39 und 40 übertragen, während komplementäre Ausgangssignale zu entsprechenden
Gatterschaltungen 36 und 37 geschickt werden. Die Gatterschaltungen 36 und 39 sind
mit einem Ausgangsanschluß 42 und die Gatterschaltungen 37 und 40 mit einem Ausgangsanschluß
41 verbunden. Die Leitungen 41 und 42 sind mit einer Darstellungseinrichtung für
Dezimalzahlen gekoppe@t. Die Gatter 36, 37, 39 und 40 werden vom Ausgangssignal
der bistabilen Schaltung 27 über die Leitungen X-ubd Y gesteuert.
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Das schaltbare Widerstandsnetzwerk 28, das im Rückkopriungspfad des
Funktionsverstärkers 3 liegt, ist im
einzelnen in Fig. 3 dargestellt.
Das Netzwerk 30 besitzt den gleichen Aufbau. Aus Fig, 3 geht hervor, daß der Ausgang
des Funktionsverstärkers 3 über mehrere parallele Schaltkreise, die aus der Reihenschaltung
eines Widerstandes 44 mit einem Schalter 45 bestehen, mit dem Eingang verbunden
ist. Die Widerstandswerte der Widerstände 44 entsprechen einer mathematischen Reihe
nach Potenzen von zwei, so daß der AJiderstandswert jedes Widerstandes 44 in dieser
Reihe doppelt so groß ist wie der des vorhergehenden Widerstandes, Jede der sieben
Ausgangsleitungen des Gatters 35 ist so geschaltet, daß sie einen der Schalter 45
von Fig. 3 steuern kann. Die Schalter 45 sind so angeordnet, daß, wenn das Gatter
35 sperrt, i.m Rückkopplungsnetzwerk alle Widerstände 44 zugeschaltet sind, so daß-
die Verstärkung des Funktionsverstärkers gleich eins ist.
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Es soll nun die Arbeitsweise der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung
beschrieben werden.
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Die Zähler 22, 23 werden am Anfang auf eine Anzeige von 450 zurückgesetzt.
Nimmt man an, daß das zum Eingang 1 übertragene Signal kleiner ist als das zum Eingang
2 übertragene Signal, dann veranlaßt die Vergleichsschaltung
7
die bistabile Schaltung 27 dazu, ein Signal zu erzeugen, welches über die Leitung
X zum Gatter 35 übertragen wird. Das Gatter 35 wird daraufhin geöffnet, so daß die
Ausgangssignale aus der "Tangens"-Funktionsmatrix 33 die Widerstände 44 im Netzwerk
28 der Rückkopplungsschleife des Verstärkers 3 entsprechend schalten können. Das
Signal auf der Leitung X öffnet außerdem die Gatter 36 und 37. Die auf der Leitung
Y befindliche Spannung bewirkt in diesem Fall, daß das Gatter 38 gesperrt wird,
weshalb die Ausgangssignale aus der Matrix 33 die Schalter im Netzwerk 30 nicht
beeinflussen können. Das Netzwerk 30 hält damit die Verstärkung des Verstärkers
4 auf einem Wert von eins. Die Spannung auf der Leitung Y sperrt auch die Gatter
39 und 40, Das Ausgangssignal aus der Vergleichsschaltung 7 wird auch zum Gatter
21 übertragen, elches dadurch geöffnet wird und Impulse aus dem Impulsgenerator
20 zum Eingang des "Einer"-Zählers 22 hindurchläßt. Diese Impulse sind im Vergleich
zu ihrem Wiederholungsintervall schmal, so daß sie das Ausgangssignal aus der Vergleichsschaltung
7 in wirksamer Weise tasten, Dadurch werden Störungseffekte aufgrund von Einschwingvorgängen
in den
Empfangsschaltungen, etwa wenn die Verstärkungswerte der
Verstärker geändert werden, verringert. Die Zähler 22 und 23 zählen die Eingangsimpulse,
ausgehend von dem vorher gesetzten Wert von 45, wobei jeder Zählschritt einem Winkelschritt
von 10 entspricht. Beim Zählen jedes Impulses ändert sich das Ausgangs signal der
Matrix 33 entsprechend in Abhängigkeit von dem von den Decodierschaltungen 24, 25
und 26 gelieferten Eingangssignalen, so daß auch entsprechende Änderungen im schaltbaren
Widerstandsnetzwerk 28, welches über das Gatter 35 geregelt wird, vorgenommen werden.
Die Verstärkung des Funktionsverstärkers 3 erhöht sich auf diese Weise entsprechend
mit der Reaktion der Zähler 22 und 23 auf jeden Eingangsimpuls aus dem Generator
20. Dieser Prozeß setzt sich solange fort, bis das Signal aus der Detektorschaltung
5-den gleichen Wert erreicht hat wie das aus der Detektorschaltung- 6. In diesem
Augenblick stellt die Vergleichsschaltung 7 den Zustand der Symmetrie £est und sperrt
das Gatter 21, so daß keine weiteren Impulse.mehr aus dem Generator 20 zum Zähler
22 fließen können.
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Die gesuchte Ricktung kann nun über die Ausgänge der Gatter 36 und
37 ausgegeben werden.
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In dem beschriebenen Beispiel ist das Sinus-Signal kleiner als das
Cosinus-Signal, was darauf hinweist, daß der Richtungswinkel in diesem Quadranten
zwischen 0° und 450 liegt. Da die Zähler 22 und 23 ursprünclicll auf 450 eingestellt
werden sind und aufwärts gegen 900 zählten, ergibt sich die gesuchte Richtung aus
dem Komplement des in den Zählern registrierten Winkels,sobald der Zustand der Symmetrie
erreicht ist. Der in den Zählern registrierte Winkel ist das von den Gatterschaltungen
36 und 37 gelieferte Ausgangssignal, In den rällen, bei denen das zum Anschluß 2
übertragene Cosinus-Signal kleiner ist als das zum Anschluß 1 übertragene Sinus-Signal,
c-f£net die bistabile Schaltung 27 durch die am Anfang festgestellte Unsymmetrie
die Gatter 38, 39 und 40, während die Gatter 35, 36 und 37 gesperrt bleiben. Die
Arbeitsweise der Vorrichtung läuft dann analog zu den oben beschriebenen Vorgängen
ab. Der gesuchte Richtungswinkel jedoch, der sich beim Zustand der Symmetrie schließlich
ergibt, muß zwischen 450 und 900 liegen und wird deshalb durch den in cen Zählern
22 und 23 registrierten und Der die Catterschaltunsen 39 und 40 ausgegebenen Winkel
direkt dargestellt.
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Die Gatterschaltungen 36 und 37 können aus Sätzen decodierender Gatter
bestehen, welche das "Zehner"-Komplement des "Einer"-Zählers 22 und das "Achter"-Komplement
des "Zehner"-Zählers 23 erzeugen.
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Das binär codierte, dezimale Ausgangssignal auf den @eitungen 41
und 42 kann direkt zu Übertragungszwecken benutzt oder weiter cecodiert werden,
um eine Dezimal-Anzeigeeinrichtung damit zu betreiben, In der in Fig. 2 aezeigten
Ausführungsform dieser Erfindung wird di.e von der Peilvorrichtung über den Quadranten
gelieferte Inforrlation gesondert dargestellt.
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In der in Fig. 4 gezeigten abgewandelten Ausführungsform dieser Erfindung
ist es möglich, die Peilrichtung im vollen Bereiche von 0° bis 3600 darzustellen,
Fig. 4 zeigt wieder den Impulsgenerator 20, das Gatter 21, die Zähler 22 und 23
und die Decodierschaltungen 24 und 25 von Fig. 2. ie anderen Komponenten sind aus
Gründen der Übersichtlichkeit aus Fig. 4 weggelassen worden.
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Fig. 4 zeigt: jedoch zusätzlich einen doppelseitig wirenden, dreistufigen,
binär codierten Dezimalzähler 45, der aus einer "Einer"-Zähler 50, einem "Zehner"-Zähler
51 und einer: "@underter"-Zähler 52 Gestellt. Zu all diesen
Zählern
werden die Ausgangs impulse des Gatters 21 ebenfalls übertragen und gezählt. Die
Peilempfangskanäle C, D (Fig, f) sind mit Einrichtungen 54 versehen, welche aus
dem empfangenen Signal die Information über den Quadranten herausholen. Solche Einrichtungen
können bekannte Geräte zum Empfangen eines Rundstrahl-Signals enthalten, welche
die Phase dieses Signals mit den Phasen der Signale in den beiden Peilempfangskanälen
C und D vergleichen und daraus die Information gewinnen, aus welchem Quadranten
das Signal empfangen wird, Die Information über den Quadranten wird zu einer Quadranten-Decodierschaltung
55 übertragen. Ein Ausgangskanal 56 aus der Quadranten-Decodierschaltung 55 ist
mit den geeigneten Stufen der Zähler 50, 51 und 52 verbunden, so daß vor der Bestimmung
des Richtungswinkels der Zähler 49 einen Zählerstand von 450, 1350, 2250 oder 3150
registriert, je nachdem welche Quadranteninformation die Quadranten-Decodierschaltung
55 erhalten hatO Der Ausgabe-Zähler 49 ist so aufgebaut, daß er aufwärts oder abwärts
zählt, und zwar in Abhängigkeit von den Impulsen aus.dem-Gatter 21 und je nachdem,
ob die Leitung 2r oder Y erre£jt :ist. nie oben erläutert, werden die Leitungen
X und Y durch das Ausgangssignal aus der bistabilen Schaltung 27
(Fig.
2) erregt. Der Zustand der Symmetrie wird in ähnlicher Weise errecht, wie izz Verbindung
mit Fig, 2 besieben, Da jedoch der Zähler 49 durch die Decodierschaltung 55 am Anfang
auf den Anfangswert des richtigen Quadranten eingestellt wird und dann in der korrekten
Richtung zählt, wird der gesuchte Richtungswinkel direkt durch das binär codierte,
Dezimalausgangssignal auf den parallelen Ausgangsleitungen 57 des Zähler 49 dargestellt.
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Wie oben erläutert, können auch die Ausgangssignale auf den Leitungen
57 zur Übertragung benutzt oder einer Dezimal-Decodierschaltung zugeführt wer?en,
welche eine Dezimal-Anzeigeeinrichtung speist. Die Ausgangssignale können auch zu
räumlich entfernten otationen gesandt werden.
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Aus den obigen Erläuterungen dieser rsrfindung geht hervor, daß zahlreiche
Abwandlungen dezu-bar sind, ohne daß der Bereich dieser Erfindung dabei verlassen
werden muß. So könnte beispielsweise die Verstärkung der Verstärker 3 und 4 sowohl
durch eine Änderung der in Reihe geschalteten Leitwerte als auch der parallel geschalteten
Leitwerte variiert werden.