DE19549493B4

DE19549493B4 - Anordnung zur Detektion der Position eines kabellosen Stiftes auf einem Tablett

Info

Publication number: DE19549493B4
Application number: DE19549493A
Authority: DE
Inventors: James A. Saratoga Kriewall; Edwin F. Sunnyvale Johnson; Alan R. Los Gatos Selfridge; John P. Sunnyvale Fairbanks; Verne H. Belmont Wilson; Robert W. Santa Cruz Parry; James D. Union City Cummins
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1994-04-06
Filing date: 1995-03-24
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2015-03-25

Abstract

Es ist eine Anordnung zum Vorsehen einer digitalen Darstellung des Ortes einer Nadel auf einem Tablett beschrieben, bei der eine unbefestigte Nadel Stöße akustischer Wellen in das Tablett einbringen kann und eine Vielzahl von Detektoren auf dem Tablett positioniert ist, wobei jeder der Detektoren die Ankunft eines Stoßes akustischer Wellen detektieren kann, die von der Nadel in das Tblett eingeführt wurden. Die Anordnung umfaßt eine Einrichtung zur Bestimmung der Position der Nadel auf dem Tablett auf der Grundlage der Ankunftszeiten der genannten Stöße an den Detektoren, wobei diese Einrichtung eine Quadrant-Wähl-Logik aufweist, die auf die Ankunft eines Stoßes akustischer Wellen bei einem der Detektoren anspricht, um den Quadranten zu identifizieren, in welchem die Nadel gelegen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Detektion der Position eines kabellosen Stiftes, im folgenden auch Nadel genannt, auf einem Tablett.

Verschiedene Typen von Stift- oder Nadelpositionsdigitalisierern sind bekannt, und sie fallen in zwei große Kategorien. In der ersten Gruppe liegt ein transparentes Digitalisierungstablett über einem Flüssigkristall- oder anderen Anzeigeschirm, das im allgemeinen vom Anzeigeschirm durch einen Luftpolster getrennt ist. In der zweiten Gruppe ist ein opakes Digitalisierungstablett unter der Flüssigkristallanzeige positioniert. Die erste Gruppe verwendet üblicherweise Widerstands-, Kondensator- oder elektrostatische Techniken, um die Position der Nadel zu orten. Die zweite Gruppe setzt normalerweise Infrarot-, elektromagnetische oder akustische Techniken für diesen Zweck ein.

Auf Nadeln basierende Digitalisierer bieten eine attraktive Alternative zu Tastaturen als Einrichtung zur Eingabe von Daten in einen Computer. Sie können leicht tragbar ausgebildet werden, und können von Personen verwendet werden, die nicht gerne an einer Tastatur arbeiten. Außerdem reicht ihre Anwendbarkeit über Computer hinaus zu Anordnungen, wie elektronischen Notizblöcken und Tafeln.

Trotz dieser Vorteile haben Digitalisierer nicht ihr volles Potential entfaltet, da jede der Techniken und Technologien, die zum Fühlen der Position der Nadel verwendet werden, signifikante Nachteile aufweist. Beispielsweise verbrauchen die Widerstands- und elektromagnetischen Ansätze ein Übermaß an Energie. Die elektromagnetischen Ansätze erzeugen starke Funkfrequenz-Interferenzen (RFI) und elektromagnetische Interferenzen (EMI). Die Widerstandsansätze sind für Interferenzen durch externe Signale oder physische Handhabungen der Schirmoberfläche empfindlich. Die elektro statischen und Widerstandsansätze liegen über dem Schirm und beeinträchtigen die Sicht. Schließlich erfordern alle früheren Ansätze eine große Daten- oder Signalverarbeitungsfähigkeit, was zu hohen Herstellungskosten und langsamen Reaktionszeiten führt.

EP 207 527 A2 offenbart ein Koordinateneingabetablett das einen mit einem Kabel versehenen akustischen Stift verwendet, wobei der Stift mit jedem akustischen Impuls, der von dem Stift ausgesendet wird, ein Synchronisationssignal an die Detektionselektronik des Tabletts sendet. Die Synchronisation ermöglicht die direkte Berechnung des Abstandes der Stiftspitze von jedem Detektor, erfordert jedoch eine Kabelverbindung.

EP 584 695 A2 offenbart ein Eingabetablett, welches einen kabellosen Stift verwendet, wobei einer der Tablettsensoren als Referenzsensor verwendet wird. Ein Unterschied in der Verzögerungszeit zwischen dem Sensor und der Oszillationsquelle wird dazu verwendet, die Entfernung zwischen der Oszillationsquelle und jedem anderen Sensor zu messen. Die Verarbeitung relativ komplexer mathematischen Gleichungen ist erforderlich, um den Ort des Stiftes zu bestimmen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Anordnung zur Detektion der Position eines kabellosen Stiftes auf einem Tablett zu schaffen, die bei minimalem Energieverbrauch sehr schnell und hochgenau arbeiten kann, gegenüber störenden Strahlungen unempfindlich ist und relativ kostengünstig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der Anordnung der vorliegenden Erfindung sind eine Vielzahl akustischer Detektoren an Quadranten eines Tabletts positioniert, welches rechteckig gestaltet ist und aus einem festen Material, wie beispielsweise Glas, besteht. Lamb-Wellen werden von der Spitze eines Stiftes in das Tablett eingeführt, indem die Spitze zum Vibrieren gebracht wird, die Spitze dann mit der Oberfläche des Tabletts in Kontakt ge bracht wird und dadurch ein Vibrieren des Bereichs des Tabletts unterhalb der Spitze bewirkt wird. Die Vibrationen können beispielsweise durch das Anlegen einer oszillierenden Spannung an einem piezoelektrischem Kristall erzeugt werden, der mit der Stiftspitze mechanisch verbunden oder daran gebunden ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stift unbefestigt und der piezoelektrische Kristall wird durch einen mit einer Batterie versorgten Kipposzillator getrieben.

Wenn die vibrierende Stiftspitze mit der Oberfläche des Tabletts in Kontakt gebracht wird, strahlen die Lamb-Wellen nach außen durch das Tablett in konzentrischen Kreisen und werden von den rund um den Umfang des Tabletts positionierten Detektoren detektiert. Wenn die Wellenlänge der Wellen (bestimmt durch die Frequenz des vibrierenden Stiftes) in bezug auf die Dicke des Tabletts groß ist, werden nur zwei Moden von Lamb-Wellen erzeugt: symmetrische Wellen und antisymmetrische Wellen, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der symmetrischen Wellen durch das Tablett signifikant höher ist als die Geschwindigkeit der antisymmetrischen Wellen.

Die Ankunftszeiten der Lamb-Wellen an den verschiedenen Detektoren werden durch Berechnung der Position des Stiftes auf dem Tablett verwendet. Dies kann auf zahlreichen verschiedenen Wegen durchgeführt werden, indem sowohl die "schnellen" symmetrischen Wellen als auch die "langsamen" antisymmetrischen Wellen detektiert werden oder indem nur ein Wellentyp detektiert wird.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zur Detektion der antisymmetrischen Wellen ausgebildete Detektoren an den Ecken des rechteckigen Tabletts positioniert. Der Stift erzeugt die antisymmetrischen Wellen in Form getrennter Stöße. Das Tablett ist in Quadranten geteilt und die erste Ankunft des Stoßes an einem Detektor wird verwendet, um den Quadranten zu ermitteln, in dem der Stift positioniert ist. Die Zeit, die ein Stoß benötigt, um an den nächsten beiden Detektoren anzukommen, die an den Ecken des Tabletts an einer der beiden Seiten des ersten Detektors angeordnet sind, wird in zwei getrennten Zählern bestimmt. Jede dieser Zeiten repräsentiert eine Differenz der Ankunftszeiten des Stoßes an zwei der Detektoren, oder die Differenz der Distanzen zwischen dem Stift und den beiden Detektoren. Dieses Distanzdifferential definiert eine Hyperbel mit zwei Detektoren an ihren Brennpunkten. Der erste (zentrale) Detektor und einer der anderen beiden (seitlichen) Detektoren bilden einen Satz von Brennpunkten; der erste Detektor und der andere Detektor bilden einen weiteren Satz von Brennpunkten. Daher definieren die beiden Distanzdifferentiale ein Paar von einander schneidenden Hyperbeln. Ein Mikroprozessor berechnet den Ort des Punktes, wo die beiden Hyperbeln einander schneiden, und dieser definiert den Ort des Stiftes.

Bei der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung haben die akustischen Stöße, welche die Verarbeitungssequenz starten, einen niedrigen Arbeitszyklus. Dies minimiert die Energie, die zum Betrieb der Anordnung erforderlich ist, und maximiert seine Effizienz. Dies ermöglicht auch, daß die gesamte Verarbeitung auf einer Stoß-Stoß-Basis vollendet wird, und ermöglicht es der Anordnung, mit raschen Handschriftzügen mitzuhalten. Da nur die relativen Ankunftszeiten des Stoßes an den Detektorpaaren zur Bestimmung der Position der Stift verwendet wird, ist es nicht notwendig, die Zeit zu kennen, zu welcher der Stoß an dem Stift ausgegangen ist. Dies bedeutet, daß der Stift unbefestigt sein kann, die Auflösung dieser Zeitdifferenzen wird nur durch die Taktraten begrenzt, bei der die Zähler und der Stoßdetektorschaltungsaufbau getrieben werden, und daher ist eine hohe Genauigkeit möglich. Alternativ dazu kann eine gewisse Genauigkeit für reduzierte Taktraten abge tauscht werden, was seinerseits die Signalverarbeitung vereinfacht und den Energieverbrauch der Anordnung reduziert. Da die akustischen Wellen in das Tablett injiziert werden und darin gehalten werden, ist die Erzeugung von RFI und EMI eingeschränkt. Die Anordnung ist auch äußerst unempfindlich gegen die Effekte externer Signale und physischer Handhabung. Da keine Fühlelemente über der gesamten Länge und der Breite des Tabletts in einem Array vorgesehen sind, können der Detektionsschaltungsaufbau und die Logiksysteme einfach ausgeführt werden, um einen weiten Bereich von Tablettgrößen aufzunehmen. Daher können verschiedenste Produkte mit minimalen Anforderungen hinsichtlich Entwicklungszeiten, Werkzeugen und Lagerung hergestellt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A veranschaulicht in übertriebener Form die Bewegung von Teilchen in einem unbegrenzten Feststoff bei Vorliegen einer akustischen Druckwelle.
1B veranschaulicht in übertriebener Form die Bewegung von Teilchen in einem unbegrenzten Feststoff bei Vorliegen einer akustischen Schubwelle.
2A veranschaulicht in übertriebener Form das Verhalten einer symmetrischen Lamb-Welle in einer festen Platte (Tablett).
2B veranschaulicht in übertriebener Form das Verhalten einer antisymmetrischen Lamb-Welle in einer festen Platte (Tablett).
3A veranschaulicht eine vertikale Verschiebung entlang der Oberfläche einer Platte (Tablett) bei Vorliegen der symmetrischen Lamb-Welle niedrigster Ordnung.
3B veranschaulicht eine radiale Verschiebung entlang der Oberfläche einer Platte (Tablett) bei Vorliegen der symmetrischen Lamb-Welle niedrigster Ordnung.
4A veranschaulicht eine vertikale Verschiebung entlang der Oberfläche einer Platte (Tablett) bei Vorliegen der antisymmetrischen Lamb-Welle niedrigster Ordnung.
4B veranschaulicht eine radiale Verschiebung entlang der Oberfläche einer Platte bei Vorliegen der antisymmetrischen Lamb-Welle niedrigster Ordnung.
5 veranschaulicht ein allgemeines Blockbild eines Digitalisierers gemäß der Erfindung.
6 veranschaulicht ein Blockbild einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung.
7A veranschaulicht eine Draufsicht der Platte.
7B veranschaulicht eine Schnittansicht der Platte.
8 veranschaulicht eine Schnittansicht durch die zentrale Achse der Nadel.
9A veranschaulicht ein schematisches Blockbild der elektrischen Schaltung in der Nadel.
9B veranschaulicht in vereinfachter Form die von der Nadel erzeugten, akustischen Wellen.
10A veranschaulicht eine Schnittansicht der Detektoren.
10B veranschaulicht eine Draufsicht einer Ecke der Platte, die einen Detektor aufweist.
10C veranschaulicht eine Draufsicht einer alternativen Konfiguration einer Ecke der Platte.
11 veranschaulicht eine vertikale Schnittansicht des Dämpfungsmaterials.
12 veranschaulicht ein Blockbild der Stoßdetektionseinheit.
13A und 13B veranschaulichen ein Schaltbild der Stoßdetektionseinheit.
14A bis 14G veranschaulichen Wellenformen an verschiedenen Punkten in der Stoßdetektionseinheit.
15 veranschaulicht eine Darstellung der Detektorverriegelungseinheit.
16 veranschaulicht ein Blockbild der Quadrantendetektions- und Wortgeneratoreinheit.
17A veranschaulicht eine Darstellung der Quadrantenauswahl-Logik.
17B veranschaulicht eine Darstellung einer Ausführungsform der Zählerfreigabe-Logik.
17C veranschaulicht eine Darstellung einer verbesserten Ausführungsform der Zählerfreigabe-Logik.
17D veranschaulicht eine Darstellung der Zyklusende-Logik.
17E veranschaulicht eine Darstellung der Zeitablauf-Logik.
17F veranschaulicht eine Darstellung der Rücksetz/Initialisierungs-Logik.
18A veranschaulicht eine Darstellung der Puffer- und Verriegelungseinheit.
18B veranschaulicht zwei Hyperbelscharen, die durch die Werte in den Zählern definiert werden.
19 veranschaulicht ein Blockbild der Zentraleinheit und Nachschlagtabelle.
20A bis 20E veranschaulichen ein Flußdiagramm des Programms für den Mikroprozessor.
21 veranschaulicht schematisch die im x- und y-Zähler gespeicherten Worte.
22 veranschaulicht den Interpolationsprozeß unter Verwendung der beiden niedrigstwertigen Ziffern der im x- und y-Zähler gespeicherten Worte.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Digitalisierer dieser Erfindung arbeitet durch die Detektion und den Vergleich der Ankunftszeiten akustischer Wellen, die von einer Nadelpunktquelle an rund um den Umfang einer festen Platte positionierten Detektoren übertragen werden. Zuerst wird ein kurzer Überblick über die zugrundeliegenden akustischen und mathematischen Prinzipien gegeben, und dann werden die verschiedenen Komponenten und Subsysteme der bevorzugten Ausführungsform beschrieben.
Eigenschaften von Lamb-Wellen
Zwei Typen von akustischen oder Spannungswellen können in einem unbegrenzten isotropen Feststoff vorliegen. Einer ist wie die akustische Welle in einem Gas und wird häufig als Druck- oder longitudinale Welle bezeichnet. Hier bewegen sich die Teilchen des Feststoffs in derselben Richtung, in der sich die Welle bewegt (Ausbreitungsrichtung), vor und zurück, wie in übertriebener Form in 1A veranschaulicht. Der andere Typ wird häufig als Schubwelle bezeichnet. Hier bewegen sich die Teilchen des Feststoffs in einer Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung, wie in übertriebener Form in 1B veranschaulicht. Von den beiden Typen hat die Druckwelle die schnellste Ausbreitungsgeschwindigkeit.
Die Beschaffenheit akustischer Wellen in einer isotropen Platte (d.h. einem an zwei Seiten begrenzten Feststoff) ist viel komplexer. Allgemein ausgedrückt unterscheiden sich die Charakteristiken dieser Wellenformen mit der Änderung der Beziehung zwischen ihrer Wellenlänge und der Dicke der Platte; oder, anders ausgedrückt, herrschen verschiedene "Moden" mit der Änderung dieser Beziehung vor. In Zonen, wo die Wellenlänge im Vergleich mit der Breite der Platte groß ist, fand Lamb, daß es zwei Typen von Ausbreitungsmoden gibt, von denen jeder eine komplexe Mischung von Druck- und Schubwellen ist. Die beiden Moden werden als symmetrische und antisymmetrische Moden bezeichnet, und sie sind gekennzeichnet durch die Bewegung der einander gegenüberliegenden Oberflächen der Platte in bezug auf ihre Mittenlinie.
2A und 2B veranschaulichen die symmetrische bzw. antisymmetrische Mode in übertriebener Form. In der symmetrischen Mode (2A) bewegen sich die einander direkt an den beiden Oberflächen der Platte gegenüberliegenden Teilchen voneinander weg oder aufeinander zu, während die Welle vorbeigeht (d.h. die Teilchenbewegungen sind relativ zur Mittenlinie der Platte symmetrisch). In der antisymmetrischen Mode (2B) bewegen sich die Teilchen an den beiden einander direkt gegenüberliegenden Oberflächen sowohl gemeinsam aufwärts oder gemeinsam abwärts, während die Welle vorbeigeht (d.h. die Teilchen bewegen sich in entgegengesetzten Richtungen relativ zur Mittenlinie der Platte).
Gemäß der Theorie von Lamb breiten sich die symmetrischen und antisymmetrischen Moden niedrigster Ordnung bei allen Erregungsfrequenzen aus. Wenn die Erregungsfrequenz erhöht wird, beginnen sich zusätzliche Moden auszubreiten.
Wenn die Wellenlänge wesentlich größer ist als die Dicke der Platte (z.B. ein Verhältnis von 2:1 oder mehr), breiten sich nur die symmetrischen und antisymmetrischen Moden niedrigster Ordnung aus. In diesem Schema hat die symmetrische Mode einen hauptsächlich longitudinalen Charakter; ihre Schubbewegung ist sehr schwach. Außerdem ist ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit nur geringfügig kleiner als jene einer longitudinalen Welle in einem unbegrenzten Feststoff, und sie ist nahezu frei von einer Frequenzdispersion. Im Gegensatz dazu ist die antisymmetrische Mode niedrigster Ordnung sowohl reich an longitudinalen als auch Schubwellentypen. Sie breitet sich bei einer viel langsameren Rate aus als die symmetrische Mode und ist ziemlich frequenzdispersiv. Die Frequenzdispersion bezieht sich auf die Tendenz der Wellen in einem kurzen Stoß oder Impuls dazu, sich auszubreiten, während sie durch die Platte wandern, wodurch es zu Ungenauigkeiten bei der Detektion des Wellenstoßes kommt.
Wenn die Erregungsfrequenz erhöht wird, nimmt der Schubcharakter der symmetrischen Mode an Stärke zu. Folglich sinkt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der symmetrischen Mode, und sie wird frequenzdispersiver. Allgemein ausgedrückt werden mit zunehmender Frequenz die symmetrische und antisymmetrische Mode einander ähnlicher.
Bei viel höheren Frequenzen, für welche die Wellenlängen der symmetrischen und antisymmetrischen Mode klein sind verglichen mit der Plattendicke, haben beide Moden denselben longitudinalen und Schubcharakter, und beide breiten sich bei der gleichen Geschwindigkeit aus. Außerdem sind sie relativ frei von einer Frequenzdispersion. In diesem Schema ist es besser, die Wellenformen in der Platte als Rayleigh-Wellen anstatt als Lamb-Wellen zu sehen. Es gibt keine klare Grenze, ab der die Theorie von Rayleigh zweckmäßiger wird, diese liegt jedoch wahrscheinlich in der Nähe von 10 MHz bei Universalglas. Rayleigh-Wellen haben insofern einen Nachteil, als sie, da sie sich näher an der Oberfläche ausbreiten, viel mehr durch einen unweigerlichen Kontakt mit der Plattenoberfläche (beispielsweise durch eine menschliche Hand) beeinträchtigt werden als Lamb-Wellen.
Symmetrische (S_o) und antisymmetrische (A_o) Wellen unterscheiden sich voneinander sowohl in der Geschwindigkeit, bei der sie sich durch die Platte ausbreiten, als auch in der Weise, in der sie von Fühlanordnungen detektiert werden können. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von S_o-Wellen (c_p) ist größer als die Ausbreitungsgeschwindigkeit von A_o-Wellen (c_s). Für eine Mondglasplatte mit einer Dicke von 0,026 Zoll betragen die Werte von c_p und c_s ungefähr 5430 m/s bzw. 3310 m/s bei einer Erregungsfrequenz von 1 MHz.
3 und 4 veranschaulichen die Verschiebung der Oberfläche einer Platte bei Vorliegen der S_o- bzw. A_o-Mode zu einem gegebenen Moment. Die Erregungsquelle ist ein kreisförmiger Kolben, der an einer Fläche der Platte montiert ist. In 3A und 4A repräsentiert die vertikale Achse eine Verschiebung normal zur Oberfläche des Glases (z-Richtung), und in 3B und 4B repräsentiert die vertikale Achse eine Verschiebung parallel zur Oberfläche des Glases (r-Richtung). Wie aus 4A und 4B hervorgeht, zeigt die A_o-Welle eine erhebliche Verschiebung sowohl in der z- als auch r-Richtung, wobei die Wellenformen ungefähr 90° phasenverschoben sind. Im Gegensatz dazu zeigt die S_o-Welle eine geringe Verschiebung in der z-Richtung (3A) und eine mäßige Verschiebung in der r-Richtung (3B). Daher sind allgemein die A_o-Wellen erheblich leichter zu detektieren, und die S_o-Wellen können nur von Sensoren detektiert werden, die eine Bewegung in der r-Richtung detektieren können.
Weitere Informationen über die Theorie von Lamb-Wellen sind in Stress Waves in Solids, H. Kolsky, Dover (1963), und Acoustic Fields and Waves in Solids, B.A. Auld, Bd. I und II, R.E. Krieger (1990), zu finden.
Um diese Diskussion zusammenzufassen, gibt es drei Charakteristiken der Wellen, die bei der Ausbildung eines Digitalisierers gemäß dieser Erfindung besonders signifikant sind:

1. Die Geschwindigkeit, bei der sich die Wellen durch die Platte ausbreiten. Insbesondere wenn zwei verschiedene Wellentypen (z.B. die symmetrische und antisymmetrische Mode) verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten aufweisen, kann die tatsächliche Distanz zwischen der Nadel und dem Detektor bestimmt werden.
2. Die einfache Detektion der Wellen. Wie oben angegeben, ist allgemein gesprochen die antisymmetrische Mode leichter zu detektieren.
3. Die Frequenzdispersion der Wellen. Wie die nachstehende Diskussion zeigt, involviert die Ausbildung eines Digitalisierers gemäß dieser Erfindung üblicherweise einen Austausch unter diesen Faktoren.

Gesamtsystem
5 veranschaulicht ein allgemeines Blockbild eines erfindungsgemäßen Digitalisierers. Eine Nadel 50 hat eine vibrierende Spitze, die mit einer festen Platte in Kontakt gebracht wird. Die Kontaktzone zwischen der Nadelspitze und der Platte dient als Quelle für akustische Wellen, die in konzentrischen Kreisen nach außen strahlen. Eine Vielzahl von Detektoren D₁ bis D_n ist an verschiedenen Orten rund um den Umfang der Platte positioniert und detektiert die Ankunft der akustischen Wellen von der Nadel 50. Ein oder mehrere Wellentypen können detektiert werden. Signalverarbeitungseinheiten S₁ bis S_n sind den Detektoren D₁ bis D_n zugeordnet und liefern Ausgänge zu entsprechenden Ankunftszeiten für die von den Detektoren gefühlten Wellenformen. Eine Logikeinheit L verwendet die gefühlten Unterschiede der Ankunftszeiten der Wellenformen, um die Position der Nadel 50 auf der Platte zu berechnen, und liefert einen Ausgang, der die Koordinaten der Nadel repräsentiert. Jedes Koordinatensystem, z.B. rechtwinkelig oder polar, kann in verschiedenen Ausführungsformen gemäß der Erfindung verwendet werden.
Ein Blockbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in 6 veranschaulicht. Von einer Nadel 60 erzeugte, akustische Wellen werden von vier Detektoren 1 bis 4 detektiert, die an den Ecken einer rechteckigen Platte 61 (in 7A gezeigt) positioniert sind. Die Ausgänge der Detektoren 1 bis 4 werden Stoßdetektionseinheiten 62A bis 62D zugeführt, welche die von den Detektoren 1 bis 4 erzeugten, rohen Spannungssignale verstärken und verarbeiten. Die Stoßdetektionseinheiten 62A bis 62D liefern Ausgänge durch eine Detektorverriegelungseinheit 63 an eine Quadrantendetektions- und Wortgeneratoreinheit 64. Die Einheit 64 identifiziert den Quadranten der Platte, in dem die Nadel angeordnet ist, und erzeugt unter Verwendung eines Zählerpaares Binärworte, welche die Unterschiede der Ankunftszeiten der akustischen Welle an den einzelnen Detektoren 1 bis 4 repräsentieren. Eine Zentraleinheit (CPU) 65 verarbeitet diese Information und bestimmt unter Verwendung der Nachschlagtabelle 66 die Position der Nadel 60 auf der Platte. Diese Information wird durch einen universellen asynchronen Empfänger-Sender (UART)-Treiber 67 und dann zu einem Computer (nicht gezeigt) geführt.
7A veranschaulicht die allgemeine Ausbildung der Platte 61, die rechteckig ist, und eine Breite W und eine Höhe H aufweist. Detektoren 1 bis 4 sind an den vier Ecken der Platte 61 in einer Anordnung eines reflektierten Binärcodes oder "Gray-Codes" positioniert (d.h. der Detektor 1 ist an der rechten oberen Ecke der Platte 61, und die Detektoren 3, 2 und 4 sind im Uhrzeigersinn an den anderen Ecken der Platte 61 positioniert); siehe J. Peatman, Design With Microcontrollers, McGraw-Hill, 1988, S. 393. Der Grund für diese Anordnung wird nachstehend erläutert. Die Platte 61 ist in vier Quadranten I bis IV geteilt, die jeweils den Detektoren 1 bis 4 entsprechen, und die einen zentralen Ursprungspunkt (0,0) umgeben. Eine erläuternde Position der Nadel 60 ist gezeigt, wobei die Vektoren, r₁, r₂, r₃ und r₄ jeweils die Distanz vom Ort der Nadel 60 zu den Detektoren 1 bis 4 definieren. Wenn nichts anderes angegeben ist, wird diese Nomenklatur zur Definition des Ortes der Nadel 60 verwendet (d.h. r₁ repräsentiert die Distanz von der Nadel 60 zum Detektor 1, etc.).
Die Platte 61 ist Flüssigkristallanzeige (LCD)-Glas und 0,026 Zoll dick. Die Breite (W) der Platte 61 beträgt 7,9 Zoll, und ihre Höhe (H) beträgt 3,9 Zoll. Die Werte c_p und c_s für diesen Glastyp sind 5340 m/s bzw. 3310 m/s. Da, wie nachstehend festgestellt, die Nadel 60 bei 1 MHz vibriert, betragen die Wellenlängen für die S_o- und A_o-Wellen 5,43 × 10^–3 m bzw. 3,31 × 10^–3 m. Um Ungenauigkeiten zu vermeiden, die nahe den Kanten der Platte 61 auftreten können, ist ein "aktiver" Bereich für die Nadeloperation in einer zentralen Zone der Platte definiert.
7A veranschaulicht auch, daß die Ecken der Platte 61 abgeschrägt sind. Ein Dämpfungsmaterial 71 ist entlang dem Umfang der Platte 61 außer den abgeschrägten Teilen vorgesehen.
7B veranschaulicht eine Schnittansicht der Platte 61. Unter der Platte 61 ist eine zweite Platte 72 aus LCD-Glas, in der Grafiken unter Verwendung bekannter Technologie erzeugt werden. Die Platten 61 und 72 sind durch einen Luftspalt 73 getrennt. Ein Blendschutzmaterial kann auf die Oberseite der LCD-Glasplatte 72 aufgebracht werden.
Nadel
8 veranschaulicht eine Schnittansicht entlang der zentralen Achse der Nadel 60. Die Nadel 60 enthält einen Phenol-Kunststoffgriff 81, der von einem Erdschild 82 eingeschlossen ist, das eine metallische Farbe ist. Ein piezoelektrischer (Keramik-) Kristall 83, der eine zylindrische Form aufweist, ist an den Griff 81 gebondet und vom Erdschild 82 durch eine Isolierschicht 84 getrennt. Eine sphärische oder sphäroide Nadelspitze 85 ist an das untere Ende des piezoelektrischen Kristalls 83 gebondet. Die Oberfläche der Spitze 85 ist sphärisch oder sphäroid, um sicherzustellen, daß akustische Wellen richtig in die Platte 61 eingeführt werden, wenn die Nadel 60 unter einem schiefen Winkel in bezug auf die Oberfläche der Platte 61 gehalten wird. Außerdem konzentriert eine sphäroide Spitze die auf die Nadel ausgeübte Kontaktkraft auf einen kleinen Bereich. Dies führt zu einem hohen Kontaktdruck über einen kleinen Bereich, was zur Herstellung eines guten akustischen Kontakts (häufig als Hertz-Kontakt bezeichnet) beiträgt. Ein "heißer" Draht 86 kommt mit dem oberen Rand des Kristalls 83 in Kontakt. Der untere Rand des Kristalls 83 ist mit dem Schild 82 verbunden und geerdet.
9A veranschaulicht ein schematisches Blockbild des elektrischen Schaltungsaufbaus in der Nadel 60. Der piezoelektrische Kristall 83 hat einen elektrischen Kontakt 90 an einem Ende und einen elektrischen Kontakt 91, der das andere Ende des Kristalls 83 einschließt. Die Kontakte 90 und 91 sind mit einer abgestimmten Schaltung 92 (z.B. einer RCL-Schaltung) verbunden, die von einem Kipposzillator 93 getrieben wird. Eine Batterie 94 versorgt die Schaltung mit Energie. In dieser Ausführungsform oszilliert die abgestimmte Schaltung bei 1 MHz. Die Batterie 94 lädt den Kipposzillator 93, bis er einen eingestellten Punkt erreicht, wenn sie der abgestimmten Schaltung 92 Energie zuführt. Der Kipposzillator 93 ist derart eingestellt, daß er bei 125 Hz oszilliert. Jedesmal, wenn die abgestimmte Schaltung 92 mit Energie versorgt wird, oszilliert sie durch etwa 2 Zyklen bei 1 MHz, oder während 2 μs. Die Frequenz der abgestimmten Schaltung 93 kann variiert werden, in dieser Ausführungsform liegt sie jedoch vorzugsweise im Bereich von 500 kHz bis 2 MHz. Der obere Wert variiert invers mit der Dicke der Platte 61 und kann erhöht werden, wenn höhermodige Lamb-Wellen verwendet werden.
9B veranschaulicht in vereinfachter Form die Wellenform, die an der abgestimmten Schaltung 92 und am piezoelektrischen Kristall 83 auftritt. (9B ist nicht maßstabgetreu). Jeder Stoß des oszillierenden Signals dauert etwa 2 μs, und die Stöße sind durch 8 ms voneinander ge trennt. Daher beträgt der "Arbeitszyklus" dieser Wellenform nur etwa 0,025 %, und dieses Merkmal hält die Belastung für die Batterie 94 auf einem Minimum.
Verschiedene Schaltungen, die für den Kipposzillator 93 und die abgestimmte Schaltung 92 verwendet werden könnten, sind bekannt und werden hier nicht beschrieben.
Detektoren
Die Struktur und Ausrichtung der Detektoren 1 bis 4 werden dadurch bestimmt, ob die S_o- und A_o-Wellen zu detektieren sind. In dieser Ausführungsform wird die A_o- oder "langsamen Wellen" detektiert. Wie in 3 und 4 gezeigt, erzeugen die A_o-Wellen eine viel größere Bewegung normal zur Oberfläche einer Platte als S_o-Wellen. Um diesen Unterschied auszunützen, sind die Detektoren 1 bis 4 an der Oberseite der Platte 61 montiert und eingerichtet, um Vibrationen rechtwinkelig zur Oberfläche zu detektieren.
10A veranschaulicht eine Schnittansicht des Detektors 1 (dessen Struktur identisch ist mit jener der Detektoren 2 bis 4). Über der Oberfläche des Detektors 1 liegt ein Erdschild 101, das mit einer elastomeren Verstärkung 102 gefüllt ist. Das Erdschild 101 kann eine etwa 2000 Å dicke Cr/Au-Schicht sein, und die Verstärkung 102 kann vorteilhaft aus Emerson Cummings ECOGEL 1265, gemischt mit 1 μm Wolframpulver, bestehen. Die A_o-Wellen in der Glasplatte 70 werden durch einen piezoelektrischen Keramikkristall 103 gefühlt, der in dieser Ausführungsform die Form eines Zylinders mit einem Durchmesser von 0,032 Zoll und einer Dicke von 0,003 Zoll aufweist. Diese Dicke macht den Kristall 103 bei etwa 30 MHz resonant, da er jedoch mit der elastomeren Verstärkung 102 verstärkt ist, die ein akustisch schweres Material darstellt, liefert der Kristall 103 ein adäquates Signal bei 1 MHz mit einer hohen elektrischen Impedanz. Wie oben festgestellt, ist er hauptsächlich für Vibrationen normal zur Glasoberfläche 61 empfindlich, und diese sind primär auf die A_o-Ausbreitungsmode zurückzuführen. Um die Empfindlichkeit des Kristalls 103 für diese Vibrationen zu maximieren, ist er in der vertikalen Richtung gepolt.
Ein Draht 104 ist mit einem Kontakt 105 verbunden, der an die Oberseite des Kristalls 103 metallisiert ist; und ein Draht 106 ist mit der Metallisierung zwischen dem Kristall 103 und der Glasplatte 61 verbunden, die typischerweise sowohl als Erde als auch als Schildelektrode verwendet wird. Die Drähte 104 und 106 führen in ein Koaxialkabel 108, das vom Detektor 1 ausgeht. Kontakte können entweder mit Keramik- oder Glasmetallisierungen mittels Silberepoxy oder einer Lötverbindung erfolgen.
10B veranschaulicht eine detaillierte Draufsicht des Kristalls 103 an einer abgeschrägten Ecke der Platte 61. Dämpfungsmaterial 71 verläuft entlang den Kanten der Platte 61 zu den Enden der abgeschrägten Ecke. 10C veranschaulicht eine alternative Anordnung für die Plazierung des Detektors an der Ecke der Platte. Die Ecke der Platte 61A ist nicht abgeschrägt, und Dämpfungsmaterial 71A verläuft hinter dem Detektor 103, der unmittelbar vor dem Dämpfungsmaterial 71A plaziert ist. Während in 10A bis 10C der Kristall 103 an der Oberseite der Platte 61 montiert gezeigt ist, könnten die A_o-Wellen (siehe 2B) auch detektiert werden, wenn der Kristall 103 an der Unterseite der Platte 61 montiert ist.
Wenn die Detektoren 1 bis 4 die durch die Nadel 60 erzeugten Stöße akustischer Wellen empfangen, erzeugen sie ihrerseits Spannungssignale an den Drähten 104 und 106, welche die durch die Platte 61 gehenden Lamb-Wellen nahezu genau widerspiegeln. Daher sind die elektrischen Signale, die an den Drähten 104 und 106 auftreten, den in 9B veranschaulichten akustischen Wellen ähnlich.
Dämpfung
Wenn die akustischen Wellen die Kanten der Platte 61 erreichen, ist es wichtig, daß sie nicht in die Platte zurückreflektiert werden, wo sie Störreaktionen an den Detektoren 1 bis 4 verursachen würden. Um dieses Problem zu vermeiden, ist das Dämpfungsmaterial 71 entlang den Kanten der Platte 61 angebracht, wie in 7 und 10B gezeigt. 11 veranschaulicht eine vertikale Schnittansicht des Dämpfungsmaterials 71. Wie angegeben, hat das Dämpfungsmaterial 71 einen rechteckigen Querschnitt, und weist in der bevorzugten Ausführungsform eine Höhe von 3 Zoll und eine Breite von 7 Zoll auf. Das Dämpfungsmaterial 71 besteht vorzugsweise aus ECOGEL 1265, gefüllt mit 1 μm Wolframpulver. Es ist mit reinem ECOGEL 1265 an die Platte 61 gebondet.
Stoßdetektionseinheiten
Wenn sich die Nadel 60 die Oberfläche der Platte 61 entlang bewegt, variiert die Stärke (Amplitude) der von den Detektoren 1 bis 4 empfangenen, akustischen Wellen in Abhängigkeit von ihrer Nähe zur Nadel. Die rohen elektrischen Signals ("Spannungsstöße"), die von den Detektoren 1 bis 4 erzeugt werden, reflektieren auch diese Variationen. Um die Ankunftszeiten der akustischen Wellenstöße genau zu lesen und zu vergleichen, muß eine Einrichtung zum Fühlen desselben Teils jedes entsprechenden Spannungsstoßes, der von den Detektoren 1 bis 4 erzeugt wird, vorgesehen werden.
Der genaueste Weg zur Durchführung der Stoßdetektionsfunktion wäre, die ersten Anzeichen der sich bewegenden akustischen Wellen zu detektieren. Dies ist jedoch aufgrund der Beschaffenheit der Wellenformen praktisch unmöglich. Da die A_o-Welle nach der S_o-Welle ankommt, und da die Detektoren nicht alle S_o-Wellenformen zurücksenden, repräsentiert der Teil der S_o-Wellen, der im Detektorausgang auftritt, ein Rauschen, das durch den Stoßdetektionsschaltungsaufbau unterdrückt werden muß. Das zu detektierende Signal kommt von einer piezoakustischen Anordnung, die eine akustische Welle mit einer mechanischen Störung innerhalb der Piezo-Anordnung erzeugt. Die Störung benötigt eine Zeit, um von Null auf einen Maximalwert zu gehen. Daher muß eine Schwelle gewählt werden, oberhalb welcher angenommen wird, daß das Signal vorliegt, und unterhalb welcher angenommen wird, daß die elektrischen Störungen eine Art Rauschen sind, das unterdrückt werden muß. Die Wahl einer Schwelle verursacht bestimmte Probleme, da die Amplitude der Wellenform um zumindest eine Größenordnung über den Bereich der Platte variieren kann, und umso mehr, wenn Variationen des Drucks berücksichtigt werden, mit dem verschiedene Benutzer die Nadel 60 an die Platte anlegen. Außerdem wird auch mit einem Dämpfungsmaterial an der Kante der Platte ein geringer Betrag der Wellen reflektiert, und dies ist eine zusätzliche Rauschquelle.
Empirische Tests zeigen, daß die Detektion des Maximalwerts jedes Stoßes eine genaue Messung in der Zeit plus oder minus einen oder zwei Zyklen ergibt. Die Detektion eines Punkts in einer gewissen Distanz unter dem Maximum reduziert diese Ungenauigkeit proportional und dient auch zur Ausnormalisierung von Variationen in den Maximalsignalwerten. Wenn der Stoßdetektionsschaltungsaufbau zwischen Zyklen interpolieren kann, kann außerdem die relative Ungenauigkeit von einem Punkt zum anderen signifikant verbessert werden, auch wenn die absolute Ungenauigkeit nicht verändert wird. Aus diesen Gründen wurde beschlossen, jeden Stoß bei einem konstanten Prozentsatz des Maximalwerts des vorhergehenden Stoßes zu detektieren. Der verwendete Prozentsatz betrug ungefähr 50 %.
Diese Funktion wird von den Stoßdetektionseinheiten 62A bis 62D vorgenommen. Im wesentlichen arbeiten diese Einhei ten, indem sie ermöglichen, daß jeder Spannungsstoß ein "Maximum" festlegt, und indem sie den nächsten Spannungsstoß bei einem festgelegten Prozentsatz unter diesem Maximum fühlen. Die Operation der Stoßdetektionseinheiten 62A bis 62D basiert auf der Annahme, daß die Position der Nadel 60 und daher die Amplitude der akustischen Wellen sich von Stoß zu Stoß nicht signifikant ändert, und daß ein durch einen gegebenen Stoß festgelegtes Maximum für den nächsten Stoß im wesentlichen gültig bleibt.
12 veranschaulicht ein Blockbild der Stoßdetektionseinheiten 62A bis 62D. Der Ausgang aus einem der Detektoren 1 bis 4 wird zum Eingang eines Verstärkers 120 geführt. Das verstärkte Signal geht dann durch einen Doppelweggleichrichter 121 und eine Maximum-Halte-Schaltung 122. Der Ausgang der Maximum-Halte-Schaltung 122 wird in zwei Wege geteilt. Ein Weg geht durch ein Tiefpaßfilter 124 zum negativen Eingang eines Komparators 125. Der andere Weg geht durch eine Abtast-Halte-Skalier-Schaltung 123, die das Maximum des Signals detektiert, hält und skaliert, bevor es an den positiven Eingang des Komparators 125 angelegt wird. Der Ausgang des Komparators 125 wird durch einen Inverter 126 geführt.
13A und 13B veranschaulichen ein Schaltbild für die Stoßdetektionsschaltungen 62A bis 62D. Der Verstärker 120 enthält zwei nebengeschlossene Rückkopplungsverstärker 120A und 120B sowie einen Differentialverstärker 120C. Die Verstärker 120A und 120B sind identisch und enthaltenen Transistoren 130A, 131A und 132A bzw. Transistoren 130B, 131B und 132B. Der Verstärker 120B könnte zur Verarbeitung des Ausgangs eines zweiten Detektors verwendet werden, der unter der Platte 61 positioniert ist. In dieser Ausführungsform gibt es jedoch keinen derartigen Detektor, und der Verstärker 120B arbeitet als Spannungsteiler, der eine ausgegliche ne, temperaturstabile GS-Spannung dem Differentialverstärker 120C zuführt. Der Differentialverstärker 120C enthält Transistoren 133 und 134. Vortransistoren 133A und 133B arbeiten als Stromquelle für die Transistoren 133 und 134. Der Verstärker 120C hat eine hohe Verstärkung und kann Signale von den Verstärkern 120A und 120B kombinieren (wenn beide mit Detektoren verbunden sind), oder das Signal vom Verstärker 120A allein verstärken. Das Eingangssignal in den Differentialverstärker 120C, egal ob von einem oder zwei Eingängen, wird durch die Transistoren 133 und 134 in zwei Signale geteilt, die 180° phasenverschoben sind. In dieser Ausführungsform bleibt der Eingang in die Basis des Transistors 134 konstant, und bewegt sich nur wie es für die Kompensation von Temperaturänderungen notwendig ist. Da die Verstärker 120A und 120B WS-gekoppelt sind und eine identische Ausbildung aufweisen, tendieren mit einer Temperaturveränderung die Variationen an den Basis-Emitter-Übergangsspannungen dazu, einander zu verfolgen, so daß die GS-Spannungen für die Transistoren 133 und 134 gleich sind.
Der Doppelweggleichrichter 121 enthält Transistoren 135 und 136 sowie einen Vortransistor 136A, der zur Temperaturkompensation verwendet wird. Der Ausgang des Doppelweggleichrichters 121 lädt die Maximum-Halte-Schaltung 122, die einen Kondensator 139 enthält. Der Kondensator 139 fällt bei einer Rate ab, die hauptsächlich durch die Werte des Kondensators 139 und eines Widerstands 139A bestimmt wird. Der Ausgang der Maximum-Halte-Schaltung 122 wird durch ein Tiefpaßfilter 124 (13B), das einen Widerstand 140 und einen Kondensator 140A enthält, zum negativen Eingang des Komparators 125 gerichtet. Die Abtast-Halte-Skalier-Schaltung 123 enthält einen Kondensator 141, der das Maximum des Signals von der Maximum-Halte-Schaltung 122 detektiert, und sich durch einen Widerstand 142 zur Erde entlädt. Es sind auch eine Schottky-Diode 146 und Operationsverstärker 147 und 148 enthalten. Die Spannung quer über den Kondensator 141 wird durch den Operationsverstärker 148, der als Folger arbeitet, zur Kombination der Widerstände 143 und 144, die einen Skalierungsfaktor vorsehen, geführt. Der Ausgang der Abtast-Halte-Skalier-Schaltung 123 wird zum positiven Eingang des Komparators 125 gerichtet.
Die Werte des Kondensators 139 und Widerstands 139A (in der Maximum-Halte-Schaltung 122) sowie des Kondensators 141 und Widerstands 142 (in der Abtast-Halte-Skalier-Schaltung 123) werden in bezug aufeinander auf derartige Werte gesetzt, daß der Ausgang der Maximum-Halte-Schaltung 122 rascher abfällt als der Ausgang der Abtast-Halte-Skalier-Schaltung 123. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Werte wie folgt gesetzt: Kondensator 139: 0,001 F; Widerstand 140: 15 KΩ; Kondensator 141: 0,1 F; Widerstand 142: 680 KΩ.
14A bis 14G veranschaulichen eine Ansicht eines Stoßes, während er sich durch diesen Schaltungsaufbau ausbreitet. Jede der 14A bis 14G repräsentiert die Wellenform an der in 12 angegebenen Position. Daher repräsentiert 14A die Wellenform am Eingang des Verstärkers 120; 14B repräsentiert die Wellenform am Ausgang des Doppelweggleichrichters 121; 14C repräsentiert die Wellenform am Ausgang der Maximum-Halte-Schaltung 122; 14D repräsentiert die Wellenform am Ausgang des Tiefpaßfilters 124; 14E repräsentiert die Wellenform am Ausgang der Abtast-Halte-Skalier-Schaltung 123; 14F repräsentiert die Wellenform am Ausgang des Komparators 125; und 14G repräsentiert die Wellenform am Ausgang des Inverters 126.
Der Ausgang aus einem der Detektoren 1 bis 4 (14A) wird durch den Verstärker 120 verstärkt und in den Doppelweggleichrichter 121 geführt. Der Ausgang des Doppelweg gleichrichters 121 (14B) wird in die Maximum-Halte-Schaltung 122 geführt, die den gleichgerichteten Ausgang in eine Wellenform vom Treppenstufen-Typ umwandelt (14C). Das Tiefpaßfilter 124 wandelt die Treppenstufen in eine Rampe um (14D), die sich der zeitverzögerten Hüllkurve der gleichgerichteten Maximalamplitude nähert. Diese durch das Tiefpaßfilter 124 eingeführte Zeitverzögerung repräsentiert einen absoluten Fehler, jedoch keinen relativen Fehler, da die Verzögerung von Stoß zu Stoß ungefähr gleich bleibt. Der Auslösungspunkt wird erreicht, wenn der Ausgang des Tiefpaßfilters 124 (14D) den skalierten Maximalwert vom vorherigen Zyklus erreicht, der von der Abtast-Halte-Skalier-Schaltung 123 gehalten wird. Wie in 14E angegeben, ist die Spannungsabfallrate der Maximum-Halte-Schaltung 122 wesentlich größer als die Abfallrate der Abtast-Halte-Skalier-Schaltung 123 (14C). Der Ausgang der Abtast-Halte-Skalier-Schaltung 123 enthält einen Spannungsteiler, der Widerstände 143 und 144 umfaßt, deren Relativwerte den Prozentsatz des vorherigen Maximums bestimmen, bei dem die Schaltung ausgelöst wird.
Wenn der Auslösungspunkt erreicht ist, geht der Komparator 125 in seinen niederen Ausgangszustand, da die Spannung am negativen Eingang (vom Tiefpaßfilter 124) die Spannung an seinem positiven Eingang (von der Abtast-Halte-Skalier-Schaltung 123) überschreitet. Der Ausgang des Komparators 125 (14F) wird dann im Inverter 126 invertiert (14G). Die entsprechenden Ausgänge der Stoßdetektionseinheiten 62A bis 62D sind in 13B mit DET1 bis DET4 bezeichnet.
Detektorverriegelungen
Die Detektorverriegelungseinheit 63 hält die entsprechenden Ausgänge der Stoßdetektionsschaltungen 62A bis 62D. Wie in 15 gezeigt, enthält die Detektorverriegelungsein heit 63 vier Flip-Flops 151 bis 154. Jedes Flip-Flop 151 bis 154 hat einen Takteingang, der mit einem der Detektoren 1 bis 4 durch eine der Stoßdetektionsschaltungen 62A bis 62D verbunden ist. Jedes Flip-Flop 151 bis 154 hat einen echten und einen invertierten Ausgang, die jeweils mit D1, D1; D2, D2; etc., bezeichnet sind. Wenn der Inverter 126 am Ausgang einer der Stoßdetektionsschaltungen 62A bis 62D (12) einen hohen Ausgang liefert, der die Ankunft eines Stoßes darstellt, wird daher ein entsprechendes Flip-Flop 151 bis 154 getaktet, und bleibt in diesem Zustand, bis es rückgesetzt wird.
Quadrantendetektions- und Wortgeneratoreinheit
Nachdem die Eingangssignale durch die Detektorverriegelungseinheit 63 gehen, treten sie in den Logikschaltungsaufbau ein, der die Position der Nadel 60 berechnet. Die Quadrantendetektions- und Wortgeneratoreinheit 64 ist in 16 veranschaulicht. Die Ausgänge der Detektorverriegelungseinheit 63 sind mit der Quadrantenauswahl-Logik 160, der Zählerfreigabe-Logik 161 und der Zyklusende-Logik 162 verbunden, obwohl zur Vereinfachung der Zeichnung nur eine einzige Leitung gezeigt ist. Der Ausgang der Quadrantenauswahl-Logik 160 wird durch eine Puffer- und Verriegelungseinheit 163 zur CPU 65 gerichtet, während die Ausgänge der Zählerfreigabe-Logik 161 und der Zyklusende-Logik 162 zu einem x-Zähler 164 und einem y-Zähler 165 gerichtet werden. Die Ausgänge des x-Zählers 164 und y-Zählers 165 fließen durch die Puffer- und Verriegelungseinheit 163 zur CPU 65. Die Zyklusende-Logik 162, die Zeitablauf-Logik 167, der x-Zähler 164 und der y-Zähler 165 sind durch einen Takt 166 bei 32 MHz getaktet. Die Zeitablauf-Logik 167 und Rücksetz/Initialisierungs-Logik 168 sind mit den anderen Komponenten der Einheit 64 wie in 16 gezeigt verbunden. Wie nachstehend erläutert, wird ein manueller Druckknopfschalter 169 verwendet, um die Logik im Fall eines "asynchronen" Zustands zurückzusetzen.
Ein einzelner Stoß von der Nadel 60 kommt zu verschiedenen Zeiten an jedem Detektor 1 bis 4 an. Der erste Stoß identifiziert, in welchem der Quadranten I bis IV (siehe 7A) sich die Nadel 60 befindet, da er den entsprechenden Detektor zuerst erreicht (wenn sich die Nadel 60 im Quadranten I befindet, kommt der Stoß zuerst am Detektor 1 an, etc.). Die Quadrantenauswahl-Logik 160 identifiziert, welcher Detektor den Stoß zuerst empfangen hat, und sendet diese Information an die CPU 65.
Wenn ein Stoß an einem der Detektoren 1 bis 4 zuerst detektiert wird, löst die Zählerfreigabe-Logik 161 den x-Zähler 164 und den y-Zähler 165 aus. Wenn der Stoß durch den nächsten Detektor detektiert wird, bestimmt die Zählerfreigabe-Logik 161, ob dieser Detektor an derselben horizontalen Kante oder derselben vertikalen Kante der Platte 61 liegt wie der Detektor, der den Stoß zuerst empfangen hat. ("Horizontale Kante" bezieht sich auf eine Kante parallel zur x-Achse; "vertikale Kante" bezieht sich auf eine Kante parallel zur y-Achse). Wenn er an derselben horizontalen Kante liegt, schaltet die Zählerfreigabe-Logik 161 den x-Zähler 164 aus. Wenn er an derselben vertikalen Kante liegt, schaltet die Zählerfreigabe-Logik 161 den y-Zähler 165 aus. Wenn der Stoß vom dritten Detektor detektiert wird, schaltet die Zählerfreigabe-Logik 161 jenen vom x-Zähler 164 und y-Zähler 165 aus, der weiterzählt. Wenn der Stoß am vierten Detektor detektiert wird, setzt die Zyklusende-Logik 162 die Zähler 164 und 165 zurück, und setzt die Flip-Flops 151 bis 154 in der Detektorverriegelungseinheit 63 zurück (15).
Die im x-Zähler 164 und y-Zähler 165 gespeicherten Werte repräsentieren die Differenz der Zeit, die der Stoß benötigt, um an den Detektoren anzukommen, die an der horizontalen Kante bzw. an der vertikalen Kante der Platte 61 positioniert sind. Da sich der Stoß bei einer gleichmäßigen Geschwindigkeit in allen Richtungen durch die Platte 61 bewegt, entsprechen diese Zeitdifferenzen ihrerseits Längendifferenzen von Vektoren zwischen dem Punkt, an dem die Nadel angeordnet ist, und diesen Detektoren.
Wenn die Nadel 60 beispielsweise wie in 7A gezeigt positioniert ist, wird ein Stoß zuerst vom Detektor 1 detektiert. Die Quadrantenauswahl-Logik 160 detektiert diese Tatsache und informiert die CPU 65. Dadurch wird die Nadel 60 an irgendeinem Ort im Quadranten I angeordnet.
Gleichzeitig mit der Detektion des Stoßes durch den Detektor 1 instruiert die Zählerfreigabe-Logik 161 die Zähler 164 und 165, mit dem Zählen zu beginnen. Der Stoß wird als nächstes am Detektor 3 detektiert, und, wenn dies geschieht, erkennt die Zählerfreigabe-Logik 161, daß die Detektoren 1 und 3 entlang einer vertikalen Kante der Platte 61 positioniert sind, und instruiert den y-Zähler 165, das Zählen zu stoppen. Das Binärwort im y-Zähler 165 repräsentiert daher die verstrichene Zeit zwischen der Ankunft des Impulses am Detektor 1 und seiner Ankunft am Detektor 3, und diese repräsentiert ihrerseits die Längendifferenz der Vektoren r₃ und r₁ (r₃ – r₁) in 7A.
Der dritte Detektor, der den Impuls empfängt, ist der Detektor 4. Dann schaltet die Zählerfreigabe-Logik 161 den x-Zähler 164 aus. Das im x-Zähler 164 gespeicherte Binärwort repräsentiert die verstrichene Zeit zwischen der Ankunft des Impulses am Detektor 1 und seiner Ankunft am Detektor 4. Diese repräsentiert ihrerseits die Längendifferenz der Vektoren r₄ und r₁ (r₄ – r₁) in 7.
Der vierte Detektor, der den Impuls empfängt, ist der Detektor 2. Dies bedeutet das Ende des Zyklus, und, wenn dies geschieht, liefert die CTOL-Logik 301 einen Takt, um die Inhalte der Zähler 164 und 165 in ihre zugeordneten Verriegelungsspeicher 181 und 182 und die Inhalte der Quadrantenauswahl-Logik in ihren zugeordneten Verriegelungsspeicher 183 zu führen (siehe 18A). Die Zyklusende-Logik 162 setzt dann die Zähler 164 und 165 auf Null und die Flip-Flops 151 bis 154 in ihren Normalzustand zurück.
Nachstehend erfolgt eine detailliertere Beschreibung der zur Bestimmung des Ortes der Nadel 60 verwendeten Mathematik. Hier ist jedoch zu beachten, daß die im x-Zähler 164 gespeicherte Zahl, die r₄ – r₁ repräsentiert, eine Hyperbel mit den Detektoren 1 und 4 an ihren Brennpunkten definiert. Ähnlich definiert das im y-Zähler 165 gespeicherte Binärwort, das r₃ – r₁ repräsentiert, eine Hyperbel mit den Detektoren 1 und 3 an ihren Brennpunkten. Der Ort der Nadel 60 wird am Schnittpunkt dieser beiden Hyperbeln definiert. 18B veranschaulicht zwei Hyperbelscharen mit den Detektoren 1 und 3 bzw. 1 und 4 an ihren Brennpunkten.
17A veranschaulicht eine Ausführungsform der Quadrantenauswahl-Logik 160. Ein Paar von ODER-Gattern 300A und 300B haben ihre Eingänge mit den Ausgängen D1, D2 und D3 aus den Detektorverriegelungen 151 bis 154 verbunden. Die Ausgänge der ODER-Gatter 300A und 300B fließen zu Eingängen von UND-Gattern 301A und 301B, wie gezeigt. Andere Eingänge der UND-Gatter 301A und 3018 sind mit Ausgängen D1, D2 und D4 aus den Detektorverriegelungen 151 bis 154 verbunden. Die Ausgänge der UND-Gatter 301A und 301B sind auf die Takteingänge der Flip-Flops 302A und 302B gerichtet. Jedes Flip-Flop 302A und 302B hat einen echten Ausgang Q und einen invertierten Ausgang Q.
Bevor ein Impuls an den Detektoren 1 bis 4 ankommt, ist jeder Ausgang D1 bis D4 nieder, und jeder Ausgang D1 bis D4 ist hoch. Jeder Ausgang Q der Flip-Flops 302A und 302B ist nieder, und jeder Ausgang Q ist hoch. Wie nachstehend erläutert, repräsentiert dies einen binären Null-Ausgang aus den Flip-Flops 302A und 302B.
Zum Verständnis der Operation dieser Schaltung wird angenommen, daß der Impuls zuerst am Detektor 1 ankommt (7A). Daher wird der Ausgang D1 hoch, und der Ausgang D1 wird nieder. Deshalb haben das ODER-Gatter 300A und das UND-Gatter 301A hohe Ausgänge, und der Takteingang des Flip-Flops 302A wird gepulst. Die Ausgänge des ODER-Gatters 300B und des UND-Gatters 301B bleiben hingegen nieder. Daher hat das Flip-Flop 302A einen binären Eins-Ausgang (Q ist hoch), und das Flip-Flop 302B hat einen binären Null-Ausgang. Das 2-Bit-Binärwort 10 wird an die Puffer- und Verriegelungseinheit 163 geliefert, und zeigt an, daß sich die Nadel 60 im Quadranten I befindet.
Wenn sich die Nadel 60 in einem der Quadranten II bis IV befindet, gibt die Quadrantenauswahl-Logik 160 ähnlich ein 2-Bit-Binärwort aus, das den Quadranten identifiziert. Die folgende Tabelle zeigt das Binärwort, das jeden Quadranten repräsentiert.
Daher empfängt die Puffer- und Verriegelungseinheit 163 (16) ein 2-Bit-Binärwort, das den Quadranten anzeigt, in dem die Nadel positioniert ist, und überträgt diese Information an die CPU 65.
17B veranschaulicht eine Ausführungsform der Zählerfreigabe-Logik 161, die zwei Ausgänge aufweist, welche zum x-Zähler 164 bzw. y-Zähler 165 gerichtet sind. Der diesen Ausgängen zugeordnete Schaltungsaufbau ist ähnlich und wird getrennt, beginnend mit dem Schaltungsaufbau, der dem x-Zähler 164 zugeordnet ist, beschrieben.
Vier Eingänge D1 bis D4 sind mit den Eingängen in Exklusiv-ODER-Gatter 310A und 310B verbunden, wie in 17B gezeigt. Ein Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 310A geht zum Takteingang eines Flip-Flops 311A und einem Eingang eines UND-Gatters 312A. Der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 310B ist mit dem Takteingang des Flip-Flops 311B und mit einem Eingang des UND-Gatters 312B verbunden. Ein invertierter Ausgang (Q) des Flip-Flops 311A ist mit dem anderen Eingang des UND-Gatters 312B verbunden, und der invertierte Ausgang (Q) des Flip-Flops 311B ist mit dem anderen Eingang des UND-Gatters 312A verbunden. Die Ausgänge der UND-Gatter 312A und 312B sind mit den Eingängen eines ODER-Gatters 313 verbunden. Der invertierte Ausgang (Q) des Flip-Flops 311A ist auch mit einem Eingang eines UND-Gatters 314B verbunden. Der invertierte Ausgang (Q) des Flip-Flops 311B ist auch mit einem Eingang eines UND-Gatters 314A verbunden. Die Ausgänge der UND-Gatter 314A und 314B sind mit Löscheingängen der Flip-Flops 311A bzw. 311B verbunden.
Wenn, wie in 7A gezeigt, die Nadel in Quadrant I angeordnet ist, kommt der Impuls zuerst am Detektor 1 an. Daher wird der Eingang D1 zuerst nieder, und der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 310A wird binär Eins. Dies taktet das Flip-Flop 311A und bewirkt, daß die Ausgänge des UND-Gatters 312A und ODER-Gatters 313 binär Eins werden. Das binäre Eins am Ausgang des ODER-Gatters 313 schaltet den x-Zähler 164 ein.
Gleichzeitig wird der invertierte Ausgang (Q) des Flip-Flops 311A binär Null, wodurch die UND-Gatter 312B und 314B ausgeschaltet werden, so daß die Eingänge D2 und D3 die Operation des x-Zählers 164 nicht beeinflussen können. Daher zählt der x-Zähler 164 weiter, während der Stoß an den Detektoren 2 und 3 ankommt. Wenn der Stoß am Detektor 4 ankommt, wird der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 310A binär Null. Die Ausgänge des UND-Gatters 312A und ODER-Gatters 313 werden auch Null, wodurch das Freigabesignal an den x-Zähler 164 beendet wird. Daher zählt der x-Zähler 164 zwischen der Ankunft des Stoßes am Detektor 1 und Detektor 4 weiter, und, wenn er ausgeschaltet wurde, enthält er daher eine digitale Darstellung der Differenz der entsprechenden Länge der Vektoren r₁ und r₄ in 7A.
Die andere Hälfte der Zählerfreigabe-Logik 161 arbeitet auf ähnliche Weise, um den y-Zähler 165 zu steuern. Wenn der Impuls am Detektor 1 ankommt, wird der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 320A binär Eins, wodurch bewirkt wird, daß der Ausgang eines ODER-Gatters 323 den y-Zähler 165 einschaltet. Gleichzeitig wird ein Flip-Flop 312A getaktet, und sein invertierter Ausgang (Q) wird binär Null, wodurch die UND-Gatter 322B und 324B ausgeschaltet werden, so daß die Eingänge D2 und D4 die Operation des y-Zählers 165 nicht beeinflussen können. Wenn der Impuls am Detektor 3 ankommt, wird der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 320A binär Null, wodurch bewirkt wird, daß die Ausgänge des UND-Gatters 322A und ODER-Gatters 323 binär Null werden, und der y-Zähler 165 ausgeschaltet wird. Daher enthält der y-Zähler 165 eine digitale Darstellung der Zeitdifferenz der Ankunft des Stoßes an den Detektoren 1 und 3. Wie aus 7A hervorgeht, repräsentiert diese ihrerseits die Längendifferenz der Vektoren r₃ und r₁.
In der in 17B gezeigten Ausführungsform der Zählerfreigabe-Logik 161 ist jeder Detektor mit einem anderen Detektor "gepaart", in Abhängigkeit davon, wo der Stoß zuerst ankommt. In der oben beschriebenen Ausführungsform sind beispielsweise die Detektoren 1 und 4 gepaart, um die Operation des x-Zählers 164 zu steuern, da der Stoß zuerst am Detektor 1 empfangen wird.
Diese Anordnung kann Probleme bewirken, wenn die Nadel eine zwei der Quadranten trennende Achse überquerst. Solange die Nadel 60 im Quadranten I ist, wird der Impuls zuerst vom Detektor 1 gefühlt. Der Detektor 1 erzeugt ein Signal, das sowohl den Betrieb des x-Zählers 164 als auch y-Zählers 165 startet. Während sich die Nadel 60 quer über die Achse zwischen Quadrant _I und Quadrant III bewegt, sollte jedoch der Detektor 3 vom Detektor 1 übernehmen, um den Betrieb der Zähler zu starten, und der Detektor 2 sollte vom Detektor 4 übernehmen, um den x-Zähler 164 zu stoppen. Aufgrund einer geringfügigen Fehlausrichtung der Detektoren oder von Zeitsteuerungsvariationen in den Stoßdetektionseinheiten kann jedoch eine der folgenden zwei Möglichkeiten eintreten: (i) der Detektor 2 kann den x-Zähler 164 auszuschalten beginnen, bevor der Detektor 1 die Startfunktion an den Detektor 3 übergibt; oder (ii) der Detektor 4 kann den Betrieb des x-Zählers 164 während einer kurzen Zeit nach der Übergabe der Startfunktion vom Detektor 1 an den Detektor 3 weiterhin stoppen. In beiden Fällen ist das Ergebnis eine Versetzung im Ausgang des Digitalisierers, während die Nadel 60 von Quadrant 1 in Quadrant III übertritt.
Dieses Problem wird in der in 17C gezeigten, alternativen Ausführungsform der Zählerfreigabe-Logik 161 etwas abgeschwächt. Die Eingänge D1 bis D4 und D1 bis D4 sind mit den Eingängen von UND-Gattern 330A bis 330D und ODER-Gattern 331A bis 331D verbunden. Der mit "D13" bezeichnete Eingang bezieht sich auf einen Eingang, der hoch wird, wenn der Stoß entweder am Detektor 1 oder Detektor 3 empfangen wird; ähnlich bezieht sich der mit "D23" bezeichnete Eingang auf einen Eingang, der hoch wird, wenn der Impuls entweder am Detektor 2 oder Detektor 3 empfangen wird. Wie in 17A gezeigt, können diese Eingänge an den Ausgängen der ODER-Gatter 300A bzw. 300B aufgenommen werden. Die Ausgänge der UND-Gatter 330A und 330B speisen die Eingänge eines ODER-Gatters 332A, und die Ausgänge der UND-Gatter 330C und 330D speisen die Eingänge eines ODER-Gatters 332B. Der Ausgang des ODER-Gatters 332A geht zum x-Zähler 164, und der Ausgang des ODER-Gatters 332B geht zum y-Zähler 165.
Anfänglich sind die Eingänge D1 bis D4 hoch, und die Schaltung wartet auf ein hohes Signal von einem der Eingänge D1 bis D4 an den Eingängen in die UND-Gatter 330A bis 330D. Wenn die Nadel 60 in Quadrant I ist, wird der Eingang D1 hoch, und die UND-Gatter 330A und 330C liefern einen binären Eins-Ausgang. Daher schalten die Ausgänge der ODER-Gatter 332A und 332B den x-Zähler 164 bzw. y-Zähler 165 ein. Gleichzeitig wird der Eingang D1 nieder, wodurch die UND-Gatter 330B und 330D ausgeschaltet werden.
Wenn der Stoß entweder am Detektor 2 oder Detektor 4 ankommt, wird D2 oder D4 nieder, wodurch das UND-Gatter 330A ausgeschaltet wird, und der x-Zähler 164 gestoppt wird. Wenn der Stoß am Detektor 2 oder Detektor 3 ankommt, wird der Eingang D2 oder D3 nieder, wodurch das UND-Gatter 330C ausgeschaltet wird, und der y-Zähler 165 gestoppt wird. Wenn die Nadel entweder in Quadrant I oder Quadrant III ist, wird daher der x-Zähler 164 durch die Ankunft des Stoßes entweder am Detektor 2 oder 4 gestoppt; wenn die Nadel in Quadrant II oder Quadrant IV ist, wird der x-Zähler 164 durch die An kunft des Stoßes entweder am Detektor 1 oder Detektor 3 gestoppt. Der y-Zähler 165 wird auf die gleiche Weise gesteuert. Wenn die Nadel in Quadrant I oder IV ist, wird der y-Zähler 165 durch die Ankunft des Stoßes entweder am Detektor 2 oder 3 gestoppt; wenn die Nadel in Quadrant II oder Quadrant III ist, wird der y-Zähler 165 durch die Ankunft des Stoßes entweder am Detektor 1 oder Detektor 4 gestoppt. Dies hat die Wirkung des Ausglättens jeglicher Versetzungen, die auftreten können, wenn die Nadel eine Achse zwischen zwei Quadranten überquert.
18A veranschaulicht ein Blockbild der Puffer- und Verriegelungseinheit 163. Der x-Zähler 164 liefert ein 11-Bit-Wort an einen Verriegelungsspeicher 181, und der y-Zähler 165 liefert ein 10-Bit-Wort an einen Verriegelungsspeicher 182. Unter der Annahme, daß sich die A_o-Welle mit einer Geschwindigkeit von 3310 m/s durch die Platte 61 ausbreitet, benötigt die Welle etwa 60,6 μs, um die Breite von 7,9 Zoll der Platte 61 zu überqueren. Bei der 32 MHz Taktrate gleicht dies ungefähr 2000 Zählungen. Dies repräsentiert die Maximaldifferenz der Ankunftszeit des Stoßes am horizontalen Detektorpaar (d.h. Detektor 1 und 4 oder Detektor 2 und 3). Daher ist ein 11-Bit-Wort (Dezimalzahl 2048) adäquat, um ein beliebiges Wort zu repräsentieren, das im x-Zähler 164 auftreten könnte. Ähnlich ist ein 10-Bit-Wort (Dezimalzahl 1028) adäquat, um die Maximalzeitdifferenz zwischen der Ankunft des Stoßes an den vertikalen Detektorpaaren (Detektor 1 und 3 oder Detektor 2 und 4) zu repräsentieren. Wie oben angegeben, wird ein 2-Bit-Wort verwendet, um den Quadranten zu spezifizieren, in dem die Nadel angeordnet ist. Dieses 2-Bit-Wort wird dem Verriegelungsspeicher 183 zugeführt.
Ein Satz von drei 8-Bit-Puffern 181A, 182A und 183A führt diese Binärworte zur CPU 65. Ein 8-Bit-Segment aus dem Wort im Verriegelungsspeicher 181 geht durch den Puffer 181A; ein 8-Bit-Segment aus dem Wort im Verriegelungsspeicher 182 geht durch den Puffer 182A; die übrigen 3 Bits aus dem Wort im Verriegelungsspeicher 181 und die übrigen 2 Bits des Worts im Verriegelungsspeicher 182, zusammen mit dem 2-Bit-Wort im Verriegelungsspeicher 183, gehen durch den Puffer 183A.
17D veranschaulicht eine Darstellung der Zyklusende-Logik 162. Die Ausgänge D1 bis D4 der Detektorverriegelungseinheit 63 werden den Eingängen eines UND-Gatters 301 zugeführt. Die Vollendung eines Zyklus wird durch den Empfang einer einzelnen Welle an allen vier Detektoren 1 bis 4 angezeigt, und dies bewirkt seinerseits, daß alle Ausgänge D1 bis D4 hoch werden, und ein hoher Ausgang wird vom Gatter 301 geliefert. Dieser Ausgang, bezeichnet als CTOL, wird den Verriegelungsspeichern 181 bis 183 (18A) zugeführt, und bewirkt, daß die Inhalte des x-Zählers 164, des y-Zählers 165 und der Quadrantenauswahl-Logik 160 in die Verriegelungsspeicher 181 bis 183 verriegelt werden. Der Ausgang CTOL des UND-Gatters 301 wird auch zum Setzen eines Flip-Flops 302 verwendet, dessen Ausgang der Zeitablauf-Logik 167 zugeführt wird (17E), deren Operation nachstehend beschrieben wird. Das Flip-Flop 302 setzt seinerseits ein Flip-Flop 303, dessen Ausgang nach einer Inversion in einem Gatter 304 ein Löschsignal (als CLR bezeichnet) wird. Das CLR-Signal, sowohl vom niederen Ausgang des Flip-Flops 303 als auch vom Gatter 304, wird zum Löschen des x-Zählers 164, des y-Zählers 165, der Flip-Flop 151 bis 154 in der Detektorverriegelungseinheit 63 (15) und der Flip-Flops 302A und 302B in der Quadrantenauswahl-Logik 160 (17A) verwendet. Das CLR-Signal wird auch zum Löschen des Flip-Flops 302 verwendet, das seinerseits das Flip-Flop 303 (und das CLR-Signal selbst) beim nächsten 32 MHz Taktimpuls rück setzt. Zusammenfassend bewirkt die Zyklusende-Logik 162, daß die Inhalte des x- und y-Zählers in ihre zugeordneten Verriegelungsspeicher geführt werden, und bewirkt dann, daß die Zähler synchron gelöscht werden.
17E veranschaulicht eine Darstellung der Zeitablauf-Logik 167. Die Zeitablauf-Logik 167 wird durch ein Signal vom Q-Ausgang des Flip-Flops 302 in der Zyklusende-Logik 162 ausgelöst. Dieses Signal wird durch ein ODER-Gatter 305 geführt, und setzt ein Flip-Flop 306, das seinerseits ein Flip-Flop 307 setzt. Beide Flip-Flops 306 und 307 sind bei 32 MHz getaktet. Sobald das Flip-Flop 306 gesetzt, ist, bleibt es aufgrund eines Rückkopplungswegs vom Q-Ausgang des Flip-Flops 306 zurück zum Eingang des ODER-Gatters 305 gesetzt. Dieser Rückkopplungsweg hält das Flip-Flop 306 während der Dauer der Zeitablaufsequenz gesetzt.
Der Ausgang des Flip-Flops 307, als TIMEOUT bezeichnet, wird durch ein ODER-Gatter 308 geführt, und zum Einschalten des y-Zählers 165 verwendet. Das TIMEOUT-Signal wird auch einem Eingang eines UND-Gatters 309 zugeführt. Der andere Eingang des UND-Gatters 309 ist mit dem Ausgang der siebenten Stufe des y-Zählers 165 gekoppelt. Daher liefert, nachdem das TIMEOUT-Signal aktiv ist, das UND-Gatter 309 einen hohen Ausgang, wenn der y-Zähler 165 bis zu seiner siebten Stufe gezählt hat (64 Zählungen). Bei einer Taktrate von 32 MHz dauert dies 2 μs. Daher liefert das UND-Gatter 309 einen hohen Ausgang 2 μs nach der Aktivierung des TIMEOUT-Signals, und nach der Inversion in einem Gatter 310 wird dieses Signal (als TOC für "Time Out Complete" (Zeitablauf vollendet) bezeichnet) zur Rücksetz/Initialisierungs-Logik 168 geführt. Das TIMEOUT-Signal wird auch durch ein Gatter 311 geführt, wonach es als Unterbrechungssignal (INT0) für die CPU 65 verwendet wird.
17F veranschaulicht eine Darstellung der Rücksetz/Initialisierungs-Logik 168, die hauptsächlich aus einem UND-Gatter 312 besteht. Das UND-Gatter 312 hat vier Eingänge. Ein Eingang liefert das TOC-Signal von der Zeitablauf-Logik 167. Ein anderer Eingang ist durch den normalerweise offenen Druckknopfschalter 169 mit Erde verbunden. Die letzten zwei Eingänge sind mit den zwölften Stufen des x-Zählers 164 bzw. y-Zählers 165 verbunden, die durch Inverter 314 und 315 geführt werden. Die Eingänge in das UND-Gatter 312 sind alle normalerweise hoch. Wenn irgendeiner der Eingänge nieder wird, lieft das UND-Gatter 312 ein aktives niederes Ausgangssignal CSYNC. CSYNC ist mit einem Flip-Flop 306 in der Zeitablauf-Logik 167 und einem Flip-Flop 303 in der Zyklusende-Logik 162 verbunden. Es sieht ein Auf schalt-Rücksetz/Initialisierungssignal vor, das die Logik des Digitalisierers zurücksetzt. Wenn beispielsweise TOC nieder wird, was anzeigt, daß die 2 μs Zeitablaufsequenz vollendet ist, wird CSYNC nieder aktiv, und dies setzt seinerseits das Flip-Flop 306 und die Zeitablauf-Logik 167 zurück. Ähnlich wird CSYNC an den PR-Eingang des Flip-Flops 303 geliefert, wodurch bewirkt wird, daß das Flip-Flop 303 ein weiteres CLR-Signal erzeugt. Dieses löscht den y-Zähler 165, der, wie oben beschrieben, die 2 μs Zeitablaufsequenz gezählt hat. Die Erzeugung des CLR-Signals bewirkt auch, daß der x-Zähler 164 und die Flip-Flops 151 bis 154 in der Detektorverriegelungseinheit 63 zurückgesetzt werden.
Der Bediener des Digitalisierers kann auch manuell die Logik durch das Drücken des Druckknopfschalters 169 zurücksetzen, der einen der Eingänge in das UND-Gatter 312 erdet.
Die verbleibenden zwei Eingänge in das UND-Gatter 312 werden in dem Fall verwendet, in dem der Digitalisierer "asynchron" wird. Normalerweise beginnt ein Zyklus, wenn einer der Detektoren D1 bis D4 die Ankunft eines neuen Stoßes fühlt. Wenn der Digitalisierer synchron arbeitet, ist der Detektor diagonal quer über der Glasplatte vom ersten Detektor der letzte Detektor, der den Stoß empfängt, und dann aktiviert das UND-Gatter 301 den Rest der Zyklusende-Logik 162.
Sollte ein Störrauschstoß an irgendeinem Detektor auftreten, könnte er als erster Stoß eines neuen Zyklus interpretiert werden. Dies tritt am wahrscheinlichsten während des 8 ms Abstands zwischen den von der Nadel 50 erzeugten Stößen auf. Da die Zeitspanne zwischen Stößen viel größer ist als die Zeitspanne zwischen der Detektion eines Stoßes an den verschiedenen Detektoren, laufen in dieser Situation die Zähler 164 und 165 wiederholt, anstatt die Zeitdifferenz zwischen der Detektion eines einzelnen Stoßes an den Detektoren D1 bis D4 zu zählen. Dieser Zustand wird detektiert, wenn die zwölfte Stufe eines der Zähler ausgelöst wird, und dann liefert das UND-Gatter 312 ein CSYNC-Signal. Während des Normalbetriebs des Digitalisierers wird die zwölfte Stufe der Zähler 164 und 165 nicht aktiviert.
CPU und Nachschlagtabelle
19 veranschaulicht ein Blockbild der CPU 65 und Nachschlagtabelle 66. Die CPU 65 enthält einen Mikrokontroller 190, der in dieser Ausführungsform ein Intel 80C32 ist. Die Ausgänge der Puffer 181A bis 183A werden über einen Datenbus 191 zu einem Eingang des Mikrokontrollers 190 übertragen. Ein anderer Eingang des Mikrokontrollers 190 ist mit der Zeitablauf-Logik 167 verbunden, und dieser Eingang empfängt das INT0-Signal, das am Beginn der 2 μs Zeitablaufsequenz erzeugt wird. Die Nachschlagtabelle 66 besteht aus einem 128 K mal 24 löschbaren programmierbaren Nurlesespeicher (EPROM). Dieser 128 K mal 24 EPROM wird durch die Kombination von drei 128 K mal 8 EPROMs gebildet. Ein vierter 128 K mal 8 EPROM dient als Programmspeicher 192 für den Mikrokontroller 190. Die Nachschlagtabelle 66 und der Programmspeicher 192 werden über einen Adressenbus 194 adressiert, und eine Adressenverriegelung 195 ist in einem Segment des Adressenbusses 194 angeordnet. Der Transfer der Inhalte der Puffer 181A bis 183A, der Nachschlagtabelle 66 und des Programmspeichers 192 wird über einen Decoder 196 und einen Datensteuerbus 197 gesteuert. Der Mikrokontroller 190 ist mit einem 14,7456 MHz Oszillator durch seinen XTALI-Eingang getaktet.
Wie oben festgestellt, erzeugt der x-Zähler 164 ein 11-Bit-Wort, und der y-Zähler 165 erzeugt ein 10-Bit-Wort. Das vom x-Zähler 164 erzeugte Wort repräsentiert die Längendifferenz der Vektoren, welche die Nadel 60 mit zwei Detektoren parallel zur x-Achse verbinden, und das vom y-Zähler 165 erzeugte Wort repräsentiert die Längendifferenz der Vektoren, welche die Nadel 60 mit zwei Detektoren parallel zur y-Achse verbinden. Diese Worte sind schematisch in 21 dargestellt, wobei die Bits vom niedrigstwertigen Bit zum höchstwertigen Bit numeriert sind. Anfänglich schneidet der Mikroprozessor 190 die beiden niedrigstwertigen Bits (Bits 1 und 2) von jedem Wort ab. Die verbleibenden 9- und 8-Bit-Worte werden als Adressen für die Nachschlagtabelle 66 verwendet. Wie oben angegeben, definiert jedes dieser Worte eine Hyperbel mit zwei Detektoren an ihren Brennpunkten, und die beiden Worte definieren zusammen einen Ort auf der Platte 61 am Schnittpunkt der beiden Hyperbeln. Die beiden Worte identifizieren auch eine Adresse in der Nachschlagtabelle 66, welche die x- und y-Koordinaten dieses Schnittpunkts enthält.
Die Nachschlagtabelle 66 wird wie folgt programmiert. Zuerst wird die 32 MHz Taktrate der Zähler 164 und 165 in eine Distanz umgewandelt, welche die A_o-Wellen zwischen Taktimpulsen zurücklegen. Unter der Annahme einer Geschwin digkeit von 3310 m/s für die A_o-Wellen ergibt dies etwa 0,004 Zoll (4 mils) pro Taktimpuls. Daher repräsentiert der Inhalt jedes Zählers eine Vektordifferenz gleich 4 mils mal dem Wert des Binärworts. Mit der Nadel 60 in Quadrant I: r4 – r1 = (0,004)·(Wert im x-Zähler 164) (1) r3 – r1 = (0,004)·(Wert im y-Zähler 165) (2)
Da jede Vektordifferenz eine Hyperbel mit zwei Detektoren an ihren Brennpunkten definiert, definieren die Worte in den Zählern 164 und 165 zwei Gleichungen (Hyperbeln), die für eine einzige Kombination von x- und y-Koordinaten aufgelöst werden können.
Mit Bezugnahme auf 7A folgen vier Grundgleichungen, welche die entsprechenden Längen der Vektoren als x- und y-Koordinaten sowie die Höhe (H) und die Breite (W) zwischen den Detektororten zeigen:
Da r₃ – r₁ und r₄ – r₁ zur Bestimmung der Position der Nadel 60 verwendet werden, wenn sie in Quadrant I ist, werden die folgenden Kurzausdrücke verwendet: Δ31 = r3 – r1 (7) Δ41 = r4 – r1 (8)
Daher wird die Aufgabe gestellt, Ausdrücke für x und y als Δ₃₁ und Δ₄₁ zu finden.
Aus den obigen Definitionen ergibt sich: r3 = r1 + Δ31 (9) r4 = r1 + Δ41 (10)
Quadrieren dieser Gleichungen und Umgruppierung der Terme ergibt: r3 2 – r1 2 = 2r1Δ31 + Δ31 2 (11) r4 2 – r1 2 = 2r1Δ41 + Δ41 2 (12)
Subtraktion der Gleichung (3) von Gleichung (5), Einsetzen in die linke Seite der Gleichung (11) und Umgruppierung der Terme ergibt: 2Δ31r1 = 2Hy – Δ31 2 (13)
Subtraktion der Gleichung (3) von Gleichung (6), Einsetzen in die linke Seite der Gleichung (12) und Umgruppierung der Terme ergibt: 2Δ41r1 = 2Wx – Δ41 2 (14)
Division der Gleichung (13) durch Δ₃₁ und Division der Gleichung (14) durch Δ₄₁ ergibt:
Daher gilt:
Als nächstes wird die Gleichung (13) quadriert, r₁ ² gemäß Gleichung (3) eingesetzt, und Gleichung (16) wird verwendet, um einen Ausdruck in x allein zu erhalten. Nach umfassenden, jedoch direkten Manipulationen kann die folgende quadratische Gleichung für x gelöst werden:
worin A = H2(W2 – Δ412) und B = H2 + Δ31((Δ41 – Δ31)
Der Wert von y wird durch das Einsetzen der Gleichung (17) in Gleichung (16) erhalten.
Unter Verwendung dieser Gleichungen werden die geeigneten x,y-Koordinaten für jede Kombination der Werte im x-Zähler 164 und y-Zähler 165 gefunden. Wie oben angegeben, wird jede mögliche Kombination von Bits in den Zählern 164 und 165 (außer den beiden niedrigstwertigen Bits) als Adresse in der Nachschlagtabelle 66 verwendet. Dann wird jede Adresse in der Nachschlagtabelle 66 mit den x- und y-Koordinaten programmiert, die dieser Adresse entsprechen. Zu diesem Zweck wird der Ursprung am Mittelpunkt der Platte 61 bestimmt (siehe 7A).
Nachdem der Mikrokontroller 190 die in den Zählern 164 und 165 enthaltenen Binärworte empfängt, greift er auf die entsprechende Adresse in der Nachschlagtabelle 66 zu. Die beiden Worte in den Zählern 164 und 165 (außer ihren zwei niedrigstwertigen Bits) werden in ein 17-Bit-Wort kombiniert, das die Adresse bildet. Jede Adressenstelle in der Nachschlagtabelle 66 enthält ein 24-Bit-Wort, wovon 12 Bits die x-Koordinate und 12 Bits die y-Koordinate repräsentieren. Wie oben festgestellt, enthält die Nachschlagtabelle 66 drei 128 K mal 8 EPROMs. Ein EPROM enthält die niedrigstwertigen 8 Bits der x-Koordinate, der zweite EPROM enthält die niedrigstwertigen 8 Bits der y-Koordinate, und der dritte EPROM enthält die oberen 4 Bits jeder x- und y-Koordinate. Im dritten EPROM enthält das obere Nibble die oberen 4 Bits der x-Koordinate, wohingegen das untere Nibble die oberen 4 Bits der y-Koordinate enthält.
Unter Verwendung des Datensteuerbusses 197 ruft der Mikrokontroller 190 aus der Nachschlagtabelle 66 die beiden 12-Bit-Worte ab, welche die x- und y-Koordinaten repräsen tieren. Dann inkrementiert der Mikrokontroller 190 das dritte Bit in jedem Wort aus den Zählern 164 und 165 (siehe 21) um Eins, und liest die an dieser Adresse gespeicherten Werte der x- und y-Koordinaten, die in 22 mit (x', y') bezeichnet sind. Die beiden Sätze von x- und y-Koordinaten, die aus der Nachschlagtabelle 66 erhalten werden, repräsentieren die Schnittpunkte benachbarter Hyperbelpaare auf der Platte 61. Diese Hyperbeln definieren eine Figur, die nahezu einem Quadrat entspricht. Zur Festlegung der Position der Nadel 60 in dieser Figur führt der Mikrokontroller 190 eine Interpolation unter Verwendung der beiden niedrigstwertigen Bits der Worte aus den Zählern 164 und 165 durch. Dies ist in 22 veranschaulicht, wobei angenommen wird, daß die Bits 1 und 2 im Zähler 164 die Dezimalzahl 3 repräsentieren, und die Bits 1 und 2 im Zähler 165 die Dezimalzahl 2 repräsentieren.
Nachdem der Interpolationsprozeß durchgeführt wurde, überprüft der Mikrokontroller 190 das 2-Bit-Wort von der Quadrantenauswahl-Logik, um den Quadranten zu bestimmen, in dem die Nadel angeordnet ist, und er verwendet diese Information, um die Nadelposition in Koordinaten mit einem Ursprung an der oberen linken Ecke der Platte 61 umzuwandeln.
Die Unterteilung der Platte 61 in Quadranten reduziert die erforderliche Kapazität der Nachschlagtabelle 66 um den Faktor 4. Außerdem reduziert das Ausschließen der beiden niedrigstwertigen Bits der in den Zählern 164 und 165 gespeicherter Werte aus den Adressen in der Nachschlagtabelle 66 die erforderliche Kapazität der Nachschlagtabelle 66 um den weiteren Faktor 16. Es kommt zu einem Abtausch zwischen der Kapazität der Nachschlagtabelle 66 und der Genauigkeit des Digitalisierers. Eine größere Nachschlagtabelle sieht eine genauere Anordnung vor; die Verwendung von mehr Bits im Interpolationsprozeß führt zu größerer Ungenauigkeit. Wenn eine hochgenaue Anordnung gewünscht wird, könnte der Interpolationsprozeß gänzlich weggelassen werden, und die gesamten Inhalte des x- und y-Zählers könnten bei der Adressierung der Nachschlagtabelle verwendet werden. Alternativ dazu könnte die Nachschlagtabelle weggelassen werden, und der Mikrokontroller 190 könnte programmiert werden, um die oben für x und y gezeigten Gleichungen aufzulösen. Verschiedenste Ausführungsformen sind für Fachleute ersichtlich, von denen alle in den Grundprinzipien der Erfindung eingeschlossen sind.
Nachdem der Mikrokontroller 190 die revidierten x- und y-Koordinaten auf Basis des Ursprungs an der oberen linken Ecke der Platte 61 bestimmt hat, übersetzt er diese Koordinaten in Pixel-Koordinaten für die LCD-Platte 72 (7B). Diese Daten werden durch einen UART-Treiber 67 (6) übertragen, der bei einer 19.200 Baud-Rate programmiert ist. Alternativ dazu könnten diese Daten auf verschiedenste Weise verwendet werden. Beispielsweise könnten die Daten von einem Computer verwendet werden, um Berechnungen vorzunehmen. Im wesentlichen kann der Digitalisierer dieser Erfindung als mit einer Tastatur oder irgendeiner anderen Eingabeanordnung vergleichbar angesehen werden. Sein Digital-Ausgang kann verschiedensten Verwendungen zugeführt werden.
Nachdem die Daten übertragen wurden, sendet der Mikrokontroller 190 ein "Schlafsignal" aus, und tritt in einen Niederenergiemodus ein, bis er das nächste Ende einer Zyklusunterbrechung (INT0) von der Zeitablauf-Logik 167 empfängt.
20A bis 20E veranschaulichen ein Flußdiagramm des Programmlaufs im Mikrokontroller 190. Die ersten vier Schritte, die in 20A gezeigt sind, sind Initialisierungsschritte. Dann wartet der Mikrokontroller auf eine Zyklusende-Unterbrechung (INT0), die, wie oben angegeben, durch die Zeitablauf-Logik 167 erzeugt wird. Bis INT0 empfangen wird, tritt der Mikrokontroller in einen Ausschaltmodus ein.
Der Empfang der Zyklusende-Unterbrechung initiiert die in 20B veranschaulichte Routine. Wenn die Daten empfangen werden, werden sie in einem Zähler gespeichert, der drei Datensätze halten kann. Die ersten beiden Datenabtastwerte werden verworfen. Wenn der dritte Datenabtastwert empfangen wird, setzt der Mikrokontroller einen Zeitgeber, um ein Signal (TIMER0 bezeichnet) nach einem Intervall von 18 ms zu liefern, und liest im ersten Datenabtastwert. Dieser Datenabtastwert enthält die Inhalte des x-Zählers 164 (11 Bits) (identifiziert als "Delta 41"), des y-Zählers 165 (10 Bits) (identifiziert als "Delta 31") und die Quadrantenauswahl-Logik 160 (2 Bits).
Dann geht der Mikrokontroller 190 zur in 20C veranschaulichten Routine. Jeder Datenabtastwert wird im oben angegebenen Zähler gespeichert. Wenn drei Abtastwerte gespeichert wurden, geht der Mikrokontroller zur Bestimmung der Differenz zwischen Delta 41 (d.h. der im x-Zähler 164 gespeicherten Zahl) des ersten und mittleren Abtastwerts und des mittleren und letzten Abtastwerts. Dann wird derselbe Prozeß für die Delta 31 der Abtastwerte (d.h. den Inhalt des y-Zählers 165) wiederholt. Wenn eine dieser Differenzen einen bestimmten Betrag (in diesem Fall vier Zählungen) überschreitet, wird angenommen, daß ein Störsignal empfangen wurde, und die letzten beiden Abtastwerte werden verworfen. Die Differenzzählung, über welcher die Abtastwerte verworfen werden, wird unter Berücksichtigung der Maximalgeschwindigkeit bestimmt, bei der die Nadel realistisch die Oberfläche der Platte entlang bewegt werden kann. Wenn die Differenz diesen Wert überschreitet, ist es wahrscheinlich, daß ein Fehler aufgetreten ist, und die letzten beiden Datenabtastwerte werden verworfen.
Wie in 20C angegeben, bestimmt der Mikrokontroller auch das arithmetische Vorzeichen der Differenzen zwischen den entsprechenden Delta 41 und Delta 31 der Datenabtastwerte. Wie in 20D gezeigt, werden, wenn sich das Vorzeichen für Delta 41 oder Delta 31 ändert, die letzten beiden Abtastwerte verworfen. Es kann möglich sein, diesen Teil des Programms wegzulassen.
Wenn keine Störabtastwerte vorliegen, ruft der Mikrokontroller die x- und y-Koordinaten der Nadel nach dem Abschneiden der letzten beiden niedrigstwertigen Bits von den im x-Zähler 164 und y-Zähler 165 gespeicherten Werten ab. Wie oben angegeben, werden die verkürzten Abtastwerte zur Adressierung von Speicherstellen in der Nachschlagtabelle 66 verwendet. Die verkürzten Zählerwerte werden dann um Eins inkrementiert (insgesamt 4 Zählungen), und der Mikrokontroller 190 führt eine Interpolation unter Verwendung der beiden niedrigstwertigen Bits der Inhalte des x-Zählers 164 und y-Zählers 165 durch. Die Quadrantendaten (von der Quadrantenauswahl-Logik 160) werden dann verwendet, um die x- und y-Koordinaten der Nadel zu erhalten, wobei sich der Ursprung in der Mitte der Platte befindet. Diese Koordinaten werden in Koordinaten mit dem Ursprung in der oberen linken Ecke der Platte umgewandelt, und werden an einen Hostcomputer zum Erzeugen von "Tinte" unter der Nadel oder für andere Zwecke gesendet. Der Datenabtastwert wird dann aus dem Zähler ausgeworfen, und die verbleibenden beiden Abtastwerte werden vorgesetzt.
An diesem Punkt tritt der Mikroprozessor in einen untätigen Zustand ein, wenn der Zeitgeber, der das TIMER0-Signal erzeugen soll, arbeitet, andere Systeme sind jedoch geschlossen, um Energie zu sparen.
Wenn die Nadel mit der Platte in Kontakt bleibt, sollte ein neues Zyklusende-Unterbrechungs (INT0)-Signal innerhalb von 8 ms empfangen werden, nachdem die Datenabtastwerte im Zähler vorgesetzt werden. Wenn kein Zyklusende-Unterbrechungssignal zur Zeit der Erzeugung des TIMER0-Signals empfangen wird, werden die Daten in den beiden im Zähler verbleibenden Abtastwerte wie oben beschrieben verarbeitet, und x- und y-Koordinaten werden an einen Hostcomputer gesendet. Dies ist in 20E veranschaulicht. Ein "Nadel hoch"-Signal wird dann erzeugt, und der Abtastzähler wird zurückgesetzt. Nach dem "Nadel hoch"-Signal befinden sich der Mikrokontroller 190 und der Hostcomputer im "Schlafmodus", in dem die einzigen Komponenten, die weiterhin mit Energie versorgt werden, die Stoßdetektoren 1 bis 4 und andere Schaltungsaufbauten sind, die zum Erzeugen einer Zyklusende-Unterbrechung notwendig sind, wenn der nächste Stoß empfangen wird. Dies tritt dann auf, wenn die Nadel erneut mit der Platte in Kontakt gebracht wird.
Andere Ausführungsformen
Die Ausbildung anderer Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung sollten verschiedene Faktoren berücksichtigen, die gemeinsam die optimale Ausbildung für eine bestimmte Anwendung bestimmen. Unter den wichtigsten dieser Faktoren sind die folgenden:

1. ob die A_o- oder S_o-Wellen einzeln zu verwenden sind, oder ob der Digitalisierer sowohl die A_o- als auch S_o-Wellen verwenden soll;
2. der Betrag der verfügbaren Rechner(Verarbeitungs)leistung;
3. die zu verwendende Anzahl von Detektoren;
4. die Kapazität der Nachschlagtabelle, sofern sie verwendet wird.

In der oben beschriebenen Ausführungsform wurden beispielsweise nur A_o-Wellen verwendet. Dies vereinfacht den Detektionsprozeß, da die A_o-Wellen leichter zu detektieren sind als S_o-Wellen; außerdem ist es einfacher, einen einzelnen Wellentyp zu detektieren, als zwischen zwei verschiedenen Wellen zu unterscheiden. Da die A_o-Welle langsamer ist als die S_o-Welle, ergibt außerdem die Verwendung der A_o-Welle eine bessere Auflösung für eine gegebene Taktfrequenz. Andererseits verhindert die Verwendung nur einer einzelnen Welle die Bestimmung der Zeit, zu welcher der Stoß von der Nadel ausgegangen ist, und schließt daher die Möglichkeit der Berechnung der tatsächlichen Länge von Vektoren aus. Wie in obiger Gleichung (17) nachgewiesen, ergibt die vollständige Verwendung der Differenzen der Vektorlängen relativ komplexe Gleichungen für die Werte der x- und y-Koordinaten. Dies erfordert seinerseits eine höhere Verarbeitungsleistung oder eine Nachschlagtabelle mit großer Kapazität. Daher wurde in der oben beschriebenen Ausführungsform das Hauptaugenmerk auf die Vereinfachung der Detektion der Stöße gelegt.
Außerdem zeigen, auch wenn die A_o-Wellen leicht zu detektieren sind, die A_o-Wellen eine erhebliche Frequenzdispersion (d.h. die Geschwindigkeiten der Phasen und Hüllkurven der Wellen sind verschieden). Die Verwendung von S_o-Wellen würde dieses Problem vermeiden, da S_o-Wellen eine geringe Frequenzdispersion aufweisen.
Die verschiedensten Ausführungsformen, die gemäß den Grundprinzipien dieser Erfindung hergestellt werden können, sind für Fachleute ersichtlich.

Claims

Anordnung zur Detektion der Position eines kabellosen Stiftes auf einem Tablett, mit: einem festen rechteckförmigen Tablett (61); einem Stift (50; 60) zum Einbringen von Stößen akustischer Wellen in das Tablett (61), der mit diesem nicht verbunden ist; vier Detektoren (D₁–D₄), die auf dem Tablett (61) an den vier Ecken eines gedachten Rechtecks angeordnet sind, dessen Seiten parallel zu den Seitenkanten des Tabletts (61) verlaufen, wobei jeder der Detektoren (D₁–D₄) die Ankunft eines Stoßes akustischer Wellen detektiert, die an einer Position des Tabletts (61) durch den Stift (50; 60) eingeleitet wurden; einer Einrichtung (16) zum Bestimmen der Position des Stiftes (50; 60) auf dem Tablett (61) aus den Ankunftszeiten der Stöße bei den Detektoren (D₁– D₄); dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt des gedachten Rechtecks den Ursprung eines gedachten Koordinatensystems mit X- und Y-Achse parallel zu den Seitenkanten des Tabletts (61) bildet, und die Einrichtung zum Bestimmen der Position des Stiftes folgendes aufweist: einen X-Zähler (164) und einen Y-Zähler (165); eine Quadrant-Bestimmungslogik (160), die an die Detektoren (D₁–D₄) gekoppelt ist und die auf die Ankunft eines Stoßes von akustischen Wellen an einem ersten Detektor, der am dichtesten an der Position des Stiftes (50; 60) gelegen ist, anspricht, um ein binäres Wort zu generieren, welches diesen Detektor identifiziert; eine Zähler-Freigabelogik (161), die auf eine Ausgangsgröße aus den Detektoren (D₁–D₄) anspricht, um ein Signal auszusenden, welches den X- und den Y-Zähler (164, 165) nach Ankunft des Stoßes der akustischen Wellen bei dem ersten Detektor einschaltet; wobei die Zähler-Freigabelogik (161) auch dafür ausgebildet ist, um die Identität eines zweiten Detektors (D₁–D₄) zu bestimmen, der am nächstdichtesten an der Position des Stiftes nach dem ersten Detektor gelegen ist, und ferner um ein Signal auszusenden, welches den X-Zähler ausschaltet, wenn der erste und der zweite Detektor auf einer Linie liegen, die parallel zu der X-Achse verläuft, oder den Y-Zähler ausschaltet, wenn der erste und der zweite Detektor auf einer Linie liegen, die parallel zu der Y-Achse verläuft; und um die Identität eines dritten Detektors (D₁–D₄) zu bestimmen, der am nächstdichtesten an der Position des Stiftes nach dem ersten und dem zweiten Detektor gelegen ist, und ferner um ein Signal auszusenden, welches den X-Zähler ausschaltet, wenn der erste und der dritte Detektor auf einer Linie liegen, die parallel zu der X-Achse verläuft, oder den Y-Zähler ausschaltet, wenn der erste und der dritte Detektor auf einer Linie liegen, die parallel zu der Y-Achse verläuft.
Anordnung nach Anspruch 1, bei dem das binäre Wort zwei Bits umfaßt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem lediglich ein einzelnes Bit des binären Wortes sich ändert, wenn der Stift (50; 60) lediglich entweder die x-Achse oder die Y-Achse kreuzt.
Anordnung nach Anspruch 1, bei dem ein Tastverhältnis, welches durch die Dauer der Stöße geteilt durch das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Stößen definiert ist, kleiner ist oder gleich ist ca. 0,025%.
Anordnung nach Anspruch 1, welche ferner vier Stoßdetektionseinheiten (62A–62D) enthält, wobei jede Stoßdetektionseinheit (62A–62D) auf ein Spannungssignal anspricht, welches bei Ankunft des Stoßes bei einem Detektor erzeugt wird und bei dem jede Stoßdetektionseinheit (62A–62D) eine Ausgangsgröße erzeugt, wenn der Spannungspegel des Signals, welches bei Ankunft von einem der Stöße bei dem Detektor erzeugt wird, einen ausgewählten Prozentsatz des Spitzenspannungswertes des Spannungssignals erreicht, welcher Spitzenspannungswert bei Ankunft des unmittelbar vorhergehenden Stoßes bei dem Detektor erzeugt wurde.
Anordnung nach Anspruch 5, bei dem jede der Stoßdetektionseinheiten (62A–62D) folgendes aufweist: eine Spitzenwert-Halteschaltung (122), die mit einem ersten Eingang eines Komparators (125) verbunden ist; und eine Abtast-Halte-Skalierschaltung (123), die an einen zweiten Eingang des Komparators (125) angeschlossen ist.
Anordnung nach Anspruch 6, bei dem die Abtast-Halte-Skalierschaltung (123) eine Abklingzeit aufweist, die größer ist als eine Abklingzeit der Spitzenwert-Halteschaltung (122).
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, bei dem jede der Stoßdetektionseinheiten (62A–62D) ferner ein Tiefpaßfilter (124) aufweist, welches zwischen die Spitzenwert-Halteschaltung (122) und den ersten Eingang des Komparators (125) geschaltet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung (16) zum Bestimmen der Position des Stiftes eine Ein richtung (65, 66) aufweist, um die Differenz zu bestimmen zwischen: (a) dem Abstand zwischen dem Stift und dem ersten Detektor und (b) dem Abstand zwischen dem Stift und dem zweiten Detektor.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Stift (50; 60) ein piezoelektrisches Element (83) zur Erzeugung einer mechanischen Vibration bei einer vorbestimmten Frequenz aufweist.
Anordnung nach Anspruch 10, bei dem das piezoelektrische Element (83) ein Keramikmaterial umfaßt.
Anordnung nach Anspruch 10, bei dem das piezoelektrische Element (83) mit einer abgestimmten Schaltung (92) verbunden ist.
Anordnung nach 12, bei dem die abgestimmte Schaltung (92) mit einem Kipposzillator (93) verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem der Stift (50; 60) eine Batterie aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem der Griffel (50; 60) eine sphärische oder sphäroide Spitze hat.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Tablett (61) Glas aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Dämpfungsmaterial (71) an dem Tablett (61) entlang dem oder zumindest einem Teil des Umfangs desselben angebracht ist, welches Dämpfungsmaterial (71) dazu dient, zu verhindern, daß die akustischen Wellen vom genannten Umfang zurück zum Inneren des Tabletts reflektiert werden.
Anordnung nach Anspruch 17, bei welchem das Dämpfungsmaterial (71) Wolframteilchen umfaßt.
Anordnung nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung (16) zum Bestimmen der Position des Stiftes (50; 60) auf dem Tablett eine Zyklusende-Logik (162) umfaßt, die an die Detektoren (D1–D4) gekoppelt ist und die auf die Ankunft des Stoßes der Akustikwellen an einem vierten Detektor anspricht, wobei der vierte Detektor weiter von der Position des Stiftes entfernt gelegen ist als der erste, der zweite und der dritte Detektor und wobei die Zyklusende-Logik (162) dafür ausgebildet ist, um ein Signal zum Rückstellen des X- und des Y-Zählers (164, 165) auszusenden.