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Anordnung zur Erhöhung der Auf lösung von Meßsystemen Die Erfindung
betrifft eine Anordnung zur Erhöhung der Auflösung von Meßsystemen, insbesondere
zur Interpolation von Weg- oder Winkelinkrementen in der Längenmeßtechnik, wobei
die aus einem Meßsystem gewonnenen Primärsignalspannungen mit Hilfe einer elektronischen
Schaltung in Sekundärsignale umgewandelt und in an sich bekannter Weise zur digitalen
Anzeige verwendet werden.
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Es sind Schaltungen bekannt, bei denen von diskreten Punkten der
Primärspannungen, die vom Meßsystem geliefert werden, Impulse abgeleitet und zum
Zählen benutzt werden. Bei sogenannten Viertelungsschaltungen werden solche Impulse
von den Wendepunkten der beiden um 900 versetzten Primärsignalspannungen abgeleitet.
Dadurch erreicht man eine Viertelung des Meßintervalls.
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Weiterhin gibt es Anordnungen, bei denen von Meßsystemen kommend
um 900 gegeneinander phasenverschobene Primärsignale an die Ablenksysteme einer
Elektronenstrahlröhre angeschlossen sind. Pro Signalperiode des Primärsignals läuft
der Elektronenstrahl einmal auf einer geschlossenen Umlaufbahn kontinuierlich um.
Will man eine Unterteilung der Umlaufbahn in diskrete Interpolationsschritte erreichen,
ordnet man auf dieser Umlaufbahn Rasterelemente an. Diese Rasterelemente, z, B.
in Gestalt einer Rasterscheibe, können sowohl auf dem Leuchtschrim der Röhre auch
in einer Blld*ban eines den Leuchtschirm der Rohre abbildonden
optischen
Systems angeordnet sein. Uberstreicht der Elektrpnenstrahl die Rasterelemente, so
gelangen periodische Lichtimpulse auf einen hinter den Rasterelementen angeordneten
Fotoempfänger.
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Eine Zählung der Impulse kann mit einer an den Ausgang des Lotoempfängers
geschalteten elektronischen Zählvorrichtung erfolgen, der gegebenenfalls noch ein
Impulsformer vorgeschaltet ist.
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Bei diesen Anordnungen sind noch besondere Ausführungs formen bekannt,
bei welchen man sich einer Rasterscheibe mit elektrisch leitenden Rasterelementen
bedient. Hierbei erzeugen die Rasterelemente unmittelbar Spannungsimpulse, welche
ausgezählt werden können.
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Nachteilig ist bei den Anordnungen mit Elektronenstrahlröhren, daß
sowohl ein hoher Geräteaufwand zur Interpolation als auch für den Arbeitsschutz
betrieben werden muß, da für den Betrieb der Röhre hohe Spannungen erforderlich
sind.
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Es sind bereits Anordnungen vorgeschlagen, bei denen zwei um 900
phasenverschobene, gleichfrequente Signalspannungen in eine Frequenzvervielfacherschaltung
gegeben werden, aus der man zwei wiederum um 900 phasenverschobene Spannungen, gleicher
oder n-facher Frequenz entnimmt. Diese Frequenzvervielfacherschaltung kann zur Wiederholung
der Frequenzvervielfachung beliebig oft, identisch einander nachgeordnet werden.
Dt. Frequenzvervielfacherschaltungen sind hierbei so aufgebaut daß man itt bekannten
Analogrechenschaltungen bekannte Gleichungen nachbildet. Die Voraussetzung, daß
eine wiederholte Frequenzvervielfachung durchgeführt werden kann, ist jedoch in
jedem Fall, daß an den Ausgängen
der Vervielfacherschaltung immer
zwei um 900 phasenverschobene Spannungen gleicher Frequenz vorhanden sind. Aus dieser
Forderung leitet sich ein relativ großer rechentechnischer Aufwand je Vervielfacherschaltung
ab, da für die Frequenzvervielfachung eine völlige Nachbildung der mathematischen
Beziehungen nötig ist.
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Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht im unterschiedlichen
Aufbau der zur Realisierung der Frequenzvervielfachung der beiden Spannungen benötigten
Schaltungen. Durch diesen unterschiedlichen Aufbau bewirkt eine Phasenverschiebung
an einer'der Spannungen, daß die Relation von 900 zwischen den beiden Spannungen
schnell verloren geht.
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Zweck der Erfindung ist die Erhöhung der Auflösung eines Meßsystems
in solchem Mafle, daß geringste Verschiebungen eines Bezugssystems gegenüber einer
Maßverkörperung gemessen werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen,
die die Signalspannungen, die von einem Meßsystem im Frequenzbereich 0 .. fg geliefert
werden, mit Hilfe einer geeigneten elektronischen Schaltung so verarbeitet, daß
eine Erhöhung der Auf lösung erreicht wird.
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Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß einem Meßsystem ein
Frequenzvervielfacher nachgeordnet ist, der aus einer Anzahl von Frequenzvervielfacherstufen
besteht, die gleichartig aus elektronischen Bauelementen aufgebaut undWn geeigneter
Weise gekoppelt sind, und die zum Zwecke der Vorwärts- und RUckwärtszählung
in
zwei Meßkanälen zusammengestellt sind, wobei jeder Meßkanal die gleiche Stufenzahl
enthält. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Frequenzvervielfacherstufe
zur Frequenzverdopplung so aufgebaut, daß zur Quadrierung oder Multiplikation einer
vom Meßsystem kommenden Primärspannung bzw. von einer Vervielfacherstufe kommenden
Sekundärspannung, entsprechend der Beziehung a² y² = a² cos² x = (1 + cos 2x) (I)
2 eine aus an sich bekannten elektronischen Bauelementen bestehende Schaltung angeordnet
ist. Durch völlige oder weitestgehende rechentechnische Nachbildung der Beziehung
(1) wird die Frequenzverdopplung erzielt. Durch Hintereinanderschalten der n-Stufen
ergibt sich für den Vervielfacher sn = bzw.
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= 2n sn p mit ca und fp als Frequenz des Primärsignals und #s bzw.
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f5 als Frequenz des Sekundärsignais. Das Ausgangssignal der letzten
Stufe wird nach einer Triggerung und Impulsbildung auf die Zählstufen eines Zählers
gegeben. Bei der Vorwärts- und Rückwärtszählung werden für die Ansteuerung einer
Entscheidungslogik des Vorwärts-Rückwärtszählers zweckmäßig zwei um 900 phasenverschobene
Signalspannungen verwendet. Da bei der vorgeschlagenen Anordnung beide Meßkanäle
mit gleichartig arbeitenden Stufen gleicher Zahl bestückt sind, wird die Phasenverschiebung
von
900 zwischen den beiden Meßkanälen am Eingang der Entscheidun,slogik
des Vorwärts-Rückwärtszählers durch eine der Anzahl der Vervielfacherstufen je Meßkanal
entsprechenden Phasenverschiebung der Primärsignalspannungen zwischen den beiden
Meßkanälen erreicht. Bei Stufen je Meßkanal muß diese Phasenverschiebung zwischen
den beiden Primärspannungen der ersten Stufen der Kanäle
betragen, wenn t die Teilungskonstante der Maßstabteilung ist, Der Vorteil dieser
Anordnung besteht darin, daß bei geringem Aufwand je Vervielfacherstufe eine mehrmalige
Wiederholung der Frequenzverdopplung durch die Hintereinanderschaltung von gleichartigen
Stufen durchgeführt werden kann. Die Anzahl der hintereinandergeschalteten Stufen
wird bestimmt durch die geforderte Auf lösung der Meßanordnung und durch die zulässigen
Fehler. Schon durch den Einsatz weniger Vervielfacherstufen kann man auf die Anwendung
von Maßstäben bzw. Teilkreisen mit sehr kleinen Teilungskonstanten verzichten, da
erfahrungsgemäß die Herstellung und Anwendung kleinster Teilungskonstanten aufwendig
und schwierig ist. Bei sehr kleinen Teilungskonstanten ist es möglich, über die
physikaliech'undtechnologisch vorgegebene Grenze hinaus für diese Teilungskonstante
die Auflösung der gesamten Meßanordnung zu erhöhen.
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Sin wesentlicher Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung für die Vorwärts-Rückwärtszählung
leitet sich aus dem gleichartigen
Aufbau beider Meßkanäle ab. Beide
Kanäle sind mit der gleichen Anzahl gleichartig aufgebauter Stufen ausgerüstet.
Die Gleichartigkeit der Stufen beinhaltet gleichen Frequenzgang. 1)emzufolge wirken
sich während des Meßvorganges auftretende frequenzabhängige Phasenverschiebungen
Je Stufe nicht störend auf den Zählvorgang aus, da die-Phasenverschiebung zwischen
den beiden Ausgangssignalen der letzten Vervielfacherstufe mit 900 erhalten bleibt.
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Die rechentechnische Nachbildung der in Gleichung (I) ausgedrückten
Beziehung kann mit Hilfe bekannter Rechenschaltungen für die Quadratur bzw. Multiplikation
erfolgen. Auf eine vollkommene Nachbildung der Gleichung (I) kann verzichtet werden,
wenn dafür gesorgt wird, daß die Gleichspannungspotentiale an den Koppelstellen
zwischen den Stufen gleich sind oder daß die Stufen galvanisch getrennt sind. erstes
kann mit Differenzverstärkern, letzteres durch die Verwendung von Fotokopplern erreicht
werden.
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Zur Realisierung der Quadrierung und der nachfolgenden erforderlichen
Ankopplung der einzelnen Frequenzvervielfacherstufen kann die Frequenzvervielfaoherstufe
aus einer Betragsstufe, einer nachgeschalteten Parabelstufe und einem der Parabelstufe
nachgeordneten Differenzverstärker aufgebaut sein.
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Die Parabelstufe mit der vorgeschalteten Betragestufe führt die Quadratur
aus. Nach dieser Quadratur hat man bereits die doppelte Frequenz der Eingangsspannung.
Bei der Ankopplung weiterer Stufen besteht die Aufgabe darin, die Potentiale der
Koppelstellen mit
solchen Mitteln anzugleichen, die die Übertragung
auch niedriger, Frequenzen ermöglichen. Das geschieht mit Hilfe des Differenzverstärkers.
Ein Eingang des Differenzverstärkers wird so eingestellt, daß der Ausgang auf dem
gleichen Potential liegt wie der Eingang der nachfolgenden Stufe. Ist mit einer
Veränderung des Potentials der 1. Stufe während der Meßzeit zu rechnen, -so kann
mit bekannten Mitteln vom Tjrimärsignal ein Regelsignal abgeleitet werden, daß die
automatische Angleichung der Potentiale mit Hilfe des Differenzverstärkers ermöglicht.
Zur Quadrierung und Ankopplung kann die Schaltung auch so aufgebaut sein, daß der
Betragsstufe und der Parabelstufe ein Fotokoppler nachgeschaltet ist. Durch die
Verwendung dieses optisch-elektronischen Bauelementes wird eine gleichstrommäßige
Entkopplung der einzelnen Vervielfacherstufen erreicht.
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Eine Frequenzverdopplung ist gemäß Gleichung (I) auch uber die Multiplikation
erreichbar. Zur multiplikativen Mischung und damit zur Bildung der Funktion cos
2x benutzt man zwei gegen phasige Spannungen, die mittels Phasenumkehrstufe erzeugt
werden.
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Die Anordnung hierzu kann so aufgebaut sein, daß sie eine Verstärkerstufe
und eine ihr nachgeordnete Phasenumkehreinrichtung enthält, an deren Ausgängen jeweils
zwei Verstärkerstufen angeordnet sind, wobei den Verstärkerstufen Jeweils ein Fotokoppler
nachgeordnet ist. t)a für die Multiplikation wiederum optischelektronische Bauelemente
eingesetzt werden, wird damit gleichzeitig die bereits erwähnte Potentialtrennung
Je Stufe vorgenommen. Eine neuartige Möglichkeit zur Realisierung der Multiplikation
ist der
Einsatz eines Transparenz- oder Ablenkmodulators und einer
Lumineszenz- oder Laserdiode. Schaltungsmäßig kann das so gelöst werden, daß zur
Frequenzverdopplung durch Multiplikation in der Frequenzvervielfacherstufe statt
das zweiten Fotokopplers ein Transparenz- oder Ablenkmodulator und eine Lumineszenz-oder
laserdiode angebracht ist. Elne der beiden in der Phasenumkehrstufe gewonnen Spannungen
steuert die Lumineszenz- oder La serdiode, die andere den Modulator, durch den das
bereits amplitudenmodulierte Licht tritt und nochmals beeinflußt wird, bevor es
auf den Fotoempfänger gelangt.
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eben der angenaherten Nachbildung der Gleichung (I) ist auch eine
exakte Nachbildung, bei welcher das Gleichglied Eins berücksichtigt wird, möglich.
Leine Lösungsvariante besteht darin, daß zwischen den Vervielfacherstufen Jeweils
eine Summierstufe geschaltet ist, wobei den letzten Summierstufen der beiden Meßkanäle
jeweils ein Eingang des Zählers und gleichzeitig eine zusätzliche Quadrierstufe
zugeordnet ist und beiden Quadrierstufen eine gemeinsame Addierstufe nachgeschaltet
ist. Von dieser Addierstufe werden Signale auf die zwischen den Vervielfacherstufen
angeordneten Summierstufen gegeben.
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Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert
werden. In den zugehörigen Zeichnungen zei»;en: rliv. 1 eine Prinzipskizze der Meßanordnung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Frequnzvervielfacherstufe mit Quairierglie-d,
Fig.
3 ein Blockschaltbild einer Frequenzvervielfacherstufe zur Spannungsmultiplikation,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Frequenzvervielfacherstufe mit Abienkmodulator,
Fig. 5 eine Prinzipskizze einer Meßanordnung mit Gleichgliederzeustlng.
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In der Fig. 1 wird eine Meßanordnung beschrieben, in.der zur erhöhten
Auflösung eines Meßsystems 1 Frequenzvervielfacherstufen 2 eingesetzt sind. Ein
Gittermaßstab 3 wird gegenüber einem Indexstab 4 verschoben. Zum Meßsystem 1 rre
hört eine Beleuchtungseinrichtung 5 und eine Beleuchtungsoptik 6. Das Licht tritt
durch den Indexmaßstab 4, den Gittermaßstab 3 und durch eine Abbildungsoptik 7.
Bei Verschiebung des Gittermaßstabes 3 relativ zum Indexmaßstab 4 entsteht eine
annähernd sinusförmige minderung des Licht stromes, die mittels Fotoempfänger 8
gewandelt wird. Die Vervielfacherstufen z sorgen dafür, daß die Eingangsfrequenz
der Vervielfacherstufe Jeweils verdoppelt wird. Zwei identische Meßkanäle sind für
die Vorwärts-Rückwärtszählung des Verschiebeweges notwendig. Die einem Zahler 9
vorgeschaltete Enrscheidungslogik 10 fir iie Bewegungsrichtung verlangt zwei Signale,
die um t zueinander phasenverschoben sein müssen. burch den identischen Aufbau der
Meßkanäle wird diese Phasenverschiebung am Eingang der Entscheidungslogik 10 bzw.
am Ausgang der letzten Vervielfaclerstufe 2 Je Kanal durch eine entsprehende Phasenverschiebung
der Primärspannungen gemäß Gleichung (II) erreicht. Sei dem
dargestellten
Meßsystem 1 mit dem Gittermaßstab 3 und dem Indexmaßstab 4 müssen letztere relativ
zueinander um einen Betrag, der sich mit Hilfe von Gleichung (II) ermitteln läßt,
verschoben sein. Möglichkeiten der Ausbildung von Frequnzvervielfacherstufen 2 zeigen
die folgenden FIg. 2, 3 und 4.
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Aus einem in l<'ig. 2 bezeichneten Meßwert gebenden System 11
wird eine Signalspannung in eine Anordnung 12 gegeben.
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Diese Anordnung 12 besteht aus einer Quadrierstufe 13, einer leistungsstufe
14, einer Lumineszenzdiode 15 und einem Fotoempfänger 16. Die Quadrierstufe 13 verdoppelt
die Frequenz, indem sie die Beziehung (1') realisiert. Die nachgeschaltete Leistungsstufe
14, in welche die Signalspannung mit doppelter Frequenz gegeben wird, steuert die
Lumineszenzdiode 15, die ihre Lichtsignale auf den Fotoemfänger 16 gibt. Die Signalspannungen
des Fotoempfängers 16 werden in die Quadrierstufe einer nachgeschalteten Anordnung,
deren Aufbau identisch dem der Anordnung 12 ist, gegeben.
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Die Anordnungen 12 können in erforderlicher Anzahl einander nachgeordnet
werden.
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Die Fig. 3 zeigt eine Anordnung 17, in der eine Multiplikation in
Anlehnung an die Gleichung (I) durchgeführt wird.
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Die aus dem Meßwert gebenden System 11 gewonnene Signalspannung wird
über eine Verstärkerstufe 18 kn eine Phasenumkehrstufe 19 gegeben. Diese Phasenumkehrstufe
19 erzeugt die zweite gegenphasig verlaufende Spannung. Beide Spannungen werden
in nachgeordneten Verstärkerstufon 20 und 21 verstärkt und zur
Steuerung
von Lumineszenzdioden 22 und 23 verwendet.- Auf Empfangerdioden 24 und 25 wirken
die gegenphasig arbeitenden Lumineszenzdioden 22 und 23. In einem Multiplikator
36 wird durch die Verwendung an sich bekannter Schaltungen für die Multiplikation,
z. B. durch Verwendung der Fotodioden als steuerbare Widerstände oder durch Verwendung
von Feldeffekttransistoren, eine multiplikative Verknüpfung beider Spannungen erreicht.
Eine andere Möglichkeit zur Multiplikation zeigt die Fig. 4.
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Hier ist eine Anordnung 16, die eine Vervielfacherstufe mit Transparenzmodulator
darstellt, aufgebaut. Die Anordnung 16 ist identisch mit der Anordnung 17 außer,
daß statt zweier Lumineszenzdioden 22 und 23 und zweier Empfängerdioden 24 und 25
nur eine Lumineszenzdiode 27 und eine Empfängerdiode 28 angeordnet sind. In den
optischen Weg zwischen der Lumineszenzdiode 27 und der Empfängerdiode 28 ist ein
Transparenz-oder Ablenkmodulator 29 angeordnet. Er wird von dem Zwischen signal,
ds von der Phasenumkehrstufe 19 und der Verstärkerstufe 20 abgegeben wird, gesteuert.
Das zweite Zwischensignal, von der Phasenumkehrstufe 19 und der Verstärkerstufe
21 abgegeben, steuert die Lumineszendiode 27.
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In Fig. 5 wird eine Meßanordnung mit zwei Meßkanälen 30 und 31 zur
Vorwärts- und Rückwärtszählung dargestellt, mit der man in der Lage ist, die die
Frequenzverdopplung Je Stufe beschreivende Gleichung (1)1 vollkommen rechentechnisch
nachzubilden.
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Beide Meßkanäle 30 und 31 enthalten die gleich. Zahl gleichartig aufgebauter
Vervielfacherstufen 37. Diese Vervielfacherstufen 37 können in ihrem Aufbau identisch
den Anordnungen 12, 16 und 17 sein. Die Ausgangsspannungen der letzten Vervielfacherstufen
37 beider Kanäle 30 und 31, die eine Phasenverschiebung von 900 untereinander besitzen,
gelangen auf den Zähler 9. Außerdem werden diese Spannungen abgegriffen und auf
Je eine Quadrierstufe 32 und 33 gegeben und schließlich in der Addierstufe 34 addiert.
Auf diese Art erhält man das in Gleichung (I) geschriebene Gleichglied. Über Summierstufen
35 wird die Ausgangsspannung der Addierstufe 34 den Vervielfacherstufen 37 zugeführt.