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Vorrichtung zur inkrementalen Abtastung einer Strichskala Die erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur inkrementalen Abtastung einer Strichskaia mittels
zwei zueInander versetzt auf die Strichskala ausgerichteten Photozellen mit angeschlossener
Triggerschaltung, deren Ausgangsimpulse über einen Richtungsdiskriminator einem
Zähler zugeleitet werden.
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Photoelektrische Ab-tastvorrichtung von Skalen werden an Meßinstrumenten,
insbesondere waagen zur Umwandlung der relativen Stellung der Skalen in einen elektrisch
auswertbaren Digitalwert verendet.
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Die deutsche Patentschrift 1 126 172 beschreibt dazu ein Verfahren,
bei dem die Zahlimpulse richtungsneutral gegeben und die beiden Zählrichtungen uurch
Dauersignale bestimmt werden.
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Da jedoch bei allen bekannten Anordnungen schon bei zeitweiligem
Ausfall
einer Photozelle oder bei Einsteuerung eines Störimpulses ein völlig falsches Ergebnis
angezeigt wird, indem beispielsweise zu addierende Impulse wegen der zeitweiligen
Störung nicht addiert sondera-im Zähler subtrahiert werden, schlägt die Deutsche
Ofenlegungsschrift 1 808 523 eine Kontrollechaltung vor, bei der an' einer definierten
Stelle der sich bewegenden Skala eine dritte Photozelle einen Impuls abgibt, der
die Zählung als unrichtig markiert, wenn das Ergebnis der Zählung in diesem Augenblick
nicht mit dem zur betreffenden Stelle zugehörigen übereinstimmt.
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Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß im gesamten Bewegungsbereich
der Skala nur eine Kontrollstelle vorhanden ist, so daß alle Anzeigen außerhalb
dieser Kontrollstelle unkontrolliert bleiben, die Mehrzahl der angezeigten Zählergebnisse
somit falsch sein kann, ohne daß ein Fehlersignal erscheint. Ein weiterer Nachteil
bekannter Anordnungen besteht darin, daß bedingt durch große Schaltpunkthysteresen
die genaue Lage der Abtastimpulse innerhalb eines Strichintervalles der Skala verschieden
ist, je nachdem, ob die Bewegung der Skala vorwärts oder rückwärts erfolgt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine fehlerkontrollierte Anordnung zur
inkrementalen Skalenabtastung mit photoelektrischen Abtastorganen und nachgeschaltetem
Richtungsdiskriminator anzugeben, die an gleichen Stellen für beide Bewegungsrichtungen
Abtastimpulse liefert, ohne eine zusätzliche Photozelle eine ständige Kontrolle
der Abtastung ermöglicht und im Falle eines Abtastfehlers die weitere Verwertung
der Information sperrt.
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Ausgehend von einer Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen
sieht die Erfindung vor, daß an jede Photozelle zwei Trigger kleiner SchaltpunJhysteresis
angeschlossen sind und die beiden Photozellen derart zueinander justierbar sind,
da13 bei einer Bewegung der Strichskala auf jeden Impuls, der von einem der beiden
Trigger der ersten Photozelle geliefert wird,
ein Impuls von einem
der beiden Trigger der zweiten Photozelle zeitlich folgt, bevor der andere Trigger
der' ersten Photozelle einen Impuls liefert, und daß dann, wenn auf einen von einem
-der beiden Trigger einer Photozelle gelieferten Impuls ein Impuls von dem anderen
Trigger der gleichen Photozelle folgt, ein Störsignal abgeleitet wird§ welches die
weitere Verwertung der Ausgangsimpulse blockiert. Die fehlerfreie Folge der Impulsealler
vier Trigger wird dann dazu verwendet, eine Richtungsdiskriminierung durchzuführen,
die darüber entscheidet, ob die Impulse in dem nachgeschalteten Zähler addiert oder
s'ibtrahiert werden müssen, um die jeweilige Stellung der Strichskala anzuzeigen
und/oder auszuwerten.
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Im einzelnen kann nach der Erfindung vorgesehen sein, daß der Abstand
der beiden versetzt zueinander angeordneten Photozellen ein ungeradzahliges Vielfaches
des achten Teiles des Strichabstandes der Strichskala ist und daß an jede Photozelle
zwei Trigger angeschlossen~sind, deren Schaltbysteresis kleiner ist als eine dem
achten Teil des Strichabstandes der Strichskala entsprechende Spannungsänderung
as Ausgang der Photozellen.
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Bei den Trigger kann es sich erfindimgsgemäß um zwei gegeneinander
geschaltete Operationsverstärker handeln.
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Gemäß weiterer Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Ausgange impulse
der Trigger bei fehlerhafter Abtastung der Strichskala im R'ichtungediskriminator
einen Zustand herstellen, der die weitere Impülsübernahme durch den Richtungsdiskriminator
sperrt und ein Fehlersignal abgibt.
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In der Zeichnung-ist ein Ansführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 den, Aufbau der Abtasteinrichtung, Fig. 2 die Triggerschaltung,
Fig. 3 ein Impulsdiagramm und
Fig. 4 das Schaltbild des Diskriminators
und der Fehlerkontrolle Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäß
Fig. 1 beleuchtet die Lampe 1 über einen Kondensator 2 die Strichskala 3, die gleichabständige
hell-dunkel Earkierungen 4 und 5 auSweist. Das Objektiv 6 bildet die Skala auf den
Eintrittsöffnungen 7 und 8 der beiden Bhotozellen 9 und 10 ab, wobei die Breite
der Lichteintrittsöffnung 7 und 8 der Breite der projesierten Markierung entspricht.
Der Abstand der beiden Photozellen ist gleich einem ungeradzahligen Vielfachen des
achten Teiles des Markierungsabstandes S. Die Belichtung der Photozellen führt zu
Spannungsänderungen in den Leitungen A und 3, die den vier Triggern 11 zugeführt
werden und an deren Ausgang vier Leitungen 22, 23, 26 und 27 Impulse auf den Richtungsdiskriminator
12 geben, der sie als Vorwärts-Mückwärts-Impulse einem Zähler 15 zuführt, der gleichzeitig
von einem mit dem Richtungsdiskriminator 12 verbundenen Fehlerindikator 14 gesteuert
wird. Anstelle des in der Fig. 1 angedeuteten Zählers kann ein Rechengerät oder
ein Druckwerk oder eine andere Art eines Dater-e arbeitungsgerätes angeschlossen
sein.
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In der Figur 2 ist die Innenschaltung der an die Photozellen angeschlossenen
Trigger 11 für die Photozelle 7 dargestellt.
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Die Photozelle 9, hier in der Form eines Fototransistore, liegt über
dem Arbeitswiderstand 14 an dem positiven Pol der Betriebespannung + U. In Abhängigkeit
von der Beleuchtungsstärke ändert sich die Spannung am Kollektor des Phototransistors
7.
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Sie beeinflußt zwei Trigger, die aus jeweils zwei gegeneinandergeschalteten
Operationsverstärkern 15 und 16 bzw. 17 und 18 bestehen. Der Schaltpunkt der gegeneinandergeschalteten
Operationsverstärker wird an dem Spannungsteiler, gebildet aus den Widerständen
19, 20 und-21, eingestellt.
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Diese Scha1tspannungen sind -erreicht, wenn der Kollektor des angeschlossenen
Phototransistors eine Spannung unter- oder
überschreitet, die gleich
der am Spannungsteiler eingestellten plus oder minus der Offsetspannung der Operationsverstärker
ist.
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Ist die Spannung am Kollektor des Phototransistors 9 größer als die
Schaltspannung, so ist der Ausgang des Operationsverstärkers 15 negativ, die des
Operationsverstärkers 16 positiv.
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Nimmt die Kollektorspannung durch höhere Beleuchtungsstärke auf dem
Phototransistor ab und unterschreitet sie die Schalt-Spannung plus Offsetspannung,
so wird der Ausgang des Operationsverstårkers 15 ebenfalls positiv. Der Zustand
am Ausgang des Operationsverstärkers 16 ändert sich zunächst nicht. Es ist aber
die "Und"-Bedingung am Nandgatter 24 erfüllt und der Ausgang 22 wird negativ. Sinkt
die Kollektorspannung weiter, und unterschreitet sie den Wert: Schaltspannung minus
Offset-Spannung, so wird der Ausgang des Operationsverstärkers 16 negativ, womit
die 'gUnd"-Bedingung am Nandgatter 24 nicht mehr erfüllt ist und der Ausgang 22
wieder positiv wird. Da das Verhalten der Schaltung unabhängig davon ist, in welcher
Richtung sich die Spannungsänderung am Kollektor abspielt, liefert die Anordnung
jeweils einen negativen Impuls am Ausgang 24, wem die Kollektorspannung den doppelten
Wert der Offsetspannung auf dem Niveau der Schaltspannung durchläuft.
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Auf dem Niveau der zweiten Steuerspannung vollzieht sich mit den Operationsverstärkern
17 und 18 und dem Nandgatter 25 ein gleicher Prozeß, der ebenfalls am Ausgang 23
einen negativen Impuls liefert, wenn die Spannung des Kollektors des Phototransistors
9 den durch die Offsetspannung gegebenen^Spannungsbereich auf'dnt'Niveau der zweiten
Schaltspannungdurchläuft.
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Ein zweiter P'hototransi's'tor --10 ist -einer gleichartigen .Schaltung
11 zugeordnet, an deren-Ausgängen26 und 2t ebenfalls negative Impulse entstehen,
wenn die- Beleuchtungsstärke'auf dem Phototransistor 10 die den Schaltspannungen
zugeordnete Werte durch eine Bewegung der Skala durch-läuft. t
Die
Schaltpunktbreite ist gleich der doppelten Offsetspannung der gegeneinandergeschalteten
Operationsverstärker Sie ist somit außerordentlich klein gegenüber der gesamten
Spannung änderung am Kollektor des Phototransistors. Bei einer Betriebsspannung
von 18 V und bei einer Offsetspannung des Operationsverstärkers von 4 mV wird der
Schaltbereich vollständig durchfahren, wenn die Helligkeitsänderung nur 0,05 % beträgt.
Damit ist sichergestellt, daß der Schaltpunkt außerordentlich genau im Bereich der
Anderung der Beleuch*ungsstärke festgelegt und von der Bewegung der Skala iinabbängig
ist, womit eine Schaltpunkthysteresis-praktisch vermieden ist.
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An den Ausgängen der Nandgatter 22, 23, 26 und 27 entstehen Impulse,
deren Wirkung im Rahmen der Gesamtanordnung an Hand der Fig. 3 dargestellt wird.
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Die beiden Kurven A und B geben die änderung der Beleuchtungsstärke
auf der lichtempfindlichen Fläche der Phototransistoren 9 und 10 wieder, wenn die
Skala bewegt wird. Die Phototransistoren liefern an ihren Kollektoren eine der Peleucbtungsstärke
proportionale Spannung , so daß die Kurven Ä und B auch die minderung der Kollektorspannung
bei einer Bewegung der Skala darstellen. Die durch den Spannungsteiler aus den Widerständen
19, 20 und 21 eingestellten Schaltpunkte sind mit Ua, Ua" Ub und Ub bezeichnet.
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Die Folge der Impulse, die sich bei einer Bewegung der Skala 3 ergeben,
sind für die vier Ausgänge 22 23, 26 und 27 ebenfalls in der Fig. 3 mit den Bezeichnungen
a, a', b, bt dargestellt.
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Da d-ie beiden Phototransistoren gegeneinander um ungeradzahlige Vielfache
von einem 1/8 S Justiert sind, wobei S der Abstand der Markierung ist, sind sechzehn
Impulsfolgen möglich, die nachfolgend zusammengestellt sind, wobei der erste Buchstabe
jeweils den jenigen Impuls kennzeichnet, der seitlich vor demjenigen liegt, den
der zweite Buchstabe kennzeichnet,.
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a-a (f) a'-a (f) b-b (u) b'-b (f) a-a1(f) a'-a'(u) b-b1(f) b'-b'(u)
a-b (u) a'-b (r) b-a (u) b'-a (v) a'-b'(u) a'-b'(u) b-a'(v) b'-a'(u) Die mit u bezeichneten
Impulsfolgen sind für das Abtastverfahren nicht verwendbar, da sie sowohl bei Rückwärts-
als auch bei Vorwärtsbewegung der Skala auftreten.
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Din mit v bezeichneten treten bei Bewegung der Skala auf, die als
Vörwärtsrichtung bezeichnet wird, die mit r bezeichneten bei der entgegengesetzten
Bewegungsrichtung der Skala, der -Rückwärtsrichtung. Arbeitet einer der beiden -Abtastkanäle
fehlerhaft, so treten Impulsfolgen auf, die mit f bezeichnet sind.
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Die mit v bezeichnete Impulsfolge ist damit signifikant fsiir die
Bewegung der Skala in der einen, die mit r bezeichneten signifikant für die Bewegung
der Skala in entgegengesetzter Richtung, während die mit f bezeichneten Impulsfolgen
fehlerhafte Abtastung signalisieren. Richtungsdiskriminierung und Fehlerindikation
erfolgen in einer Schaltung gemäß-Fig. 4.
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Die von den Ausgängen 22, 23, 26 und 27 der Trigger gelieferten Impulse
schalten teilweise direkt, teilweise über Nandgatter 28, 29, 31 und 34 die Fli-Blops
26, 27, 28, 29 deren Zustände zusammen mit weiteren, von den Ausgangsimpulsen der
Trigger beeinflußten Nandgattern 40, 41-, 42 und 43 die Zählimpulse am Ausgang der
Nandgatter 44 und 45 ergeben.
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Im Einzelnen erfolgt die für die eine Bewegungsrichtung der Skala
signifikanten Impulsauswahl durch die linke Hälfte der Schaltung, für die andere
Bewegungsrichtung durch die rechte Hälfte der Schaltung, die hinsichtlich ihres
Aufbaus gleich sind und sich nur dadurch unterscheiden, daß sie in verschiedener
Weise an die Ausgänge der Trigger angeschlossen sind.
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Im folgenden ist der Ablauf für den linken Teil der Schaltung beschrieben.
Tritt an 27 ein Impuls auf, so wird der Flip-Flop 36 umgeschaltet. Folgt diesem
Impuls ein Impuls an- 23, entsprechend der Impulsfolge b-a, so wird der Flip-Flop
36 ohne weitere Fo-lgen in den Ausgangszustand über die Nandgatter 28 und 31 zurückgeschaltet.
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Folgt auf einen Impuls an 27 jedoch ein Impuls an 22-entsprechend
der Impulsfolge b-a', so gelangt er über das Nandgatter 30 auf das durch die Stellung
des Flip-Flop 36 freigegebene Nandgatter 40, das damit umschaltet und das Nandgatter
44 so beeinflußt, daß an seinen Ausgang ein Impuls auftritt. Der Impuls an 22 schaltet
den FIip-Flop 76 verzögert um dessen Umschaltzeit zurück, so daß nach Abklingen
des Ausgangsimpulses von 22 der Ausgangszustand wieder erreicht ist.
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Folgt auf einen Impuls an 27 jedoch ein weiterer Impuls an 27, der
Impulsfolge b-b entsprechend, so bleibt das ohne weitere Folgen.
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Folgt auf einenmpuls an 27 jedoch ein Impuls an 26, der Impulsfolge
b-b' entsprechend, so wird zusätzlich der Flip-Flop 37 umgeschaltet. Da dann beide
Blip-Blops 36 und 37 umgeschaltet haben, ist die Und-Bedingung für das Nandgatter
46 erfüllt, es schaltet um und bewirkt über das Nandgatter 48 ein Umschalten des
Flip-Flops 49. Dieser Flip-Blop 49 schaltet damit bei einer fehlerhaften Impulsfolge
um und liefert das Signal zur Pehlererkennung.
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In gleicher-Weise wie vorstehend für die dritte Kolumne der vorstehenden
Tabelle der möglichen Impuls folgen diskriminieren die Nandgatter 28, 31, 32, 41,
44, 46 und 48 und dem Flip-Flop 37 die Impulsfolgen entsprechend der vierten Kolumne,
die Nandgatter 29, 33, 34, 42, 45, 47 und 48 und dem Flip-Flop 38 die Impulsfolgen
entsprechend der zweiten Kolumne, die Nandgatter 29, 34, 35, 43, 45, 47 und 4b und
dem Flip-
Flop 39 die Impulsfolgen entsprechend der erstenKolumne,
Am Ausgang der Nandgatter 44 und 45 stehen damit die der Bewegungsrichtung der Skala
entsprechenden Impulse zur Verfügung, und sie können einem Vorwärts-Rückwärtszähler
13 zugeführt werden, dessen Zustand sich damit mit der Skalenbewegung verändert.
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Hat jedoch wegen einer Impulsfolge a-al, a'-a, b-b" oder b'-b der
Flip-Blop 49 umgeschaltet, so liefert der nachgeschaltete Verstärker 50 einen Zustand,
der über die Leitungen 51 die Nandgatter 30 r 35 in den umgeschalteten Zustand versetzt,
bzw. hält und damit ein weiteres Arbeiten der Schaltung blockiert. Durch eine externe
liullstellung (nicht dargestellt) kann in bekannter Weise der Ausgangszustand gesetzt
werden.
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Gleichzeitig kann das Signal des umgeschalteten Verstärkers 50 im
Zcihler 13 zur Sperrung der weiteren Verarbeitung der Zählerstellung in bekannter
Weise verwendet werden.