DE1917608A1

DE1917608A1 - Verfahren zur elektronischen Positionsbestimmung eines Stiftes auf einem Tableau mit Gitterstruktur und Anordnung zur Durchfuehrung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE1917608A1
Application number: DE19691917608
Authority: DE
Inventors: Herbert Dym
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-04-11
Filing date: 1969-04-05
Publication date: 1969-10-30
Also published as: US3588345A; FR2007433A1; GB1204107A

Description

Amtliches Aktenzeichen! Neuanmeldung

Akten »ei ch en der Anmelderim Docket YO 9-68-014

Verfahren zur elektronischen Positionsbestimmung eines Stiftes auf einem Tableau mit Gitterstruktur und Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens; - - - / '

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektronischen Positionsbestimmung eines Stiftes auf einem Tableau mit Gitterstruktur, dessen Gitterlinien mit elektrischen Signalen beaufschlagbar sind* die jeweils den Anzapfungen eines den Gitterlinien zugeordneten Widerstandes entnommen werden und eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei derartigen Tableaus zur Positionsbestimmung wird aus dem vom Stift in der Art eines Sondenstiftes abgetasteten elektrischen Signal auf die Koordinaten des Stiftes bezüglich des Tableaus geschlossen.

Anordnungen dieser Art werden insbesondere als graphische Eingab eeinh ei -

ten für Computer und als Teil von Zeichenerkennungssystemen benutzt.

Es ist bekannt, Tableaus zu verwenden, bei denen die Positionsbestimmung

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tin·· aufgesststen Stift·· durch Messung des WidersUndes der erfaßten Teile der OitterUnien erfolgt.

Weiterhin ist bekannt, die Gitterlinien eines Tableaus sur Positionsbestimmung den Anzapfungen eine· Widerstandes zuzuordnen, der an beiden

Enden mit trftgermodulierten gleicherequ«nten Signalen gleicher Phasenla ge des Trlger· g««peiat wird· Beim Abtasten des Summeneignals durch einen Sondenstift ergeben «ich jedoch Nachteile, die darin bestehen, daß nichtlineare Phaeenabweichungen aultreten» die nur unter grottem Aufwand su korrigieren sind. Auger dem erfordern solche Phasenerfassungssysteme Taktgebe rf requensenhöchster Genauigkeit·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Positionsbestimmung auf einem Tableau mit Gitterstruktur anzugeben, bei dem diese Nachteile vermieden werden, und welches bei verhältnismäßig geringem technischen Schaltungsaufwand exakte Meßergebnisse liefert, die weitgehend von der Spannungsempfindlichkeit des Sondenstiftes und eventuell auftretenden Phasenverschiebungen unabhängig sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an jedem Ende eines gleichartigen Gitterlinien zugeordneten Widerstandes ein trägermoduliertes Signal gleicher Frequenz aber entgegengesetzter Phasenlage mit an dem einen Ende des Widerstandes ansteigender und an dem anderen Ende dazu entgegengesetzt abfallender periodisch verlaufender Hüllkurve angelegt wird* und daß über einen einen Punkt einer Gitterlinie erfassen-' den kapazitiven Sondenstift das sich entlang des Widerstandes bewegende elektrische Signal abgetastet und einer elektrischen Schaltung zugeführt und daß der Stand eines Zählers, dessen Inhalt der örtlichen Änderung des den Widerstand durchlaufenden Spannungsminirnums proportional ist, zum Zeitpunkt des Abtaetens dieses Spannungsminimums durch den Sondenstift in ein Register zur digitalen Erfassung seiner Position auf der Gitterlinie übertragen wird.

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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung dieses Verfahrens besteht darin, daß das trägermodulierte Signal 100-prozentig moduliert wird und das Spannungsminimum der Spannung Null entspricht.

Um bei der Bestimmung mehrerer Koordinaten nicht auf die Verwendung verschiedentrequenter Signale angewiesen zu sein, was schaltungsmäßig eine filtergemäße Auswertung bedingen würde, ist es vorteilhaft, daß die Positionsbestimmung des Sondenstiftes nach mehreren Koordinaten nach dem Zeitmultiplexverfahren erfolgt, wobei die den gleichartigen Gitterlinien zugeordneten Widerstände jeweils mit gleichfrequenten Signalen gespeist werden.

Eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht darin, daß die vom Sondenstift abgetastete und demodulierte Spannung einem Differentiator zuführbar ist , durch dessen sich während des Auftretens eines Spannungsminimums ändernde Aus gang Samplitude ein Und-Glied aktivierbar ist, und daß ein Zähler vorgesehen ist, dessen Inhalt der örtlichen Änderung des den gleichartigen Gitterlinien zugeordneten Widerstand durchlaufenden Spannungsminimums proportional ist, und daß bei Aktivierung des Und-Gliedes der Zählerstand einem Register zuführbar ist.

Zusätzliche vorteilhafte Merkmale einer Weiterbildung dieser Anordnung sind in der Beschreibung erörtert und in den Ansprüchen enthalten. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: die Verteilung einer Wechselspannungsamplitude entlang eines

Widerstandes für ein Tableau zur Positionsbestimmung,

Fig. 2: eine schematische Darstellung der Gitter struktur eines TaIs-

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leaus zur Positionsbestimmung mit den den Gitterlinien zugeordneten angezapften Widerständen,

Fig. 3: ein öchematisches Blockschaltbild zur Ermittlung der Koordinaten eines kapazitiven Sondenstiftes auf dem Tableau zur Positionsbestimmung,

Fig. 4, 5: verschiedene Spannungsverläufe zur Erläuterung der Wirkungsweise des Blockschaltbildes nach Fig. 3.

In Fig. 1 stellt die horizontal verlaufende Linie die Länge eines Wider-

standee mit den Endpunkten Xl und XZ dar. Als Ordinatenwerte erscheinen in dieser Darstellung die Amplitude eines Wechselspannungssignales an jedem Punkt dieses Widerstandes. An dem Ende Xl hat die Amplitude einen Wert der Größe Al; an dem Ende X2 weist die Amplitude eine entgegengesetzte Polarität und eine Größe des Wertes A2 auf. Im Punkt Xn hat die Amplitude einen Wert 0. Wenn die Amplitude Al in dem gleichen Maße zunimmt wie die Amplitude A2 abnimmt, wird sich der Punkt Xn von links nach rechts proportional mit der Zeit zwischen den Punkten Xl und X2 bewegen. Die gestrichelten Linien geben den Amplitudenverlauf zu einem Zeitpunkt an, in dem die Amplitude Al bzw. A2 ihren größten Wert bzw. den Wert 0 aufweisen.

Um das sich entlang des Widerstandes bewegende Spannungeminimum (oder die Spannung 0) mit einem kapazitiven Sondenstift abzutasten, ist es erforderlich, den Widerstand an seinen beiden Enden mit Wechselspannungssignalen entgegengesetzter Phase zu speisen. Diese Signale sollen je nach dem Einspeisungspunkt (Xl oder X2) linear in ihrer Amplitude anwachsen bzw. abfallen. AtIs der Zeitdifferenz, die sich vom Beginn des Anlegens einer mit 0 beginnenden Amplitude Al am Punkt Xl des Widerstandes und dem Abtasten der Spannung 0 im Punkt Xn durch den kapazitiven Sondenstift ergibt, kann die Position des Punktes Xn entlang dee Wideretandes

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bestimmt werden. In Erweiterung dieser Tatsache ist es auch möglich, durch Verwendung orthogonal verlaufender Gitterlinien, die X-Y-Koordinaten des Sondenstiftes auf dem Tableau zur Positionsbestimmung zu ermitteln. -

Ein solches Tableau zur Positionsbestimmung mit orthogonaler Gitterstruktur ist in Fig. 2 gezeigt« Gleichartig verlaufenden Gitterlinien ist jeweils ein angezapfter Widerstand mit den Enden Xl und X2 bzw. Yl und Ύ2 zugeordnet. Die Gitterlinien sind voneinander isoliert.

In Fig. 3 ist das in Fig. 2 schematisch dargestellte Tableau zur Positionsbestimmung unter der Bezugszahl 10 nochmals gezeigt. Die Gitterlinien für die X-Richtung sind mit den Anzapfungen des Widerstandes 14, die für die Y-Richtung mit den Anzapfstellen des Widerstandes 16 verbunden. Der Oszillator 56 erzeugt eine Trägerfrequenz, deren Verlauf in Fig. 4c gezeigt ist. Diese Trägerfrequenz wird zum einen über den Phaseninverter 58 dem Amplitudenmodulator 46 und zum anderen dem Amplitudenmodulator 44 zugeführt. Die Ausgangsspannung des Amplitudenmodulators 46 ist gegenüber der des Amplitudenmodulators 44 entgegengesetzt verlaufend. Außerdem wird die Trägerfrequenz einem Zähler 34 zugeführt. Die Und-Schaltung 38 spricht bei vollem Zählerstand an und bewirkt das Zurücksetzen des Zählers 84 sowie die Einleitung eines neuen Sägezahnzyklus durch den Sägezahngenerator 40.

Der Verlauf der Ausgangs spannung des Sägezahngenerators 40 ist in Fig. 4a dargestellt· Diese Spannung wird dem Amplitudenmodulator 46 über einen Kondensator 60 mit nachgeschalteter, geerdeter Diode 62 zugeführt. Des weiteren, wird die Sägezahnspannung über einen Invertierer 42 über einen Kondensator 64 mit nachgeschalteter, geerdeter Diode 66 dem Amplitudenmodulator 44 zugeführt. Der Verlauf dieser Spannung ist in Fig. 4b dargestellt. Die Amplitudenmodulatoren 46 und 44 erhalten die gleichen Trägersignale, die aber jeweils um 180° phasenverschoben sind und die

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gleiche niederfrequente Sägezahnspannung, die aber jeweils einen entgegen- 4, gesetzten Verlauf hat. Die Amplitudenmodulatoren sind von einem solchen Typ, der eine hundertprozentige Modulation des Trägers gestattet. Durch das Kondensator-Diodennetzwerk 60, 62 bzw. 64, 66 wird die minimalste Eingangsspannung auf einem fixierten Wert gehalten. Die Ausgangsspannungen der Amplitudenmodulatoren sind in den Fig. 4d und 4e illustriert. Da die Kapazität des Zählers 34 die Sägezahnperiode bestimmt, ist diese Zeitdauer ein Vielfaches des Oszillatortaktes. Da der Zähler immer zu einer Zeit zurückgesetzt wird, in der ein neuer Sägezahnzyklus beginnt, ist der Inhalt des Zählers der örtlichen Änderung des den Widerstand 14 oder 16

durchlaufenden Spannungsminimums proportional.

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Um ein Zeitmultiplexverfahren für die Ermittlung der X- und Y-Koordina ten des Sondenstiftes auf dem Tableau zur Positionsbestimmung zu ermög lichen, ist an den Zähler 34 eine bistabile Kippstufe 36 angeschlossen. Nach Ablauf eines ersten Zählvorganges für die Ermittlung der X-Koordinate wechselt die bistabile Kippstufe ihren Status. Während einer ersten Periode aktiviert der X-Ausgang der Stufe 36 die analogen Torschaltungen 48 und 50. Dadurch wird es ermöglicht, an die Enden Xl und XZ des Widerstandes 14 die entsprechenden Signale, wie sie in Fig. 4d und 4e gezeigt sind, anzulegen. In der darauffolgenden Periode aktiviert der Y-Ausgang der Stufe 36 die analogen Tor schaltungen 52 und 54. Dabei werden die Signale, deren Verläufe in den-Fig. 4d und 4e gezeigt sind, an die . Enden Yl und Y2 des Widerstandes 16 angelegt.

Das von dem kapazitiven Sondenstift 12 an der Oberfläche des Tableaus 10 abgetastete Signal wird einem Verstärker 20, dem Demodulator 22 und dem Differentiator 24 zugeführt. Das abgetastete Signal wird zu einem bestimmten Zeitpunkt den Wert 0 haben. Die Fig. 5a und 5b und 5c illustrieren verschiedene, von dem kapazitiven Sondenstift abgetastete Signale während einer Sägezahnperiode. Sie sind an drei verschiedenen Punkten entlang einer Gitterlinie erfaßt. Fig» 5a zeigt den Signalverlauf, wenn der

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kapazitive Sondenstift genau die Mitte einer Gitterlinie erfaßt. Die Fig, 5b und 5c zeigen ein abgetastetes Signal, das dann auftritt, wenn der kapazitive Sondenstift an jeweils einem der Enden des Widerstandes aufgesetzt wird. Der Demodulator 22 unterdrückt die Trägerfrequenz. Der Differentiator 24 arbeitet als binärer Schaltkreis. Beim Auftreten der Spannung 0 an dem Sondenstift wird die Ausgangs spannung des Differentiators eiw Polaritätswechsel erfahren. Dadurch wird jeweils eines der Und-Glieder 26 oder 30 aktiviert. Der zweite Eingang des Und-Gliedes wird vom X*Ausgang der Stufe 36, der des Und-Gliedes 30 vom Y-Ausgang der Stufe 36 gebildet. Das Und-Glied 26 ist zu einer Zeit aktiv, wenn die in X-Richtung verlaufende Gitterlinie bestimmt wird. Das Und-Glied 30 ist zu einer Zeit aktiviert, wenn die in Y-Richtung verlaufende Gitterlinie durch den Sondenstift erfaßt wird. Mittels des Ausgangs signa lee des Und-Gliedes 26 wird der Inhalt des Zählers 34 in das X-Register 28 übertragen. Analog dazu begründet das Aus gangs signal des Und-Gliedes 30 eine übertragung des Zählerinlialtes 34 in das Y-Register 32, Dadurch sind in den Registern 28 und 32 Digitalmeßdaten der X- und Y -Position des kapazitiven Sondenstiftes verfügbar.

Das Ausgangs signal der Und-Glieder 26 und 30 hat eine Pulsbreite, die der Position des Sondenstiftes proportional ist; es wird durch die Widerstandskapazitätskombination 68 bzw. 70 integriert. Auf diese Weise erhält man analoge Aus gangs signale, die den Positionskoordinaten des Sondenstiftes entsprechen.

In Fig. 5d ist das Ausgangs signal des Demodulators 22 gezeigt. Das ent-

igt sprechende Ausgangssignal des Differentiators 24 in Fig. 5e dargestellt.

Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß es weitgehend unabhängig von der Empfindlichkeit des kapazitiven Sondenstiftes ist. Dadurch können sich irgendwelche Kopplungsprobleme nicht auswirken. Durch Verwendung einer Träger Spannung wird auch weniger die Spannung

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O als der Phasenwechsel zum Zeitpunkt des Auftretens der Spannung O angezeigt. Aus diesem Grunde kann eine Phasenverschiebung des Trägers in Kauf genommen werden. Die Ermittlung der X- und Y-Koordinaten des Sbndenstiftes erfolgte in den hier beschriebenen Ausführungen nach dem Zeitmultiplexverfahren. Es wäre auch denkbar, die X- und Y-Widerstände zur gleichen Zeit mit Signalen einzuspeisen; dann müßten jedoch die Trägerfrequenzen verschieden sein und die Schaltung zur Bestimmung der Koordinaten müßte eine filtergemäße Auswertung des von dem Sondenstift abgetasteten Signalee vornehmen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur elektronischen Positionsbestimmung eine· Stifte· auf einem Tableau mit Gitterstruktur, dessen Gitterlinien mit elektrischen Signalen be&ufschlagbar sind, die jeweils den Anzapfungen eine· den Gitterlinien zugeordneten Widerstandes entnommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Ende eines gleichartigen Gitterlinien zugeordneten Wideretande· ein trtgermoduiiertes Signal gleicher Frequenz aber entgegengesetzter Phasenlage mit an dem einen Ende des Widerstände· ansteigender und an dem anderen Ende dazu entgegengesetzt abfallender periodisch verlaufender Hüllkurve angelegt wird, und dafi über einen einen Punkt einer Gitterlinie erfassenden kapazitiven Sondenstift (12) das sich entlang des Widerstandes bewegende elektrische Signal abgetastet und einer elektrischen Schaltung zugeführt, und dall der Stand eines Zähler· (34), deesen Inhalt der örtlichen Änderung des den Widerstand durchlaufenden Spannungeminimum· proportional ist, zum Zeitpunkt des Abtasten· die·«· Spannungsminimums durch den Sondenstift in ein Register (28, 32) zur digitalen Erfassung seiner Position auf der Gitterlinie übertragen wird. "

2. Verfahren nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet» defl das trigermodulierte Signal 100-prozentig moduliert wird und das Spannungsminimum der Spannung Null entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daft die Positionsbestimmung des Sondenstiftes nach mehreren Koordinaten nach dem Zeitmultiplexverfahren erfolgt,

4; Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die

gleichartigen Gitterlinien zugeordneten Widerstände jeweils mit

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gleichfrequenten Signalen gespeiet werden.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bi· 4, dadurch gekennzeichnet, dall die vom Sondenstift (12) abgetastete und demodulierte Spannung einem Dif-. ferentiator (24) zuführba? iet, durch dessen sich während des Auftretens eines Spaimimgsminimums ändernde Ausgangsamplitudt ein Und-Glied (26, 30} aktivierbar ist, und daß ein Zahler (34) vorgesehen ist» dessen Inhalt der örtlichen Änderung des den gleichartigen Gitterlinien zugeordneten Wider stand durchlaufenden Spannungaminimums proportional ist, und daß bei Aktivierung des Und-Gliedes der Zählerstand einem Register zuführbar ist.

6. Anordnung nach Anspruch. 5_t dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der den gleichartigen Gitterlinien zugeordneten Wistand speisenden Signale ein Oszillator (56) für die Trägerfrequenz ,der mit einem. Amplitudenmodulator (44) bzw« über einen Phasenlagerter (58) znit einem Amplitudenmodulator (46) verbunden ist, und ein Sägezahngenerator (40), dessen Aue gangs -spannung dem Amplitudenmodulator (46) und in einer dieser entgegengesetzt verlaufenden Richtung dem Amplitudenmodulator (44) zuführbar ist, und ein Zähler (34) für die Trägerfrequenzpulse vorgesehen sind, der bei Höchststand' zur Einleitung eines neuen SXgezahnxykluc zurücksetzbar ist und daß die den Widerstand speisendes Signale an den Amplitudenmodulatoren (44 und 46) abnehmbar sind.

?„ Anordnung zur Durchführung de» Yerfahrecs nach Anspruch 3

ode? 4_r dadurch gekemtzeichnet, daß das Tableau (10) eine orthogonale Gitterstroktar aufweist, wobei dan horizontal

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vertikal verlaufenden Gitter linien die Widerstände (14 bzw. 16) zugeordnet sind,

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an

den Zähler (34) eine bietabile Kippstufe (36) angeschlossen ist, durch welche nach einem ersten Zählvorgang die Ausgangsspannungen den Amplitudenmodulatoren (44 und 46) über Tor schaltungen dem Widerstand (14) und nach einem zweiten Zählvorgang dem Widerstand (16) zuführbar sind und daß zur Aufnahme ,des Zählerstandes während des Auftretens des Spannungeminimums zur Zeit des ersten Zählvorganges ein X-Register (28) und zur Zeit des zweiten Zählvorganges ein Y-Register (32) vorgesehen ist.

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