DE1945206C3 - Einrichtung zur Interpolation - Google Patents

Description

Dio Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Interpolation von weg- bzw. winkelabhängigen periodischen elektrischen Signalen.

Bei Weg- oder Winkelmeßeinrichtungen ist es au>< Gründen der Objektivierung der Meßergebnisse heute allgemein üblich, daß man die gemessenen Werte digital anzeigt oder digital weiterverarbeitet. Derartige Meßeinrichtungen stellen üblicherweise Linearmeßsysteme oder Drehgeber dar, die abhängig von der Weg- oder Winkeländerung periodische elektrische Signale abgeben.

Um eine Richtungserkennung des Meßvorganges ίο zu ermöglichen, ist es bei derartigen Meßeinrichtungen üblich, mindestens zwei phasenverschobene Signale zu erzeugen.

Zur Erhöhung des Auflösungsvermögens dieser Meßeinrichtungen ist es bekannt, die Periodenlänge der weg- bzw. winkelabhängigen Signale zu unterteilen, d. h. elektrisch zu interpolieren.

Verschiedene der bekanntgewordenen Interpolationsverfahren haben jedoch noch den Nachteil, daß sie nicht unabhängig von der Größe der Amplituden der eingegebenen Signafe oder auch anfällig gegenüber Phasenänderungen der Eingangssignale sind.

Ferner ist es bekannt, eine Interpolation durch Frcqucnzverdopplung der Eingangssignal und nachfolgender Triggerung ihrer Nulldurchgänge zu er- •t reichen. Jedoch ist der hiermit erzielbare Interpolationsfaktor verhältnismäßig klein (deutsche Offenlegungsschrift I 474 140).

Weiterhin ist es bekannt. Wegmeßsignale auf dem Umweg über eine zeitabhängige Sägezahnspannung. weicht mit einer Anzahl von Festspannungen verglichen wird, zu interpolieren.

Jedoch ist diese bekannte Methode an sehr feine Teilungen bzw, an einen gleichförmigen Bewegungsablauf beim Meßvorgana uebunden (deutsche Patentschrift 1 059 671).

Es ist auch bekannt, durch Eingabe eines konstanten Eichsignals die Schwellen von Spannungsdetektoren dem jeweiligen Leistungsgrad von elektrischen Empfangseinrichtungen von Zeit zu Zeit A° anzupassen, jedoch ist diese Anpassung von etwaigen Änderungen des zu messenden Eingangssignals völlig unabhängig (USA.-Patentschrift 3 392 386).

Aufgabe der Erfindung ist es. unter Vermeidung der oben geschilderten Nachteile eine weitergehende Interpolation bei möglichst geringem Aufwand zu erzielen.

Erreicht wird dies nach der Erfindung dadurch, daß das zu interpolierende weg- oder winkelabhängige Signal über eine Reihe von Komparatoren mit unterschiedlichen Triggerniveaus geführt ist und die Triggerniveaus an die vorgegebene Signalform und an die jeweilige Signalamplitude derart angepaßt sind, daß nach jedem vorgegebenen Interpolationsschritt eine sprunghafte Änderung der Ausgangsspannung an mindestens einem Komparatorausgang erfolgt.

Dabei wird die Anpassung der Triggerniveaus an die jeweilige Amplitude des interpolierenden Signals entweder durch Konstanthaltung der Amplitude selbst oder durch eine Nachführung der Triggerniveaiis erreicht.

Dies wird vorzugsweise über ein von der jeweiligen Signaliimplitude und bei Verwendung von mehreren phasenverschobenen Signalen auch von den Phasenänderungen abhängiges Referenzsignal gesteuert. ⁵J Das Referenzsignal kann dabei dem Geber des Meßsystems selbst entnommen sein oder aus den in den Interpolator eingegebenen phasenverschobenen Meßsignalen erzeugt werden.

Die Erfindung wird nun an Hand der m den ι : g. 1 bis 7 dargestellten Ausführunusbci-piele :■.iner erläutert. "

In der Fig. 1 ist ein Schaltbild einer Imerpola-. nseinnchtung nach der Erfindung einnezeichnet λ hrend in den Fig. 2a, 2b und 2,· das zueehörige ν :nalschema dargestellt ist. "

λη den Eingängen E₁ und E. des Interpolators .,ch F.g. 1 werden die von einem nicht einoezeichiven Geber für Weg- oder Winkelmeßcinrichtuneen ■-.•kannter Bauart erzeugten wegabhäimwen Signale _; und L', eingegeben. Diese Sianalc "werden in .veiweggleichnchter G/, und C/., so nleich«erich-.!. daß an ihren Ausgängen die Spannungen U :.id U_x (vgl. auch Fig. 2a) entstehen. Die beiden -anale (7, und U_x werden in einer Addiiionsstufe A .iviüiert, so daß sich in bekannter Weise ein dreieck- :ihnliches Signal L/, (vgl. Fig. 2i) ergibt, welches die ... ppelie Amplitude und die doppelte Frequenz von !'., oder U_x hat und außerdem noch 45 cegenüber J :n Eingangssignal^ U₁ und U., phasenverschoben ist Dte Eingangssignale U₁, U~ und das hieraus entstandene frequenzverdoppelte" Signal U. sind an die i ingänge einer Reihe von Komparatoren K₁. K,, K_v K₁, K._t bis K_n bekannter Bauart angeschlossen. u eiche eine sprunghafte Änderung der Komparator- :msgangsspannungen [/„ U₁₁ bis U_L herbeiführen, uenn die Spannung der anliegenden Signale U_v U₁ und U. einen Wert durchschreitet, der dem Spannungswert des am jeweiligen Komparatorreferenzeinganges anliegenden Triggerniveaus entspricht. Die Referenzeingänge der Komparatoren K₁, K, und K., liegen an Masse; ihr Triggerniveau ist somit gleich Null. Die an den übrigen Komparatoren anliegenden Triggerniveaus sind mit U_Kl, U_R.„ U_Rv U_Kx bzw. ¹^ Hv Ή ρ.,, ü_R._r Uk_x bezeichnet.

Die friggerniveaus der Komparatoren K_x bis K_n werden über eine Kette von Widerständen R₁, «, bis R_K erzeugt, über die ein noch näher zu beschreibendes Referenzsignal U_K bzw. U _R geleistet ist.

Die Widerstandskette ist dabei so aufgebaut, daß bei einer vorgegebenen Signalform des zu interpolierenden Signals die an den Widerständen abgegriffenen Triggerniveaus so zu liegen kommen, daß Änderungen in den Komparatorausgangsspannungcn in gleichmäßigen Abständen, welche gleichen Wegoder Winkeländerungen entsprechen, erfolgen. Da im vorliegenden Falle das zu interpolierende Signal U. die Form eines gleichsehenden Dreiecks hat. sind alle Widerstände A₁, R₁ bis R_H gleich groß zu wählen.

Durch geeignete Wahl der Widerstandskette läßt sich jedoch jede Signalform, die vom Nulldurchgang bis zum Maximum bzw. Minimum keine unendlichen Steigungen aufweist, interpolieren.

Zur Veranschaulichung dieses Sachverhaltes sei auf die Fig. 4 verwiesen, bei der einige Lagen von Triggerniveaus U_Rll bzw. U_Rh für eine dreieckförmige A bzw. sinusförmige B Signalform bei vorgegebenen Interpolationsschritten As angedeutet sind. Die Widerstandskette muß im selben Verhältnis wl·· die Triggeirniveaus abgestuft sein.

An der weiterhin gestrichelt eingezeichneten Signalform A', welche aus der Signalform A durch eine Vergrößerung der Amplitude hervorgeht, ist angezeigt, welche Lagen dann die Triggerniveaus U_Ha' einnehmen müssen, wenn an den gleichen Wegstellen s getriggert werden soll. Daraus geht hervor, daß die Triggerniveaus bei Amplitudenändeningen des interpolierenden Signals andere Werte annehmen müssen, wenn die Auslösung der Interpolationssii'nale an den gleichen Stellen .·; erfolgen soll.

Eine entsprechende von den Amplituden b/w. Phasenänderungen der eingegebenen Signale ;:hhängige Nachführung der Triggerniveaus läßt sich bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung II über ein auf folgende Weise erzeugtes Referenzsignal U_H erzielen.

Hierzu werden die Eingangssignale U₁ und U., einer weiteren Addierstufe Α., zugeführt. Durch die Addition dieser beiden Eingangssignale erhält man in bekannter Weise ein Ausgangssignal, daß die gleiche Frequenz wie die Eingangssignale U₁ und U., hai. jedoch um - 45 phasenverschoben ist und eine um de.n Faktor 11 gerößerc Amplitude aufweist. Das um den Faktor 11 abgeschwächte Ausgangssignal der Addierstufe Α., wird dem Zweiweggleichrichter GI_x zugeführt. Am Ausgang von G/, erhält man das positive Signal U_1n (vgl. auch Fig. 2b). Das Eingangssignal (/., svird mit Hilfe der Umkehrstufe /., invertiert und mit dem Eingangssignal L', in einer weiteren Addierstufe A._t addiert. Man erhält damit ein Signal, daß in seiner Frequenz wiederum der der Eingangssignale L', bzw. U., entspricht, jedoch gegenüber (Z₁ um ^ 45 phasenverschoben ist und ebenfalls eine um den Faktor \ 1 größere Amplitude hat. Das um den Faktor i 3 abgeschwächte Signal der Addierstufe /T₁ wird dem Zweiweggleichrichter G/., zugeführt, an dessen Ausgang man das positive Signal U₁₁ (vgl. Fig. 2b) erhält. Die positiv gleichgerichteten Halbwellen der Signale U₉ und 17,,, werden zusammen mit den Signalen U_x und den in der Umkehrstufe /, invertierten Signal [/., einer Addierstufe A_x zugeführt. Die Addition dieser Signale stellt das Referenzsignal L'^ (vgl. Fig. 2c) dar, welches den Amplituden der Eingangssignale U₁ und U., proportional ist.

Durch eine geeignete Abschwächung des Referenzsignals L/., läßt sich die in Fig. 2c sichtbare Modulation nahezu wirkungslos machen. Im übrigen kann man die Modulation durch die doppelte Anzahl phasenverschobener Halbwellensignale wesentlich verringern, so daß ihr Einfluß praktisch ohne Bedeutung ist. Bei Phasenverschiebungen der beiden Eingangssignale U_x und L'., i=9() paßt sich, wie Versuche ergeben haben, das Referenzsignal U_R (Fig. 2c)dem zu interpolierenden Signal U. (Fig. 2a) so an, daß die Interpolationseinrichtung bis nahezu 0' Phasenverschiebung richtig arbeitet.

Wie in der Fig. 1 weiterhin aufgezeigt, wird die Referenzspannung U_H an die Widerstandskette /?.. R₁₁, R₁, R_K und über die Umkehrstufe I₃ negiert, nunmehr Bezeichnung U_H an die Widerstandskette R₁, R₂. R._r R₁ angelegt.

Die an den Referenzeingängen der Komparatoren /C, bis A₁₁ liegenden Triggerniveaus U_Ri bis U_Rx bzw. U₁₁ bis TJ_Rx werden durch das amplituden- und phasenabhängige Referenzsignal U_R bzw. V_R derart nachgeführt, daß die Interpolationseinrichtung auch bei Schwankungen der Amplituden bzw. Phasen der zu interpolierenden Signale richtig arbeitet.

Die bei einem Durchlauf des interpolierenden wegabhängigen Signals an den Komparatorausgängen der Schaltung nach Fig. 1 auftretenden Spannungsänderungen sind in der Fig. 2b synchron mit dem Signalverlauf der Eingangssignale nach Fig. 2a eingetragen. Die eingezeichneten Spannungssprünge entstehen in bekannter Weise dann, wenn Spannungs-

gleichheit an beiden Eingängen der Komparatoren herrscht, d. h., wenn das interpolierende Signal von dem jeweils anliegenden Triggerniveau U_Hv U _H., usw. (\gl. Fi g. 2a) angeschnitten wird.

Wie aus der Fig. I weiterhin ersichtlich, werden die an den Ausgängen der Komparatoren K₁ bis K_n austretenden Signalfolgen U, bis U₁ einer Logik-Schaltung /..S. bekannter Art zugeführt, bei der durch geeignete Verknüpfung derselben an den Ausgängen A₁' bzw. A.,' die Spannungen U₁. bzw. (/. (\gl. F-" i g. 2 b) entstehen.

Hine hierfür geeignete Schaltung ist in der Fi«. 3 beispielsweise angedeutet, welche im wesentlichen aus Umkehrstufen und Nand-Gliedern bestellt.

Der I lankenabsiand Iv der Spannungen U_tj und (■'. (Fig. 2b) ist um den Inierpolationsfaktor (hier -4I)) kleiner als die volle Periode der Hingangs-Mgnalc C₁ und (''.,. Die Signale U₁₁ und U₁ sind gegeneinander um 'JO versetzt, so daß sie in Verbindung eines bekannten und in der F i g. 1 nicht mehr eingezeichneten Vorwärts-Rück wärts-Zählers mit Viertelungslogik \orzciclienriditig gezählt werden können.

Will man die Inicrpolalionsschritte jedoch nicht zählen, sondern codieren, so wird an Stelle der Logikschaltung /..V₁ (I" ig. 1) eine ebenfalls bekannte C'odierschiiltiing eingefügt, welche nach dem in F" ig. 2 c angegebenen Code, gekennzeichnet durch die Zustände 0 und L. arbeitet. Hiermit kann nun jedem Interpolationswert Is ein fesler Wer· zugeordnet werden.

Hei dem aufgezeichneten Allsführungsbeispiel nach I-ig. 1 erhält man 40 verschiedene Festwerte (\gl. Fig. 2b). Hin weiteres Ausführungsbeispiel einer Interpolationseinrichtung nach der Erfindung ist in der F i g. 5 dargestellt, das teilweise aus dem gleichen Bauteil wie die Anordnung nach Fig. I aufgebaut ist. Gleiche Teile tragen in beiden Figuren auch gleiche Bezeichnungen.

Hei dem Ausfülmingsbeispiel nach F i g. 5 wird jedoch das aus der Addicrsiufe A₁ austretende Signal I . auf einen Doppelweggleichrichter G/5 gegeben, welcher ein Signal U₁₁ (vgl. auch Fig. 6a) erzeugt, dessen Frequenz gegenüber U. verdoppelt ist.

Das Signal C_n wird in der Schaltung nach Fig. 5 an jeweils einen Eingang der Komparatoren K_t. K.. K₁. und K. gelegt. Das Referenzsignal U_H wird wiederum aus eier Addition der Signale U₁. C₄, U₉ und C₁₁₁ gewonnen. Bei dieser Ausführung braucht das Signal U_1x. nicht mehr negiert werden, da sich das Signal C₁₁. wie aus der Fig. ft a ersichtlich, nur im Positi\en befindet. Das Signal U_K wird wiederum mit Hilfe der Widerstandskette /?_s, R₀, R₁ und R_H so unterteilt, daß es bei einer Verwendung eines beliebigen (mit bereits gemachter Einschränkung) Signals C₁₁ und unter Zuhilfenahme von Komparatoren sprunghaCte Veränderungen der Komparatorenausgangsspannungen im gleichmäßigen Abstand erüibf(vgl. Fig. 6b).

In dem in Fig. 5 eingezeichneten Beispiel, daß

ίο die Hingangssignale U₁ bzw. IZ₂ in 40 Teile unterteilen soll, ist wiederum eine quasi Dreiecksfunklion angenommen worden, bei der sich ein Widcrstandsverhälinis von 1:1, also R^ = R₀=R-R_n ergibt. Die Referenzspannungen U_Rv C_w.„ U_Ι<Λ und I',..,

gehen an den zweiten Eingang der Komparatoren K₁ bis K-. Die Signale IZ₁. U., und U,_t werden mit HiIIe der Komparatoren K_v K., und K._t bei deren Nulldurchgang getriggert. Die Ausgangssignale der Komparaloren λ', bis K-. also U₁-, U_(i, U_r. U„ U_n. U,

und U₁₁ werden in einer geeigneten logischen Schaltung /..V, in bekannter Weise verknüpft, so daß an den Ausgängen A._A' bzw. A_A' die in der Fig. (Sb eingezeichneten Signale U₁., und U₁., austreten.

Auch bei dieser Anordnung können in Interpola-

tionsschritlen innerhalb einer Periode oder eines Teiles einer Periode feste Werte zugeordnet werden Dazu muß man an Stelle von LS., eine hekannu Codierselialtiing. die nach dem in I^rig. 6c auiiv zeigten Code arbeitet, setzen.

Die in Fig. 5 dargestellte Einrichtung zeiclnK¹ sieh durch einen besonders geringen Aufwand ;> ' Schaltelementen (Komparatoren) aus.

Man kann an Steile der Nachführung der Trig:viimcaus über ein Referenzsignal auch die Ampliti i'>

der Eingangssignale, z. B. mit dem gleichen Reieiui.·¹ signal, konstant halten, wie dies in der Fig. 7 K spielsweise dargestellt ist. Hier werden die liingar. signale C₁ und U₁ zunächst über Verstärker V.. ' . mit \ariabler Verstärkung geführt, deren Vers! :, ■

kungsgrad über einen Refcrenzsignalcrzcuger. ι sprechend dem Bauteil II nach Fig. (S. gestei wird.

Die so konstant gehaltenen Eingangssignale < bzw. U₁., werden alsdann, wie oben aufgezt". weiterverarbeitet. mit dem Unterschied, daß nun π die Widersüindskelten eine feste Glcichspann.'h angelegt werden kann.

Ebenfalls ist es auch möglich, die amplituden ■■'·■■ hängigen Referenzsignale direkt aus dem Geber. >- ■ einem photoelektrischen Geber aus der Intent der Lichtquelle, zu gewinnen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

1. Palentansprüche:

   I. Einrichtung zur Interpolation von weg- bzw. winkelubhüngigen periodischen elektrischen Signalen, dadurch ge kenn/eich net. daß das xu interpolierende weg- h/w. winkelabhängige Signal (U-) über eine Reihe \on Komparatoren

   (K₁, K ) mit unterschiedlichen Triggerniveaus

   (Un₁, I'/;_, . . .) geführt ist und die Triggerniveaus an die \orgegebene Signalform und an die jeweilige Signalamplitude derart angepaßt sind, daß nach jedem vorgegebenen Interpolationsschritt ( Iv) eine sprunghafte Änderung der Ausgangsspanming ({/,. U₁₁, . . .) an mindestens einem Komparalorausgang erfolgt.
2. 2. Hinrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß Gerate (I₁. K₁) zur Konstanthaltung der Amplitude des zu interpolierenden Signals vorhanden sind.
3. 3. Hinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Geräte (Il in Fig. 1) zur Nachführung der Triggerniveaus vorhanden sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Konstanthaltung der Signalamplitude bzw. Nachführung der Triggerniveaus mit Hilfe eines von der jeweiligen Signalamplitude abhüimiiicn Referenzsignals (U_H) erfolgt.
5. 5. Hinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Nachführung der Triggerniveaus verwendete Referenzsignal (U_H) über eine Widerstandskette (R₁. R.₂, R._r R_A . . .) geführt isi. an welcher die den einzelnen Komparatoren (K₁. K., . . .) zugeordnete Triggerniveaiis abgegriffen werden.
6. 6. Hinrichtung nach Anspruch 1 und 4, bei der mindestens zwei phasenverschobene weg- bzw. winkelabhängige Signale eingegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal (f,'_A.) aus den phasen verschobenen Eingangssignalen ({',. U.,) erzeugt wird.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch I und 6. dadurch gekennzeichnet, daß das über die Komparatoren (K₁, K., . . .) geführte wegabhängige Signal (U-) aus den phasenverschobenen Eingangssignalen (U₁. U.,) zusammengesetzt ist.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das über die Komparatoren (K₁, K,. . .) geführte Signal (U.) durch ein- oder mehrfache Frequenzverdoppelung aus den Eingangssignalen (U₁. f.'.,) gewonnen ist.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die an den Ausgängen der Komparatoren (K₁. K.,. . .) entstehenden Signalfolgen (L',. U₁₁. . .) eine Codierung der einzelnen Interpolationsschritte zulassen.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die an den Ausgängen der Komparatoren (K₁, K.,.. .) entstehenden Signalfolgen (i' j. U_n . ..) ein vorzeichenrichtiges Zählen zulassen.