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Verfahren zurhälbautomatischen digitalen 1 hasenverstellung der-Fein-
und Grobmeßelemente in einem auf der Erzeugung elektrischer Signale mit veränderlicher
Phase beruhenden Geber, sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur halbautomatischen digitalen
Ihasenverstellung der ein und Grobmeßelemente in einem auf der<Erzeugung elektrischer
Signale mit veränderlicher Phase beruhenden Geber.
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Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt hauptsächlich, jedoch nicht
ausschließlich, bei Gebern, die mechanische Linear- oder Winkelverstellungen in
elektrische Signale umformen, insbesondere bei jenen Gebern, in denen die elektrischen
Signale mit veränderlichr Phase durch Synchro-Resolver erzeugt werden.
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Bekanntlich wird bei den in Frage kommenden Gebern die zu messende
Größe in eine Drehbewegung einer mit einigen Resolvern
mechanisch
verbundenen Eingangswelle umgeformt, wobei solche Resolver in einer vom Gesamtmeßvermögen
de-s Gebers abhängigen Anzahl vorhanden sind und je ein Signal V liefern, dessen
Phase in gegenüber einem Bezugssignal VR jedem Augenblick die Stellung der zugeordneten
Eingangswellen darstellt.
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Bei Veränderung der Stellung der Eingangswelle verändert sich auch
die Phasenlage eines jeden Signals gegenüber dem Bezugssignal; sie verschiebt sich
um eine Periode Je Wellendrehung.
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Je nach der für die Messung gewünschten Aufteilung ist der Winkel
eines jeden Signals in eine gewisse Anzahl n von gleichen Intervallen oder "Quanten"
unterteilt, und die einzelnen Resolver sind derart gekoppelt, daß sich während der
vollen Drehung des einen Resolvers der unmittelbar darauffolgende Resolver um l/n
Drehung, also um ein Quant verstellt.
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Die digitale Anzeige der Stellung der einzelnen Resolver wird im allgemeinen
mittels eines Modul-n-Zählers durchgeführt, der beginnend mit dem Empfang eines
das Bezugssignal darstellenden Impulses bis zum Empfang eines die von den Resolvern
abgegebenen Signale darstellenden Impulses die ihm von einem Oszillator zugeleiteten
Signale mit der Frequenz f.n (f = Frequenz des Bezugssignals) zählt; die Anzahl
dieser Signale bildet die digitale Anzeige der Fhasenverschiebung.
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Wären Aufbau und Betriebsverhalten der elektrischen und mechanischen
Elemente des Gebers ideal, müßte dann, wenn ein Resolver eine volle Drehung ausgerührt
hat und wieder die O durchläuft, der unmittelbar nachfolgende Resolver sich im selben
Augenblick auf die Angabe jenes Quantes stellen, welches auf das gerade durchlaufene
folgt, d.h. der Resolver müßte dabei einen Ubertrag vornehmen; wenn beispielsweise
der gröbere
Resolver das Quant 0 durchläuft, muß er j sobald der
feine Resolver nach einer Drehung die 0 passiert, den Wert 1 durchlaufen.
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Insbesondere bei einer sehr hohen Anzahl n von Quanten kann es infolge
einer Geräuschbildung in den Schaltungen, eines Spieles in den mechanischen Verbindungen
oder auch aufgrund von Fehlern in der Stromzufuhr oder im Verhalten der Resolver
zutreffen, daß der Übertrag am gröberen Resolver nicht zu gleicher Zeit erfolgt
wie der Durchlauf des feineren Resolvers durch die 0. So kann es z.B. vorkommen,
daß bei n = 10 und bei gieichzeitigem Starten beider Resolver von 0 am Ende einer
Drehung des feineren Resolvers anstatt der Anzeige 10 für einen kurzen Augenblick
die Anzeige O) oder aber .19 geliefert wird.
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Unter "Phasenverstellung" (rephasing) versteht man hier die Gesamtheit
der Vorgänge, die es gestatten, einen sofortigen und eindeutigen Übertrag zwischen
einem ein- und einem Grobresolver, zwischen diesem und einem gröberen Resolver usw.
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vorzunehmen.
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Erfindungsgemäß wird dabei bewirkt, daß während eines die Ängabe des
Feinresolvers betreffenden Zählzyklus das Signal des gröberen Resolvers ständig
in der Mitte eines Quantes verharrt und erst dann auf die Mitte des nächstfolgenden
Quantes übergeht, wenn das Signal des feineren Resolvers die 0 passiert, was dadurch
erreicht wird, daß vor Beginn der Messung der Grobresolver auf die Mitte eines Quantes
eingestellt wird, während der Messung der Inhalt des Zählers in dieselbe Richbung
und mit derselben Geschwindigkeit des Signallaufes des Brobresolvers gleit und der
Zähler jeweils in die Anfangsphase zurückgeführt wird, wenn das vom Feinresolver
erzeugte Signal die O passiert.
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Das Gleiten des Zählers wird dadurch erreicht, daß der die Feinmessung
betreffende Inhalt auf einen zweiten Zähler übertragen wird, nachdem dieser Inhalt
von einer gegenüber dem Modul des zweiten Zählers um eine Einheit geringeren Zahl
abgezogen worden ist, daß der zweite Zähler die Zählung ab der so erhaltenen Zahl
beginnt, und daß beim Durchlauf durch die O ein Signal erhalten wird, dasden ersten
Zähler um einen Schritt weiterschaltet.
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Die Einstellung des Resolvers für Grobmessung auf die Mitte eines
Quantes kann von Hand durch Verstellen des Stators oder aber durch digitale Mittel
erfolgen, indem beispielsweise zu der anfangs im zweiten Zähler einges-tellten Zahl
eine weitere Zahl, die die Verstellung des Inhaltes des ersten Zählers in die Mitte
eines Quantes bewirkt, hinzugefügt wird.
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Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
enthält einen Oszillator mit einer Frequenz P.n.f., wobei P die gewünschte Genauigkeit
der Zentrierung n die Anzahl der Quanten und f die Frequenz desBezugssignales bedeuten;
einen Teiler mit Modul P.n zur Erzeugung des Bezugssignals mit der Frequenz f, einen
Modul-n-Zähler zur digitalen Anzeige der Stellung der. Meßelemente, einen weiteren
Modul-P-Zähler, der die vom Oszillator erzeugten Impulse durch P teilt und auf den
ersten Zähler überträgt, wobei zwischen beiden Zählern eine weitere Verbindung vorhanden
ist, über die der Inhalt des ersten Zählers auf den zweiten Zähler, der ihn von
P-l abzieht, übertragen wird, und zwar ausgelöst durch ein Zustimmungssignal unmittelbar
vor Beginn der die Zahl höheren Gewichtes betreffenden Zählungen, sowie eine Mehrfachweiche,
die in mehrere miteinander starr verbundene Abschnitte unterteilt ist und die dazu
dient, das Bezugssignal und die die Stellung der Meßelemente darstellenden Signale
den Zählern zuzuführen.
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Gemäß einer abgewandelten Aus füh,rungs form ist in die Verbindung
zwischen dem Modul-n-Zähler und dem Modul-P-Zähler eine Summierschaltung eingesetzt,
die über einen Abschnitt der Weiche mit einer bestimmten Anzahl von Modul-P-Umschaltern,
von denen ein jeder einem Grobmeßelement zugeordnet ist, in Verbindung stehet, wobei
die Summierschaltung die Summe zwischen einer in diesen Umschaltern eingestellten
Zahl und dem anfänglichen Inhalt des Modul-P-Zählers bildet.
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Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand
von Ausfahrungsbeispielen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung
eines Gebers, Fig. 2 ein Blockschema einer zur Umformung der vom Geber gelieferten
Signale in digitale Daten dienenden Schaltung; Fig. 3 und 4 Spannungsdiagramme zur
Erläuterung der Funktionsweise der Einrichtung nach Fig. 2, Fig. 5 ein Blockschaltbild
einer Einrichtung nach der Erfindung, Fig. 6 die schematische Darstellung der Funktionsweise
der Einrichtung nach Fig. 5, und Fig. 7 eine Abwandlung der Einrichtung nach Fig.
5.
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Der in Fig. 1 dargestellte Geber besteht aus einer bestimmten Anzahl
von Synchro-Resolvern R1, R2, R3...., die miteinander und mit einer Eingangswelle
A mechanisch verbunden sind. Der Resolver R1 bildet das Feinmeßelement und ist mit
der Welle A im Verhältnis T1 - aal 1 gekoppelt, wobei al den einer a Drehung a der
Welle A entsprechenden Drehwintel der Welle von R1 bezeichnet; die nachfolgenden
Resolver R2, R3 sind jeweils
mit dem vorausgehenden Resolver im
Verhältnis T2 = α 2 T3 = a ? v gekoppelt, wobei a2, á) die Drehwinkel der
Wellen von R2, R3 ... bezeichnen.
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Alle Resolver werden mit einer Spannung VR gespeist, z.B.
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einer sinusförmigen Spannung mit der Frequenz f, die das Bezugssignal
bildet, und liefern Ausgangssignale V1, V2, V3, deren Phasen sich gegenüber dem
Bezugssignal bei Veränderung der Winkel a1 auch verändern und somit von den mechanischen
Kopplungsverhältnissen Unabhängig sind.
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Der Einfachheit halber werden nachstehend nur die ersten zwei Resolver
R1, R2 berücksichtigt, weil die zur Phasenverstellung dieser zwei Resolver nötigen
Vorgänge in gleicher Weise auch zur Phasenverstellung von R2, R3, usw. benötigt
werden bzw.
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auch für diese unverändert gelten. Es wird außerdem angenommen, daß
die Winkel al, a2 bei einer Aufteilung in n Teile zu messen sind, wobei zur Vereinfachung
n = 10 gesetzt wird; dies bedeutet, daß die Winkel al, a2 in 10 Teile oder Quanten,
die untereinander gleich sind, aufgeteilt werden und daß das Verhältnis T2 gleich
1 : 10 ist.
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Zum Beispiel wird angenommen, daß zur Messung der Phasendifferenz
zwischen den Spannungen V1 V2 und VR aus Jedeindieser- Signale ein Impuls V1+, V2+,
VRt gewonnen wird, und zwar Jeweils, wenn sie die Null mit positiven-Anstieg durchlaufen.
Sobald die Rotoren von R1 und R2 in Bewegung gesetzt werden, verschieben sich die
Impulse V1+ und V2+ und ihr Abstand von VR+ stellt die zu messenden Winkel dar.
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In Fig. 2 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer zur Durchführung
der gewünschten Messungen bestimmten Einrichtung dargestellt.
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Diese Einrichtung umfaßt einen Oszillator OS, der eine Frequenz n.f
(im betrachteten Fall lOf) erzeugt, wobei mit f die Frequenz der Bezugspannung bezeichnet
ist, einen Modul-n-Teiler DVN, der diese Frequenz durch n teilt, um im Ausgang das
Bezugssignal VR mit der Frequenz f zu erzeugen, und der unter der Annahme n = 10
die zyklische Zählung O, 1 9, 0, 1....
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vornimmt, einen Nodul-4ähler CN> der praktisch mit dem Teiler DVN
gleich ist und in einem Eingang das Signal n.f Und in einem anderen Eingang das
Signal VR+ aufnimmt. An einen anderen Eingang werden über eine Weiche IR die Signale
V1+ oder V2+ je nach der Stellung von IR angelegt. Das Signal VR bildet ein Nullstellsignal,
während die Signale V1+ und V2+ Stoppsignale sind.
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Die Funktionsweise dieser Vorrichtung ist folgende: Befindet sich
die Weiche IR zu Beginn in der Stellung 1, wird der Zähler beim Eintreffen von VR+
auf Null gestellt und beginnt die vom Oszillator erzeugten Impulse mit der Frequenz
nf zu zählen.
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Beim Eintreffen von V1+ wird der Zähler gestoppt und die dargestellte
Zahl wird in geeigneter Weise gespeichert. Nun wird IR auf 2 gestellt: beim Eintreffen
eines+ stellt sich der Zähler auf Null, nimmt die Zählung der vom Oszillator gelieferten
Impulse wieder auf und wird beim Eintreffen von V2+ gestoppt. Die von CN bis zu
diesem Augenblick gezählte Zahl wird als Zahl höheren Gewichtes gegenüber der ersten
gespeichert.
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In Fig. 3 ist der Fall dargestellt, bei dem CN von V1+ auf 2 und von
V2+ auf 0 gestoppt worden ist.
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Es sei nun angenommen, daß bei der Drehung des Rotors von R1 das Signal
V1+ fast. auf das Ende des Quantes 9, d.h. sehr nahe dem nachfolgenden Quant O fällt
(Fig. 4). Während R1 in Bewegung ist, bewegt sich offenbar R2, und da wie angenommen
T2 = ist, ist, durchläuft V2+ fast ein Quant und gelangt zum Beispiel sehr nahe
an die Stellung 1, während V1+ fast eine Periode durchläuft.
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Wäre alles vollkommen, müßte in dem Augenblick, in welchem das Signal
V1+ die 0 passiert, das Signal V2+ die 1 passieren. Aus verschiedenen Gründen kann
es aber zutreffen, daß die beiden Durchgänge nicht gleichzeitig erfolgen, d.h. das
Signal V2+ kann einen Augenblick früher oder einen Augenblick später die 1 passieren
als Vi+ die 0 passiert, so daß für einen kurzen Augenblick vor der genauen Messung
10 der Zähler entweder 09 oder 19 anzeigen kann.
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Die Einrichtung nach Fig. 5 ist dazu geeignet, derartige Unsicherheiten
zu vermeiden, und läßt eine Zentrierung von V2+ gegenüber einem Quant mit einer
gewünschten prozentualen Genauigkeit P zu erzielen.
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Der Einfachheit halber wird P = 10 gesetzt; im nachstehenden Teil
der Beschreibung wird zur Vermeidung von Verwechslungen die Anzahl der Quanten mit
n angegeben, wobei diese Anzahl im betrachteten Beispiel- immer gleich 10 ist.
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Diese Einrichtung umfaßt einen Oszillator OS mit der Frequenz lO.n.f,
einen Modul-lOn-Teiler DVN, der die vom Oszillator erzeugten Signale aufnimmt und
durch IOn teilt sowie die Frequenz f des Bezugssignals VR erzeugt, einen Modul-lO-Zähler,
von dem ein Eingang mit dem Oszillator verbunden ist, weitere Eingänge mit drei
starr miteinander gekoppelten Weichen IR, IR1, IR2 -oder mit drei starr gekoppelten
Abschnitten einer einzigen Weiche - verbunden sind, über die C1O von den Signalen
VR+, V1+, V2+ gesteuert wird, und noch ein weiterer Eingang mit
einem
Modul-n-Zähler CN in Verbindung steht, der an einem Eingang den Ausgang von C10
aufnimmt und wie im Fall der Fig. 2 von den Signalen VR+> V1+, V2+ gesteuert
wird, wobei die zwei letztgenannten über die Weiche IR angelegt werden.
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Der Zähler CN ist auch in diesem Falle noch ein Modul-n-Zähler, der
von 0 bis n-l bzw. im agenommenen Beispiel von 0 bis 9 zählt, und sein Inhalt zeigt
noch, wie im vorherigen Falle, die Stellung der Resolver R1, R2 je nach der Stellung
der Weiche IR an; der Zähler C10 zählt ebenfalls von 0 bis 9 und der Durchlauf von
9 auf 0 erzeugt einen Impuls, der den Zähler CN um einen Schritt weiterschaltet;
dies bedeutet, daß jedes Quant von CN in 10 Unterquanten geteilt ist.
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Die Funktionsweise der soeben beschriebenen Vorrichtung ist folgende:
Am Anfang wird die Weiche IR auf 1 gestellt; dies bedeutet, daß der Winkel des Resolvers
R1 gemessen wird, beim Eintreffen des Signals VR+ werden die Zähler CN und C10 auf
Null gestellt, C10 beginnt die vom Oszillator eingehenden Impulse mit der Frequenz
100f zu zählen und erzeugt am Schluß eines Zyklus ein Signal, das den Zähler CN
um einen Schritt weiterschaltet; das Eintreffen von V1+ stoppt beide Zähler ab und
der Inhalt von CN zeigt die Stellung von R1 an. Im dargestellten Beispiel fällt
bei 6A das Eintreffen von V1+ mit dem Eintreffen von VR+ zusammen und somit zeigt
CN den Wertgas Man bringt nun IR in die Stellung 2. Zuerst stellt das Signal Vn+
die beiden Zähler wie vorhin auf Null; außerdem bewirkt die Verstellung von IR2
auf 2, daß der Impuls VR+ an einen anderen Eingang von C10 angelegt wird, wodurch
die Zustimmung zur Übertragung des Inhalts von CN auf C10 erfolgt: in C10 -wird
die Differenz zwischen 9 und dem vorausgehenden Inhalt von CN eingeschrieben.' Sobald
die Wirkung von VR aufhört, beginnt somit der Zähler C10 von 9-M zu zählen, wobei
M die
von CN angegebene Zahl bedeutet. Bei dem Beispiel von Fig.
6A mit M = 0 wird also C10 die Zählung mit 9 beginnen und sofort nach Eintreffen
von VR+ wird CN den Wert 1 anzeigen.
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Das Eintreffen des Signals V2+ sperrt die beiden Zähler. In Fig. 6A
wurde angenommen, daß V2+ eintrifft, sobald CN 5 anzeigt; es wird auch angenommen,
daß der Stator von R2 derart gedreht worden ist, daß mit R1 in der Phase 0 der von
R2 stammende Impuls genau in die Mitte einer Zählung von CN (5 in Fig. 6A) fällt.
Sobald sich die Eingangswelle des Gebers in Bewegung setzt, werden sich demnach
die Signale V1+, V2+ beispielsweise nach rechts verstellen.
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Während die auf die Messung von R1 bezogene Zählung von 0 auf 9 fortschreitet,
wird C10 infolge seiner Aufnahme des Inhalts von CN bei Beginn der Messung von R2
die Zählung von 9, O, 1 usw. aufnehmen, d.h. die Zähistellung von CN verschiebt
sich um 1/10 Quant Je Bewegungsquant von R1 nach rechts; da das Verhältnis zwischen
den Geschwindigkeiten von V2 und V1 gleich 1/10 ist, bedeutet dies, daß die Stellung
von V2+ gegenüber der von CN gelieferten Anzeige-unverandert bleibt.
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Sobald ON für R1 die Anzetge 9 abgibt -(Fig. 6B), beginnt e10 von
0 an zu zählen und das bedeutet, daB beim-Ubergång auf die Messung von R2 CN immer
um--en Quant verschoben wird, wie dies in Fig. 6A aufscheint* Beim Durchgang von
R1 durch das Quant Null (Fig. 6C) springt C10 von O auf 9 und geht also praktisch
um ein Quant gegenüber der Stellung von Fig. 63 vor, -wobei dadurch auch die Phase
von -ON in analoger Weise weitergeȢhaltet wird; CN wird somit das Quant 6 anzeigen.
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Mit dem beschriebenen Verfahren erfolgt die Phasenverstellung automatisch
und auf digitalem Wege über die Zähler C10, CN; zu Beginn ist jedoch immer das Ausrichten
des Resolvers R2 notwendig, was nach der vorausgegangenen Beschreibung durch Inbewegungsetzen
des Resolverstators- erzielt wird. Wie erläutert, kann die Phase von CN um ein beliebiges
Maß verschoben werden, indem der Inhalt von C10 von der auf R2 bezogenen Zählung
verändert wird; die Ausrichtung von R2 läßt sich also auch mit digitalen Mitteln
erzielen.
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Die in Fig. 7 gezeigte Abwandlung der Einrichtung gemäß Fig. 5 gestattet,
die Ausrichtung des Resolvers für Grobmessung auf digitalem Wege zu erreichen.
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Die Einrichtung gemäß Fig. 7 umfaßt alle Bauteile der Vorrichtung
von Fig. 5; zusätzlich ist in die Verbindung zwischen CN und C10 eine Summierschaltung
S eingefügt, wobei diese über einen weiteren Abschnitt IR3 der Weiche IR auch mit
einem Dekadenumschalter D verbunden ist. An diesem Dekadenumschalter wird eine Zahl
von 0 bis 9 eingestellt, wobei immer eine l0%ige Genauigkeit angenommen wird, und
dieselbe wird der Zahl 9-M hinzugefügt. Auf diese Weise wird beim Messen von R2
unabhängig von dessen mechanischer Stellung gegenüber R1 die Verschiebung des Inhalts
von CN derart erzielt, daß V2+ immer auf die Mitte eines Wuantes fällt.
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Es ist klar, daß bei Vorhandensein von mehr Grobeinstellgliedern ebensoviel
Umschalter vorgesehen sind, damit die zugehörigen Signale auf die Mitte eines Quantes
zentriert werden können; ebenso klar ist es, daß, wenn eine von 10% verschiedene
Genauigkeit P gewünscht wird, auch die Umschalter mit Modul-P arbeiten werden und
man eine Zahl zwischen 0 und P-l einstellen wird.
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Dieselben Ergebnisse sind offenbar auch mit Gebern anderer Art erzielbar,
vorausgesetzt, daß diese Signale mit veränderlicher Phase erzeugen, wie z.B. Geber
vom Typ Inductosyn.