DE2109428B2

DE2109428B2 - Vorrichtung zur darstellung digitaler werte

Info

Publication number: DE2109428B2
Application number: DE19712109428
Authority: DE
Inventors: Gary B Cupertino Calif Gordon (V St A )
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1970-03-04
Filing date: 1971-02-27
Publication date: 1972-04-06
Also published as: GB1347999A; FR2084188A5; GB1348000A; JPS4944912B1; DE2109428A1; US3638001A; CA948778A

Description

Es sind verschiedene Formen von V01 richtungen zui Darstellung von Meßergebnissen, beispielsweise vor Spannungspegeln, Frequenzen u.dgl. bekannt; einer seits handelt es sich um analoge Darstellungen, bei spielsweise durch Zeigerinstrumente, und andererseit; um digitale Darstellungen, beispielsweise durch unter teilte Bildröhren. Die digitale Darstellung erforder eine viel höhere Auflösung als bei Zeigerinstrumenten das Zeigerelement kann eine Genauigkeit von einen Prozent ergeben, wogegen digitale Ablesungen au wesentlich mehr Dezimalstellen genau vorecnommei werden können. Darüber hinaus ist d'c <l nie Dar stellung frei von Parallaxe und arideren Ab sefehleni die bei einigen analogen Darstellurtgsartcfl anzutreffei sind.

Wenn eine digitale Darstellung von Werten auf ein Anzahl von Dezimalstellen zur verbesserten Auflöstm vorgenommen wird, führt eine schnelle Schwankttn in den Daten zu einem Zittern in den letzten Anzeigt röhren in der Reihe und macht die Ablesung diese letzten Stellen schwierig. Andererseits mittelt die Träj lieit des Mechanismus der Zeigerinstrumente dies Schwankungen aus.

Beispielsweise können bei der digitalen Darstellun

yon Laser-Tnterferometern Ablesungen bis auf die Pie Auflösung der digitalen Werte soll aueh wesentlich

"lO-^e Stelle oder bis auf 10~^δ · 25,4 mm vorgenommen während des Vorganges der Durchschnittsbildung

werden, wobei die fünfte Bildröhre die Stelle hinter durch ein Verfahren verbessert werden, bei dem über

dem Komma darstellt. Jede Stelle in dieser letzten eine große Anzahl getrennter, quantisierter digitaler

Bildröhre stellt eine Längenänderung von 254· 10-" 5 Eingangssignale eine Interpolation zwischen den Ein-

dar, die noch von dem Interferometer gemessen wird, gangswerten möglich ist.

Pie vorhergehende Bildröhre in der Reihe stellt eine ' Darüber hinaus soll eine Glättung bzw, Herab-Längenänderung von 254 · 10~^δ mm dar. Wegen der Setzung des Zitterns und eine Verbesserung der AuF-hei diesen beiden letzten Bildröhren erforderlichen lösung der Tnterferometerdarstellungen erreicht werhohen Auflösung ergibt sich häufig ein beträchtlicher ία den, wobei sowohl die vorgenannte bevorzugte Technik Betrag an Zittern bzw, Bildbewegung, insbesondere in als auch ein anderes Verfahren und eine Vorrichtung der 10~⁵-SpaIte, Beispielsweise führen Schwingungen zur Durchschnittsbildung verwendet werden. Ausim Tnterferometer-Meßweg durch vorbeifahrende Last- gehend von einer Vorrichtung zur Darstellung digitaler wagen, zuschlagende Türen oder benachbarte Mo- Werte, mit einer Eingangseinrichtung für Eingangstoren zu Schwankungen in der gemessenen Länge, die ig signale von umkehrbaren Zählern zur Abgabe einer wiederum zu einer schnellen Änderung zwischen ver- Reihe aufeinanderfolgender veränderlicher digitaler schiedenen Ziffern in der letzten Bildröhre und manch- Eingangssignale, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mal auch zwischen den Ziffern in der Bildröhre für dadurch gelöst, daß eine Soeichereinrichtung zur 254 · 10 ⁵ mm führen. In ähnlicher Weise kann Luft- Speicherung eines durchschna'lichen digitalen Wertes strömung eine kleine Änderung in de. auftretenden 20 vorgesehen ist, der von jedem der digitalen Eingangs-Entfernung vortäuschen und ein Flattern des Bildes signale abgeleitet ist, ein Rechenwerk jeden neuen hervorrufen. Da sich die Darstellung mehrere hundert digitalen Eingangswert mit dem gerade eingespeicherten Male in der Sekunde ändern kann, führt das Auftreten D'gitalwert des Speichers kombiniert und einen neuen verschiedener dargestellter Werte zu verschiedenen Durchschnitts-Digitalwert für den Speicher nach der Zahlen, die gleichzeitig in der letzten Bildröhre auf- 25 Beziehung ND = PD + k(NM — PD) erstellt, wobei treten und schnell veränderlich sind, so daß sie die JVD der neue Durchschnitts-Digitalwert ist, PD der Ablesung des tatsächlichen Wertes oder des Durch- vorhandene Durchschnitts-Digitalwert, NM der neue schnittes der dargestellten Werte schwierig macht. Eingangsdigitalwert und k ausgewählter Faktor >1

Manchmal ist es erstrebenswert, diese Schwankung ist, und die Vorrichtung zur digitalen Darstellung mit

zu beobachten, aber oft wäre es vorteilhaft, durch diese 30 einem Speicher zur Darstellung einer Menge verbunden

hindurchsehen zu können. Ein Beispiel bildet die ist, die dem neuen Durchschnitts-Digitalwert im Spei-

Messung der Auslenkung eines Fräsers, wenn dieser eher entspricht. Die bevorzugte Glättungs- oder Mittel-

durch Auflegen des Werkstückes belastet wird. Diese wert-Bildungstechnik besteht darin, daß die Differenz

Auslenkung ist klein und wird gewöhnlich verdeckt zwischen einem neuen digitalen eintreffenden Wert und

durch die wesentlich größere Amplitude der Stör- 35 dem letzten dargestellten Digitalwert gebildet wird,

schwingungen. ein bestimmter vorgewählter Prozentsatz, dieser Diffe-

Interft/ometer haben in der Regel ein Auflösungs- renz genommen wird und dieser neue berechnete Wert

vermögen von etwa 91.44· 10" mm bis 304,8· 10 'mm, zudem Wert des zuletzt dargestellten digitalen Wertes

die zu Grundgenauigkeiten von mehr als 1 : 10° zu hinzuaddiert wird, um einen neuen Durchschnitls-

addieren sind. Daher sind Interferometer bei Entfer- 40 wert zu bilden, der den digitalen Bildröhren zugeführt

nungen von 90 bis 300 mm bezüglich des Auflösungs- wird.

Vermögens beschränkt. Viele wichtige Anwendungen Anstatt daher schnell zwischen der letzten Bildröhre der Entfernungsmessung in dieser Größenordnung und dem neuen Wert bei jeder Ablesung umzuschalten, und darunter, beispielsweise bei Kameras für die wird die neue Darstellung in einem viel schnelleren Maskenherstellung integrierter Schaltkreise, Mikro- 45 Inkrenient zu dem neuen eintreffenden Wert hin beskopaufbauten. wurden von einem größeren Auflö- wegt. Der Prozentsatz wird klein, beispielsweise auf sungsvermögen Nutzen ziehen. Einfache Methoden ein Prozent gehalten, um die Unterdrückung unerzur Mittelwertbildung und Herabsetzung des Zitterns wünschter Schwankungen zu erreichen, die sonst in der und/oder /um Erreichen eines besseren Auflösungsver- digitalen Darstellung auftreten würden,
mögens, beispielsweise durch Verlängern der Gatter- 5° Wenn der neu eintreffende Wert sich in einem wescntbasis7cit in einem Frequenzzähler oder durch Fin- lieh größeren Maß ändert als die ungewünschte Schwanschalten eines Tiefpasses in den Ausgang eines Voll- kung. wird ctie Mittelwertbildung überspielt und der meters mit einem Reaktanzkreis, sind bei Intcrfero- neu eintreffende Wert direkt dargestellt,
metern nicht verwendbar. Die Interferometer messen Die Auflösung digitaler Werte erhöht sich, wenn die Änderung in der I ntfcrming und nicht die absolute 55 man die D".rchschnittsbildung über eine groiJe Zahl Entfernung. Die vorliegende Fnlfernungsinformation getrennter, quantisierter eintreffender Werte erstreckt, wird als das Integral vergangener Eingangsdaten unter wodurch die Interpolation zwischen digitalen Werten Berücksichtigung des Ausgangswertes, der Integrations- möglich ist. Bei de? Interferometrie hai dies den Vorzeitkonstanlen. gewonnen. Daher kann die Durch- teil, das Auflösungsvermögen über den Grund-Ringschnittsbildung nicht während des Zählprozesses er- 60 abstand hinaus zu erstrecken, ohne zu besonderen folgen, sondern muß danach vorgenommen werden. Phasen-Interpolationstechniken gezwungen zu sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Obwohl die Erfindung in Verbindung mit einem

Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, wodurch Zwei-Frequcnz-lnterferometersystem beschrieben wird,

der Atiflösungsvorteil einer digitalen Darstellung ver- versteht es sich, daß die Erfindung auch auf einzelne bundcn wird mit dem Tiefpaßfilter"Vorteil einer ana- 65 Frequenz-Interferometersysteme sowie auch auf andere

logen Zeigerdarstellimg. Dabei sollen die Schwankim- Systeme mit digitalen Darstellungen, beispielsweise

gen einer digitalen Anzeige eliminiert und die Ablesung elektronische Zähler oder digitale Voltmeter, ange-

des Durchschnitts kontinuierlich dargestellt werden. wendet werden kann.

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Auch kann das Zittern des Interferometerbildes Längenänderung stattfindet, ist /j = /, = 2 ΜΗί₍ ^ä herabgesetzt und das Auflösungsvermögen verbessert während f_c über oder unter 2 MHz Verändert wird, werden, indem eine ausgewählte Anzahl von // auf- wenn die gemessenen Längen zunehmen oder abⁱ I einanderfolgenden Interferometermessungen vofge- nehmen. Beispielsweise ändert sich /< < lim 1 FIz; für ] nommen wird, vorzugsweise eine Potenz von Zehn, 5 jeden Ring oder eine Viertelweileniänge der Lidtit- ! diese Ablesungen dann digital iii einem Speicher änderung in dem gemessenen Abstand pro Seküridei · aufsummiert werden und die Summe durch /; geteilt Die zwei Frequenzen /_c und /V werden aii einen ■ wr.l indem vorzugsweise das Komma verschoben reversiblen Zähler 12 übertragen, der bei der einen writ l),i(iiirJi wird hei |cwcils /; Messungen ein neuer Frequenz vorwärts zählt und bei der anderen Frequenz Hililweri erhalten und nicht nach jeder einzelnen io rückwärts zählt, wobei am Ausgang des Zählers ein Medium In der IS A. -Patentanmeldung 557 167 mit Signal für den überquerten Abstand erscheint. Der dem iitel Λ erfahren und Vorrichtung zur Verbesse- Ausgang des Zählers 12 wird einem Tischrechner oder nmt! des Sigi alrausdnerhältnisses«. eingereicht von Computer 13 zugeführt, wo das dt.n Abstand in Charles R. I r ι in b I e .im 13. Juni 1966 und über- Viertelwellen angebende Ausgangssignal des Zählars in traiien auf die Anmelderin, ist eine Technik angege- 15 Zoll oder Millimeter umgewandelt wird oder auch die hen. um den Durchschnitt eines analogen Signals Geschwindigkeit det Längenänderung in Zoll oder derart /11 ermitteln, daß das Rauschen von dem auf Millimeter pro Sekunde angezeigt wird. Diese beeinem Oszillographen dargestellten Signal entfernt rechneten Werte werden dann einer digitalen Anzeigewerden kann. Dieses frühere System zur Durchschnitts- vorrichtung 14 zugeführt, wo die Werte auf einer bildung von Signalen verarbeitet ein analoges Signal 20 Reihe von Bildröhren zur Beobachtung durch eine und verwendet die Binärtechnik; das analoge Signal Betriebsperson dargestellt werden,
wird in mehrere Kanäle eingeteilt, und der Mittelwert Die Vorderplatte eines typischen Interferometers jedes Kanals wird getrennt ermittelt. Das Eingangs- nach der Erfinuung ist in F i g. 2 dargestellt. Zehn signal ist entweder konstant oder ändert sich sehr lang- Bildröhren 15 vv;rden verwendet, wobei die erste sam. und der Prozentsatz, zu dem das alte Signal zu 25 Bildröhreauf der linken Seite das Vorzeichen -oder
dem neuen Meßwert konvergiert, ist eine Variable, die anzeigt, das beliebig gewählt werden kann, um die ein nahezu gleiches Bewerten aller vorher gemessenen Bewegungsrichtung des gemessenen Objektes zu be-Daienpunkte gestattet. Bei der vorliegenden Erfindung zeichnen. Ein Schalter 16 wählt die besandere darzuist das Signal, dessen Durchschnittswert gebildet wer- stellende Längeneinheit, d. h. die Länge in Zoll, MiIIiden soll, digital, und zwar dezimal statt binär, die 30 meter oder Viertellängen des Lichtes. Dargestellt sind Eingangspegel sind quantisiert und nicht kontinuier- +37,56284"(I Zoll -- 25,4 mm). Vier Druckknöpfe 17 lieh, das Eingangssignal tritt in einem Kanal und nicht sind vorgesehen, um die gewünschte Betriebsart aus mehr in mehreren Kanälen auf. und derauf den neueren »Normalbetrieb«. »Glättungssignalbetrieb«, »Zehner-Stand gebrachte Anteil des Signals ist eine vorgewählte multiplikation« und »Geschwindigkeitsdarstellung« zu Konstante, so daß die jüngsten Daten am schwersten 35 wählen.

bewertet werden. Zusätzlich wird in der Erfindung Die digitale Darstellung wird beim Normalbetrieb eine statistische Mittelwertbindung verwendet, um bis auf die fünfte Dezimale. 10 ⁵ Zoll (oder 10 * mm) in dem dargesiellten Signal beim Vorhandensein ausgeführt, wobei jede Stelle in der letzten Anzeigequantisierter Eingänge eine wesentlich größere Auf- röhre eine Längenänderung von 25.4-10 ^s mm dar-Iösune zu erreichen. 40 stellt. Der Ausgang des Interferometers ist in der Auf-Bevorzugte Aiisführungsbeispiele der Erfindung wer- lösung begrenzt auf einen Ring oder ungefähr den im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert; 152-10 'mm, und die berechnete Länge wird auf es stellt dar die nächsten 25.4-10 ⁵ mm zur Darstellung in der

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines interferometer- letzten Bildröhre aufgerundet. Im »κ 10«-Betrieb

systems, bei dem die Erfindung verwendet wird. 45 werden die Stellen einschließlich des Dezimalpunktes

F 1 g. 2 einen Teil der Schaufläche eines Interfere)- alle um eine Bildröhre nach links weitergeschaltet,

metersystems nach der Erfindung. und die letzte Bildröhre auf der rechten. Seite wird dann

F 1 g. 3 ein Blockdiagramm eines Algorithmus zur verwendet, um Änderungen von 1 μ Zoll (oder 10~⁵mm) Ausführung der digitalen Glättungstechnik der Erfin- darzustellen. Auch wird eine neue Technik der Durchdung. 50 schnittsbildung verwendet, um die Auflösung des Inter-

F i g. 4 ein Blockdiagramm eines anderen Algorith- ferometers von etwa 152 · 10~⁶ mm auf wenigstens

mus zur Ausführung der angestrebten Glättung, 25.4 · 10~^s mm zu steigern. Die Auflösung der darge-

F i g. 5a. 5b und 5c den Faltungsvorgang bei der stellten Messung, deren Durchschnittswert ermittelt

Glättung der digitalen Darstellung. wurde, ist daher um einen Faktor von wenigstens 6

F i g. 6 ein Rechnersystem zur Ausführung des 55 gegenüber der Auflösung einer Messung verbessert,

Glättungsalgorithmus nach F i g. 4. deren Durchschnittswert nicht gebildet wurde. Auch

F i g. 7 ein anderes Rechnersystem zur Ausführung wird eine Glättung im » χ 10«-Betrieb erreicht, und

der Durchschnittsbildung für ein Interferometer. zwar unabhängig von der Erweiterung des Auflösunss-

In F i g. 1 ist ein auf zwei Frequenzen arbeitendes \'ermögens in dem obenerwähnten Glättungsbelrieb.

Wechselstrom-Laser-Interferometersystem dargestellt, 60 Die die Durchschnittsbildung durchführende Schal-

wie es in dem USA.-Patent 3 458 259 beschrieben ist. tung zur Erweiterung des Auflösungsvermögens und

Der Ausgang des Laser-Interferometers 11 gibt ein Glättimg kann unterschiedlich aufgebaut sein, und der

Paar Radiofrequenzsignale ab. und zwar eine Referenz- Algorithmus von zwei derartigen Schaltkreisen ist in

Tequcnz /_r und eine Vergleichs- oder Meßfrequenz /_f. F i g. 3 und 4 dargestellt. Gemäß F i g. 3 erfolgt die

Die Referenzfrequenz /_r ist eine konstante Frequenz 6g Berechnung nach dem Schema
/on etwa 2 MHz, und die Vergleichsfrequenz/_c
;chwankt nach Maßgabe der Längenänderung, die

lurch das Interferometer gemessen wird. Wenn keine ND = (1 — k) PD + h NM,

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wobei bedeutet

ND der fteUd Mdwert,
PD der gegenwärtige' Bildwert,
NM der neue Meßwert und

k ein ausgewählter Faktor, beispielsweise O₄Ol öder OjOÜL

Vorausgesetzt, daß k 0.01 ist. dann beträgt
ND - 0.99 PD ! 0.01 NM.

Anstatt daher die neue Messung für die nächste Darstellung zu verwerten, wird der Wert von einem Prozent der neuen Messung herausgenommen und zu dem Wert von 99 Prozen t des alten bzw. gegenwärtigen Bildwertes hinzugefügt, so daß der neue, darzustellende Wert erhalten wird. Statt der Darstellung der vollen Änderung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ablesungen bewegt sich der neue Bi ldwert von dem gegenwärtigen Bildwert zu dem neu gemessenen Wert durch einen vorgewählten Faktor. Dies führt zu einer Durchschnittsbildung oder Glättung des dargestellten Signals und vermeidet schnelle Änderungen in dem dargestellten Signal. Falls sich die folgenden neuen Messungen nicht im Wert ändern, nähert sich der neue Bildwert exponentiell dem gemessenen Wert.

Der Algorithmus für einen anderen Glältungskreis ist in F i g. 4 dargestellt und folgt folgendem Schema:

ND- PD '- k (NM - PD)

Wenn k ein Prozent beträgt, so wird der neue Bildwert bestimmt, indem der neue Meßwtrt von dem gegenwärtigen Bildwert abgezogen wird, ein Prozent dieser Differenz gebildet wird und das Ergebnis zu dem gegenwärtigen Bildwert hinzugefügt wird.

Diese Systeme bilden daher ein digitales Tiefpaßfilter der digitalen Daten, das der Trägheit der Bewegung eines Zeigerinstrumentes einer analogen Darstellung entspricht. Diese digitale Tiefpaßfilterung kann »bruchteilweise Erneuerung« einer Darstellung genannt werden: die alte Darstellung konvergiert dabei nur um einen kleinen Prozentsatz der Tendenz der neuen Messung.

Der Filtereffekt kann mit Bezug auf F i g. 5 (a), (b) und (c) analysiert werden, wobei F i g. 5 (a) ein Diagramm der Daten als eine Abtastfunktion darstellt, die die Summe der gewünschten niederfrequenten Komponente und einer ungewünschten hochfrequenten Störkomponente enthält. Die digitale Glättung bedeutet eine gewichtete Durchschnittsbildung dieser Dätenpunkte, die einer mathematischen Faltungsöperation entspricht, wobei die Abfallzeitkonstante von F i g. 5b gefaltet oder durch die Datenpunkte von Fig. 5a »hindurchgeschoben« wird. Diese Faltung im Zeitbereich ergibt gemittelte oder geglättete Datenpunkte gemäß F i g. 5 c, wobei nur die niederfrequenten Komponenten übrigbleiben.

Bei der Verwendung dieser Glättungstechnik in einem Laser-Inter ferömeter wurde für den Faktor k ein Prozent gewählt, da dies eine optimale Durchichnittsbildung in einer annehmbar kurzen Zeit ergab. Es wird angestrebt, den Durchschnitt entsprechend lange zu bilden, um Schwankungen im Bereich von 5 bis 100 Hz bei einer Bewegung von 1 Hz noch ausscheiden zu können. Die Messungen wurden bei wenigstens doppelter Maximalfrequenz, bei 200 Hz ausgeführt, um syilchforte Abtastpröbleme' zu vermeiddn. Es ist w'üii sehenswert, daß die Ablesung nicht träge¹ erfolgt line daß die Bedienungsperson" die Änderung der Mess lint für eine Sekunde nach der Längenänderung' stabilisier in dein digitalen Bild sieht.

Falls die ölättüng nicht erwünscht ist_s beispielsweise Wenn die gemessene Länge einem stetigen Weciise unterworfen ist. so daß die" digitale' Äftzeige schnell zu nimmt oder abnimmt, wird der Faktor k zu 1 ge macht, und der neue Biklwert ist dann gleich den' neuen gemessenen Wert: es erfolgt also keine Mittelwertbildung. Der Faktor k kann durch einen vor Hand bedienbaren Schalter im Computerschaltpuli auf 1 gestellt werden, oder der Faktor kann automa·

iS tisch bei der Entdeckung einer schnellen Änderung ir der Messung betätigt werden. Beispielsweise wird k automatisch /u 1 gemacht, falls im Interferometei die Bildröhre für 25.4 · IO ¹ mm s'ch zweimal in einem kurzen Zeitintervall ändert. Dieses Merkmal gestatte!

es auch, daß die Darstellung sich selbst sofort auf der neuen Wert bringt, wenn ein Eingangssignal zum erstenmal zugeführt wird.

In F i g. (· ist ein Blockdiagramm eines Rechnersystems dargestellt, das zusammen mit einem reversiblen /ählereingang und einem digitalen Bildausgang verwendet werden kann, um den Algorithmus nach F i g. 4 auszuführen. Alle Additions- und Subtraktionsvorgänge können vorgenommen werden, indem ein Paar Schieberegister, und zwar ein .Y-Register 21 und ein /-Register 22. eine mit dem Ausgang des ^-Registers 21 verbundene Neuner-Komplementschaltung 23 und eine mit dem Λ-Regisler 21 und der Komplementschaltung durch einen elektronischen Schalter 25 verbundene Addierschaltung 24 verwendet werden.

Wenn die Addition von Beträgen im Λ'-Register und y-Register gewünscht wird, wird die Addierschaltung 24 direkt durch das Gatter 25 mit dem Λ'-Register 21 verbunden. Bei der Subtraktion von X und Y wird die Addierschaltung 24 durch das Gatter 25 mit der Komplementschaltung in bekannter Weise verbunden.

Der Ausgang der Addierschaltung 24 kann mit dem

Eingang des Bild-Schieberegisters 26 durch ein Gatter 27 derart verbunden werden, daß der berechnete Wert in Reihendarstellung in das Register 26 in einer binär kodierten Dezimalform (BCD) eingegeben wird. Nachdem der Computerwert in Reihe in das Register 26 eingebracht wurde, .vird dieser Wert parallel in eine Pufferspeicherschaltung 28 eingegeben, die wiederum eine Antriebsstufe 29 für die Bildröhre und die einzeinen Bildröhren 31 speist.

Die drei Schieberegister 21, 22 und 26 empfangen ihre Schiebeimpulse von der Zeitgeberschaltung 32. Während des Glättungsbetriebes erreicht die Steuerschaltung 34 mittels des Schiebevorganges die Teilung des Inhalts des X-Registers durch 100 oder 1000.

Der Eingang des Z-Registers 21 kann mit dem Ausgang des reversiblen Zählers 12 oder dem Ausgang der Addierschaltung 24 nach Maßgabe der Stellung der Gatter 35 und 27 verbunden werden. Der Eingang des 7-Register5 22 kann durch das Gatter 36 entweder mit dem Ausgang des Bildregisters 26 oder mit seinem eigenen Ausgang verbunden werden.

Der Betrieb dieses Systems läßt sich gemäß den im Serienbetrieb von Register zu Register verschobenen Stellen beschreiben, aber es versteht sich, daß auch eine parallele Übertragung verwendet werden kann.

Es wird vorausgesetzt, daß die in den Bildröhren 31 vorhandene Ablesung auch in dem Bildspeicher 26

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ίο

vorhanden ist und die neu eintreffende Information, in «äerH ,^Register 21 gespeichert ist. Die neue Messung Wird Von der Zählschaltung über den unteren Weg des Gatters 35 in das Register 21 übertragen. Die alte Information ift dem Düdregistef 26 wird jetzt nach MaB^ gäbe der Schiebeimpulse vom Zeitgeber 32 im Reihenbetrieb ift das ^-Register 22 durch den unteren Weg des Gatters 26 geschoben.

Die erste Berechnung besteht darin, daß der alte bzw. existierende Wert im K-Register 22 von dem neuen Wert in dem ^-Register 21 abgezogen wird. Dies erfolgt, indem der Wert des ,V-Registers durch die Komplementschaltung 23 in die Addiervorrichtung 24 eingegeben wird, wo er zu dem Wert vom !'-Register 22 hinzuaddiert wird. Das Ergebnis kann einen zweiten Durchgang durch die Komplementschaltung erforderlich machen: dies hängt von dem Ergebnis der ersten Subtraktion ab. Der Ausgang des ^-Registers wird am Gatter 37 während dieses zweiten Durchganges unterbrochen.

Der Unterschied zwischen dem neuen Meßwert und der alten bzw. existierenden Ablesung wird jetzt im Jf-Register 21 gespeichert. Dieser Unterschied wird durch 100 geteilt, indem die Stellen in dem Λ'-Reglster tim zwei Stellen nach rechts nach Maßgabe der Schiebeimpulse vom Zeitgeber 32 geschoben werden.

Zu diesem Zeitpunkt werden die Stellen vom Y-Register 22 an die Addierschaltung 24 übertragen, und sie werden auch über den oberen Weg des Gatters 26 zurückgeführt, se laß die existente digitale Ablesung wieder in dem /-Register 22 gespeichert wird.

Dann werden die Werte in den beiden Registern X und Y in die Addierschaltung 24 geschoben, wo sie addiert werden, und das neue Ergebnis wird in das Bildregister 26 eingegeben und bildet den nächsten in den Bildröhren darzustellenden Wert.

Wenn die gemessene Länge sich tatsächlich ändert, ist es nicht erstrebenswert, die Durchschnittsbildung durchzuführen, da sich die Zahlen schnell in der einen oder der anderen Richtung ändern und die Durchschnittsbildung für den Betrachter nicht von Vorteil wäre. Obwohl es viele Arten gibt, um die Durchschnittsbildung während der Änderung der Längenmessungen zu unterbinden, ist eine dieser Techniken in F i g. 6 dargestellt.

Die Regelschaltung 34 ist mit dem Eingang der dritten Bildröhre von rechts verbunden, die im Zollmeßbetrieb während der Glättung die 10"³-Zol!spalte bildet. Wenn in der Ablesung dieser Röhre innerhalb eines kurzen Zeitintervalls, beispielsweise innerhalb einer Hundertstelsekunde, zwei Änderungen auftreten, so beeinflußt die Regelschaltung 34 den Zeitgeber 32, um zu verhindern, daß die beiden Schiebeimpulse, welche die Division durch 100 (bzw. die Multiplikation mit 0,01) bewirken, an das Z-Register weitergegeben werden. Daher wird der Algorithmus zur Durchschnittsbildung nicht während der Zeitspanne durchgeführt, in welcher die Regelschaltung 34 eine schnelle Änderung in der 10-⁴-Bildröhre feststellt, obgleich der Rechner in F i g. 6 weiterhin die neuen Meßwerte an das Bildregister 26 weitergibt, als wenn die Division ausgeführt worden wäre. Es wird also der tatsächliche Meßwert an Stelle des Durchschnittswertes dargestellt.

Dies ist nur eine der Methoden und eine der Vorrichtungen, die Gleichung

ND = PD + k (NM - PD)
ausrechnen zu können.

Der Algorithmus nach F i g. 4 kann in ähnlicher Weise durch eine bekannte Rechentechnik ausgeführt Werden. Andere Algorithmen können ebenfalls ver^ Wendet werden, um die Glättung oder Durchschnitts^ S bildung zu bewirken. Obgleich das dargestellte Systefn digitaler Natur ist, könnte es auch speziell binärer Natur seih,

Diese Glättungstechnik erlaubt es auch, daß die digitale Ablesung des interferometers im Auflösungs^

ίο vermögen beträchtlich gesteigert werden kann, indem durch die Durchschnittsbildung zwischen den Ringen interpoliert wird. Wie oben angegeben wurde, beträgt die Basts-Auflösungseinheit des Interferometers einen Ring oder etwa 152-10 ^β mm, wobei jeder gan?- zahlige Ausgang ei.ie Stufe oder ein Quantum von et ft·a 152 · 10 ^β mm beträgt, und die Daten werden derart abgeleitet, daß ein Eingangssignal /wischen 152 · 10 * mm-Stufen manchmal die niedrigere Ablesung und manchmal die höhere Ablesung ergibt und das Verhältnis beider Ablesungen dem Verhältnis de·» Unterschieds zwischen dem Pegel der unteren Stufe und dem Eingangssignal zu dem Unterschied zwischen dem Eingangssignal und dem oberen Pegel proportional ist. Indem eine große Anzahl von Ablesungen der Basiseinheit vorgenommen wird und diese Ablesungen ausgemittelt werden, ergibt sich ein neuer, besser aufgelöster Durchschnittswert. Wenn beispielsweise bei 1000 Ablesungen 100 den Wert Null ergeben und die anderen 900 den Wert 152- 10 ⁸ mm (6· 10 ⁶ Zoll) ergeben, würde eine statistische Mittelwertbildung zu einem Durchschnittswert von 90 Prozent von 152 · 10 ^β mm (6 · 10 ^e") bzw. zu 137.16 · 10 ^β mm (5,40 · 10 ⁶ Zoll) führen. Obwohl also die kleinste Meßeinheit 152 -10 · mm (6 · 10'⁶ Zoll im Zollmeßbetrieb) beträgt, kann der Meßwert bis auf Zehntel von 10 ⁶ Zoll oder mehr durch die im Computer ausgeführten arithmetischen Schritte aufgelöst werden. Indessen sind nicht alle neuen Stellen der Auflösung bedeutungsvoll. Die übliche Fehlerabweichung MH mit der Quadratwurzel der Anzahl der ermittelten Durchschnittswerte ab. Die »5 Komma« in diesem Beispiel ist richtig, die »Komma 4« hat noch einigen Wert, und die »0,00« ist wertlos.

Um eine Erweiterung der Auflösung zu erreichen, ist eine größere Anzahl von Ablesungen wünschenswert, und der Faktor k in dem oben angegebenen Algorithmus beträgt 0,001 anstatt 0,01. Dies führt zur Mittelwertbildung über ein geringfügig größeres Zeitintervall wegen der größeren Anzahl von Ablesungen, die insgesamt zur Mittelwertbildung herangezogen werden, und führt zu einer größeren Auflösung. Es sei angemerkt, daß k zu 0,001 gemacht werden kann, indem die Zahl in dem Jf-Register 21 um drei Stellen an Stelle von zwei Stellen während der Divisionsstufe des Algorithmus verschoben wird.

Da das Auflösungsvermögen auf 25,4-10~^emm erweitert wird, werden die angezeigten Stellen um eine Bildröhre nach links verschoben, so daß beispielsweise die zusätzliche Stelle »5« in dem gegebenen Beispiel in der rechten Bildröhre dargestellt werden kann, welche normalerweise die 1Q~⁷-Zoll-Stelle anzeigt.

Ein anderes Verfahren zur Herabsetzung des Zittems und zur Verbesserung des Auflösungsvermögens der digitalen Darstellung eines Lascr-Interferometers ist in F i g. 7 dargestellt. Hier werden η aufeinanderfolgende Abstandsmessuugen (beispielsweise η = 100) von dem reversiblen Zähler 12 nacheinander in das Schieberegister 41 über das Gattemetzwerk 42

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liäCh Maßgabe der Steuerbefehle der Übertragutigsitetiefung 43 von dem «-Zähler und der Steuerschaltung 44 übertragen. Jeder neue Wert im Schieberegister 41 wird dann in der Additionsschaltung 45 zu dem Inhalt des Speicherregisters 46 addiert. Die Summe «rsetzt dann den vorherigen Inhalt des Speicherregisters 46. Wenn, durch die Steuerung 44 vorbestimmt, ti Additionen vorgenommen worden sind, wird die im Speicherregister 46 enthaltene Summe in den Pufferspeichef 24 der digitalen Bildvorrichtung übertragen.

Die Teilung der Summe durch n erfolgt einfach, indem // zu einer Zehnerpotenz umgebildet wird und der Dezimalp'unkt in der Darstellung entsprechend Verschoben wird. Nach der Übertragung an die Bild-Vorrichtung wird das Speicherregister 46 zurückgestellt und der Zyklus wiederholt. Daher ist eine neue Darstellung nur nach jeweils η Zyklen möglich.

Es sind verschiedene Abwandlungen möglich, die denselben Algorithmus:

lösen. Natürlich kann auch eine »Ring/Millimeter«- Transformation zwischen das Zählen und die Mittelwertbildung oder die Mittelwertbildung und die Darstellvorgänge eingeschaltet Werden.
Wenn sich die gemessenen Längen schnei! ändern, wird die Mittelwertbildung unterbunden, wie in Verbindung mit F i g. 6 beschrieben wurde, indem der Eingang zur 10~³-Bildröhre abgetastet wird, um schnelle Änderungen in der Geschwindigkeit zu erfassen und η im Zähler 44 auf die Einheit umzustellen.

ίο LJm eilte Erweiterung des Auflösungsvermögens durch die beschriebene Durchschnittsbitdung zu erreichen, muß eine zufällige Ungewißheit Von wenigstens einem Quantum Zittern im Interferometer vorhanden sein. Dies ergibt sich ohnehin in dem beschriebenen Interferometer; falls dieses Zittern in anderen Systemen nicht vorhanden ist, müßte es künstlich überlagert werden.

Es sei angemerkt, daß der Algorithmus von F i g. 3, d. h. ND = (l-/c) PD + k NM wieder als Algorithmus ND = PD + k {NM — PD) nach F i g, 4 geschrieben werden kann. Wenn der zuletzt genannte Algorithmus in den Ansprüchen verwendet wird, so ist auch der vorher genannte Algorithmus sowie jede dazu äquivalente Form mit eingeschlossen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zur Darstellung digitaler Werte mit einer Eingangseinrichtung für Eingangssignale von reversiblen Zählern zur Abgabe einer Reihe aufeinanderfolgender, veränderlicher digitaler Emgangssignale, dadurch gekennzeichnet, daß eine Speichereinrichtung (21) zur Speicherung eines durchschnittlichen digitalen Wertes vorgesehen ist, der von jedem der digitalen Eingangssignale abgeleitet ist, ein Rechenwerk (22 bis 25 und 35 bis 37) jeden neuen digitalen Eingangswert mit dem gerade eingespeicherten Digitalwert des Speichers kombiniert und einen neuen Durchschnittsdigitalwert für den Speicher nach der Beziehung ND ■ PD r A (NM - PD) erstellt, wobei ND der neue Durchschnittsdigitalwert ist, FD der vorhandene Durchschnittsdigitalwert. NM der neue Eingangsdigitahvert und A ein ausgewählter Faktor kleiner als 1 ist und die Vorrichtung zur digitalen Darstellung (26 bis 31) mit dem Speicher (21) zur Darstellung einer Menge verbunden ist. die dem neuen Durchschnittsdigitalwert im Speieher entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 für aufeinanderfolgend auftretende Digitaleingangssignale mit begrenztem Auflösungsvermögen, dadurch gekennzeichnet, daß ein statistisches Signal mit wenigsten·· einem Quantum überlagert ist und der Rechner den neuen Durchschnittsdigitalwert auf wenigstens eine Dezimalstelle mehr als die aufeinanderfolgend auftretenden Digitaleingänge berechnet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser-Interferometer (Il bis 13 in Fig. 1) vorgesehen ist. das eine Reihe aufeinanderfolgender Digitalausgangssignale abgibt, die Entfernungswerte darstellen, und durch eine Vorrichtung, die digitale Ausgangssignale mit der Eingangsvorrichtung verbindet und dabei die Durchschnittswerte der digitalen Ausgangssignale des Laser-Interferometers gebildet werden.

4. Vorrichtung mit einem Laser-Interferometer uiul einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Reihe nacheinander auftretender, digitaler Positionssignale, die mit einem Zufallssignal von wenigstens einer Einheit behaftet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Speichervorrichtung (46) zur Speicherung der Summe der nacheinander auftretenden, digitalen Positionssignale. ein Zähler (44) zum Zählen einer ausgewählten Anzahl nacheinander auftretender, digitaler Positionssignale und ein Rechner (41 und 45) 7um Ermitteln einer Durchschnittsdigitalanzeige vorgesehen sind, der Rechner ein Addierwerk (45) zum Addieren jedes neuen digitalen Positionssignals zu der Summe der bereits im Speicher (46) eingespeicherten Signale und zum Ersatz dieser Summe durch die neue Summe auf" weist, der Rechner ein Dividienvcrk zur Division der Summe durch // nach der Sunnmierung von η digitalen Positionssignalen aufweist und die Glen cluing realisiert wird:

65 wobei NP der berechnete Durchschnittswert aus /1 digitalen Positionssignalen, und NM ein einzelnes digitales Positionssignal ist, die Vorrichtung auch eine digitale Bildvorrichtung (28 bis 31) aufweist, die mit dem Speicher (46) zur Darstellung einer Menge verbunden ist, die der durchschnittlichen digitalen Positionsanzeige entspricht (v^l, F i g, 4 und 7).

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner ein erstes digitales Register (22 in F i g, 6 oder i\ in F i g. 7) zur Speicherung eines digitalen Wertes und einer Addier-Subtrahierschaltung (24 in F i g. δ oder 45 in F i g. 7) aufweist und der Speicher ein zweites digitales Register (21 in F i g. 6 oder 46 in F i g, 7) aufweist, um den auf den neuen Stand gebrachten digitalen Wert zu speichern.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (dritte Bildröhre 31 bis Schaltung 34 in F i g. 6 oder «-Zähler in F i g. 7) vorgesehen ist, die zeitweilig den Rechner durchsteuert, wodurch die digitalen Eingangssignale oder Ausgänge des Laser-Imerferometers direkt in dem Speicher ohne Durchschnittsbildung gespeichert werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die durchsteuernde bzw. die Mittelwertbildung unterbindende Vorrichtung dann arbeitet, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des durchschnittlichen Digitalwertes oder der durchschnittlichen Digitalpositionsanzeige eine Vorrichtung der Änderungsgeschwindigkeit übersteigt.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß k ein konstanter Faktor kleiner als 1 ist.