DE2333413C2

DE2333413C2 - Verfahren zur Anzeige und/oder Registrierung elektrischer Größen und Anzeige- bzw. Registriergerät unter Anwendung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE2333413C2
Application number: DE2333413A
Authority: DE
Inventors: Ivan Dipl.-Ing. 3500 Kassel Novak
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1973-06-30
Filing date: 1973-06-30
Publication date: 1975-10-02
Also published as: FR2235357A1; FR2235357B1; SE7408457L; NL7408581A; JPS5526430B2; JPS5089073A; IT1016215B; DE2333413B1; GB1474788A; US3970931A; SE400647B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anzeige und/oder Registrierung elektrischer Größen und ein Anzeige- bzw. Registriergerät unter Anwendung dieses Verfahrens, wobei die elektrische Größe, gegebenenfalls über einen Meßstellenumschalter, nach Ver Stärkung einem Servomotor zugeführt wird, dessen Welle ein Anzeige- oder Schreiborgan längs ein'-r Skala oder eines Aufzeichnungsträgers derart bewegt,

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laß der Einfluß einer von der Lage des Anzeigeor- F i g. 10 eine Zuordnung von Istfrequenz, vierfa-

gans abhängigen Vergleichsgröße kompensiert wird. eher Sollfrequenz und halber Istfrequenz,

Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind viel- F i g. 11 eine Antikoinzidenzschaltung,
seitig bekannt, so z.B. aus dem Euch Philips Ta- Fig. 12 eine Schaltungsanordnung zur Differenzschenbuch für die elektronisch» Meßtechnik, Mün- 5 bildung,

eben, i960, insbesondere S. 49 bis 52, 88 bis 89, Fig. 13 Spannungsverläufe in der Schaltungsan-

92 bis 94 und 172 bis 186. Dabei wird z.B. ein Ordnung nach F i g. 12,

äußerer Widerstand (Widerstandsthermonu ler) mit F i g. 14 eine graphische Darstellung einer Fre-

einem inneren Widerstand (Vergleichswiderstand) quenzbegrenzung,

oder ek.c äußere Spannung (Thermoelement) mit io Fig. 15 eine Darstellung zur Erläuterung der Li-

einer inneren Spannung (Vergleichsspannung) ver- nearisierung in einem Regelkreis,

glichen, und bei Abweichungen der miteinander zu Fig. 16 ein Prinzipschaltbild eines linearisierten

vergleichenden Größen von einander wird mittels des Regelkreises,

Servomotors die innere Größe (Vergleichswiderstand, Fig. 17 ein Prinzipschaltbild zur Frequenzbegren-

Vergleichsspannung) so lange verändert, bis die Grö- i$ zung,

ßen einander gleich sind. Dabei ist es bekannt, die Fig. 18 Spannungsverläufe innerhalb der Schalinnere Größe mittels eines auf einem Widerstands- tungsanordnung nach F i g. 17, und
draht gleitenden Abgriffes zu verändern. Nachteilig Fig. 19 ein Prinzipschaltbild eines Leistungsversind dabei jedoch die Abnutzungen an Widerstands- stärkers für einen Schrittmotor,
draht und Schleifer sowie die Schwierigkeit, einen ao Die von einer oder mehreren Meßstellen gewonkonstanten und möglichst niedrigen Übergangswider- nenen Spannungen, z. B. von Thermoelementen, gestand zwischen Draht und Schleifer aufrechtzuerhalten, langen über einen Meßstellenumschalter 1 auf den

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Eingang eines als Tiefpaß wirkenden aktiven Filein Verfahren und ein Gerät der eingangs genannten ters 2 In diesem Filter werden alle Störfrequenzen Art zu schaffen, bei denen keine Bauelemente Ver- 25 oberhalb etwa 2 Hz unterdrückt. Der Ausgang des wendung finden, die einem die Betriebssicherheit und Filters ist mit dem Eingang eines Verstärkers 3 ver-Meßgenauigkeit beeinträchtigenden Verschleiß un- bunden, der die Eingangsspannung von etwa 5 mV terworfen sind. auf 0,5 V verstärkt und diese sodann auf einen er-

Zu diesem Zweck wird bei dem erfinduiigsgemä- sten Eingang eines Spannungs-Frequenz-Wandlers 4

ßen Verfahren die verstärkte elektrische Grobe zu- 30 gibt. Dieser wandelt die Eingangsspannung von 0 bis

nächst in eine ihrer Amplitude proportional erste 0,5 V in eine rechteckige Wechselspannung mit einer

Frequenz (Sollfrequenz) umgewandelt, diese Fre- Frequenz zwischen 1,5 und 3,25 kHz um, wobei die

quenz sodann mit einer von der augenblicklichen Periodendauer der Schwingung linear proportional

Lage des Anzeigeorgans abhängigen zweiten Fre- der Eingangsgleichspannung ist. Diese rechteckige

quenz (Istfrequenz) verglichen, und die Differenz- 35 Wechselspannung gelangt auf einen ersten Eingang

frequenz aus erster (Soll-) und zweiter (Ist-)Fre- eines Vervierfachers 5, an dessen Ausgang somit

quenz steuert sodann einen als Servomotor wirken- eine Frequenz von 6 bis 13 kHz abnehmbar ist. Diese

den Schrittmotor. vervierfachte Frequenz wird nunmehr einem ersten

Ein Registriergerät, das nach diesem Verfahren Eingang einer Vergleichsschaltung 7 zugeführt. Auf arbeitet, enthält einen Spannungs-Frequenz-Wandler, 40 noch näher zu beschreibende Weise gelangt auf einen eine Vergleichsschaltung, einen Frequenzbegrenzer, zweiten Eingang der Vergleichsschaltung 7 eine einen Steuerumschalter, einen Schrittmotor, dessen zweite Wechselspannung mit dem gleicher» Frequenz-Welle mit dem längs der Skala bewegbaren Zeiger bereich von 6 bis 13 kHz. An einem ersten Ausgang verbunden ist, sowie einen von der Stellung des Zei- der Vergleichsschaltung 7 steht nunmehr eine Diffeger gesteuerten Positions-Frequenz-Umsetzer, dessen 45 renzspannung von 0 bis 7 l;Hz zur Verfügung, wäh-Ausgangsfrequenz der Vergleichsschaltung zugeführt rend an einem zweiten Ausgang der Vergleichsschalwird. tung ein richtungsabhängiges Signal entnehmbar ist.

An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungs- Die Differenzfrequenz, die zwischen 0 und 7 kHz

beispiel der Erfindung näher beschrieben. Darin schwanken kann, wird einem ersten Eingang einer

zeigt So Frequenzbegrenzungsstufe 8 zugeführt. Diese Stufe 8

F i g. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des hat die Aufgabe, die Differenzfrequenz 0 bis 7 kHz

erfindungsgemäßen Verfahrens und eines dafür ge- auf 0 bis 280 Hz zu begrenzen, und diese Frequenz

eigneten Anzeige- bzw. Registriergerätes, (also 0 bis 280 Hz) gelangt gleichzeitig auf einen er-

F i g. 2 das Prinzipschaltbild eines aktiven Filters, sten Eingang eines Steuerumschalters 9 und auf einen

F i g. 3 das Prinzipschaltbild eines Meßspannungs- 55 ersten Eingang eines Leistungsverstärkers 10. Einem

Zerhacker-Verstärkers, zweiten Eingang des Steuerumschalters 9 wird das

F i g. 4 das Prinzipschaltbild eines Spannungs-Fre- Drehrichtungssignal Signal A / zugeführt. Die Aus-

quenz-Wandlers, gänge des Steuerumschalters und des Leistungsver-

F i g. 5 die Spannungsverläufe in der Schaltungs- stärkers steuern in bekannter Weise einen Schrittanordnung nach Fig. 4, 60 motor 11, mit dessen Welle ein Anzeigeorgan 13 ver-

Fig. 6 ein Detailschaltbild zu dem Wandler nach bunden ist, das längs einer Skala 14 bewegbar ist.

Fig. 4, Mit dem Anzeigeorgan 13 ist gleichzeitig auch der

F i g. 7 Spannungsver'äufe in der Schaltungsanord- Kern eines berührungslosen Positions-Frequenz-

nung nach F i g. 6, Wandlers 12 verbunden, dessen Ausgangsfrequenz /,„,

F i g. 8 eine Schaltungsanordnung zur Frequenz- 65 je nach Lage des Anzeigeorgans eine Frequenz zwi-

vervierfachung, sehen 12 und 26 kHz liefert. Diese Frequenz gelangt

F i g. 9 Spannungsverläufe in der Schaltungsanord- auf zweite Eingänge des Spannungs-Frequenz-Wand-

nung nach F i g. 8, lers 4, des Vervierfachers 5, der Vergleichsschal-

tung 7 und der Begrenzerschaltung 8 sowie auf einen Während des Integriervorganges des Integrators Eingang eines Frequenzteilers 6, in dem diese Fre- 38 wird dessen Ausgang stets negativer, was zur quenz halbiert, d. h. auf den Bereich von 6bis 13kHz Folge hat, daß die positive Spannung am —-Eingang herabgesetzt wird. Diese halbierte Frequenz wird des Komparators immer kleiner wird. Sobald sie ebenfalls der Vergleichsschaltung 7 zugeführt. Es sei 5 kleiner als Null, d. h. negativ, wird, kippt der Komnochmals bemerkt, daß sowohl bei der Umwandlung parator 38 um, sein Ausgang wird positiv und der der Eingangsspannung in eine Frequenz als auch Schalter 35 wird geschlossen. Infolgedessen wird der bei der Umwandlung der Position des Anzeigeorgans Ausgang des Spannungsfolgers 37 zu Null. Dabei 13 in eine Frequenz Spannung- und Positionsände- hat sich die Polarität der Spannung zwischen den rungen den Periodendauern proportional sind, je- io beiden Eingängen des Integrators 38 umgekehrt, doch deren reziproke Werte, d. h. die Frequenzen, Außerdem wirkt nun an dem — -Eingang des Kommiteinander verglichen werden. Dabei heben die parators39 nur die durch die Widerstände 40, 41, durch die Reziprokenbildung entstehenden Nicht- 42 abgeschwächte negative Ausgangsspannung des linearitäten einander auf. Integrators 38. Da sich zwar die Polarität der Spanin dem als Tiefpaß wirkenden aktiven Filter nach 15 nung zwischen seinen Eingängen, nicht jedoch de-F i g. 2 werden alle Wechselspannungen oberhalb ren Betrag ändert, integriert er mit gleicher Ge-2Hz unterdrückt, ohne daß die Gleichspannungs- sdhwindigkeit nunmehr in der anderen Richtung, komponente beeinflußt wird. Dabei gelangt die stö- Das heißt, die negative Spannung an seinem Ausrende Wechselspannung über einen Widerstand 21 gang wird wieder mit der gleichen Geschwindigkeit und einen Kondensator 22 an den invertierenden Ein- ao abgebaut. Das hat zur Folge, daß auch der — -Eingang eines Operationsverstärkers 23, in dem sie ent- gang des Komparators 39 immer weniger negativ sprechend verstärkt und um 180° gedreht wird und wird. Sobald dieser die Null-Linie überschritten sodann über einen Kondensator 24 der ursprüngli- hat, d. h. sobald der Kondensator 36 völlig entladen chen Störspannung entgegenwirkt. Über einen Wi- ist, kippt der Komparator 39 um. Dabei wird sein derstand 25 gelangt somit die gereinigte Gleichspan- as Ausgang negativ, und der Schalter 35 wird geöffnet, nung auf einen als Zerhacker arbeitenden MOSFET- Sodann wiederholt sich der Vorgang, wie Fig. 5 Transistor 26, der die Differenz zwischen der Ein- zeigt.

gangsspannung und der über einen Widerstand 27 Auf diese Weise erhält man am Ausgang des rückgekoppelten Ausgangsspannung zerhackt. Diese Komparators 39 eine rechteckige Spannung. Durch Differenzspannung beträgt nur einige /iV. 30 eine Veränderung des Verhältnisses der Widerstände Über einen Kondensator 28 gelangt nur noch die 40 und 41 zu dem Widerstand 42 läßt sich eine Ver-Wechselstromkomponente auf den Eingang eines änderung der Periodendauer vornehmen.
Operationsverstärkers29 und wird sodann mittels Wenn man den +-Eingang des Komparators39 eines weiteren MOSFET-Transistors 30 phasen- nicht mit Null, sondern nach F i g. 6 mit einer verempfindlich gleichgerichtet und in einem als Inte- 35 änderbaren negativen Spannung verbindet, die syngrator geschalteten weiteren Operationsverstärkers 31 chron mit der Bezugsspannung U_RFF durch einen geglättet. zweiten, ebenfalls vom Komparatorausgang gesteuer-Da jedoch diese Integrationsschaltung in sich nicht ten Schalter 48 zerhackt, wirkt sich dies so aus, daß stabil ist, muß eine Gegenkopplung an den inver- der Integrator 38 eine längere Zeit benötigt, um den tierenden Eingang des ganzen Verstärkers geführt 40 — -Eingang des Komparators auf die Spannung U_K ₊ werden. herunter und dann wieder auf Null heraufzuziehen, Die beiden MOSFET-Transistoren 26 und 30 wer- wie F i g. 7 zeigt. Dies bedeutet, daß man durch die den von einem astibilen Multivibrator 32 angesteuert, zerhackte Eingangsspannung des Konverters die Pedessen Frequenz etwa 700 Hz beträgt. riodendauer steuern kann. Durch die einstellbaren Die vom Verstärker 3 verstärkte Gleichspannung 45 Widerstände 41 und 49 lassen sich die Periodenwird also im Spannungs-Frequenz-Wandler in recht- dauer am Anfang und Ende des Zeigerweges genau eckige Impulse umgewandelt, deren Periodendauer einstellen und damit die Toleranzen der frequenzbeder Eingangsspannung des Wandlers linear propor- stimmenden Bauelemente und die des induktiven tional fct. Die Funktion wird an Hand der Fig. 4 Wegaufnehmers, d. h. des Positions-Frequenz-Wandnäher erläutert, der zeitliche Ablauf ist Fig. 5 zu 50 lers, ausgleichen. Die für die Umwandlung notwenentnehinen. dige Bezugsspannung U_REF wird durch eine Z-Diode Es sei angenommen, ein Schalter 35 sei offen und 50 (F i g. 4) geliefert. Die Schalter 35 und 48 sind ein Kondensator 36 sei entladen. Eine positive Be- Halbleiterschalter. Dem +-Eingang des Komparators zugsspannung V_REf erscheint am Ausgang eines werden Synchronisierungsimpulse zugeführt, deren Spannungsfolgers 37. Da der Ausgang eines Integra- 55 Größe zwar die beschriebene Funktion nicht beintors38 zunächst Null ist (der Kondensator 36 ist flußt, die aber ausreicht, im abgeglichenen Zustand entladen), erscheint am -Eingang eines Korn- die Sollfrequenz des Wandlers mit der Istfrequenz parators39 die durch einen Spannungsteiler 40, 41, des Wegaufnehmers in Phase zu halten.
42 herabgesetzte Bezugsspannung V_RFF (Fi g. 5). Da Der Vervierfacher 5 nach Fig. 1 ist in Fig. 8 der 4 -Eingang des Komparators 38 Null ist, ist sein 60 ausführlicher dargestellt. In dieser Schaltung wird die Ausgang negativ. Die volle Bezugsspanung erscheint Ausgangsfrequenz /_son des Spannungs-Frequenzan einem Widerstand 43, der mit dem Kondensator Wandlers 4 unter Verwendung der Istfrequenz/_(SI 36 die Integrationszeitkonstante des Integrators 38 des Wegaufnehmers als Triggerfrequenz vervierfachi bildet. Der +■ -Eingang des Integrators 38 wird durch und gleichzeitig mit dieser Triggerfrequenz synchronieinen Spannungsteiler 44, 45 auf der halben Bezugs- 65 siert. Am Ausgang dieser Vervierfacherschaltunf spannung gehalten. Somit liegt zwischen den bei- nach F i g. 8 treten somit Impulse auf, deren Dauei den Eingängen des Integrators 38 eine Spannungs- eben die Periodendauer der Schwingung des Weg diflercnz in Höhe der halben Bezugsspannung. aufnchmcrs ist und deren Anzahl pro Zeiteinhei

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viermal höher ist als die SoUfrequenz, d. h. die Aus- Die Impulse auf den Leitungen H B oder A Έ sind

gangsf requenz des Spannungs-Frequenz-Wandlers 4, immer nur eine Taktperiode 7"_/sr lang. Das bedeutet, die am Eingang der Vervierfacherschaltung 5 liegt. sie sind immer um mindestens zwei Taktperioden Diese Schaltung besteht zunächst aus vier J-K-IAa- voneinander entfernt. Jedoch kann einem Impuls auf ster-Släve-Flip-Flops 54, 54' und 55, 55'. Bei diesen 5 der einen Leitung bereits in der nächsten Taktperiode hängt der logische Zustand der Ausgänge (Q„ Q~d in ein Impuls auf der anderen Leitung folgen (Fig. 13). einem beliebigen Zeitpunkt nicht nur vom Zustand Das J-/C-Flip-Flop 56 wird durch die Istfrequenz der Eingänge (/₍, K₁) ab, sondern auch vom Zustand getriggert.

der Speicher zum selben Zeitpunkt. Weiterhin ent- Gelangt zum Zeitpunkt η also vor dem η-ten Takthält die Anordnung nach Fig. 8 vier UND-Gatter F₁, ίο impuls, ein Impuls an den Eingang/, so wird der F₂, F₃ und F₄. Für diese vief· UND-Gatter gelten fol- Ausgang Q nach diesem n-tenTaktimpuls »1« und der gende Gleichungen: Ausgang "Q »0«. Wenn während der nächsten Takt-

_ impulse beide Eingänge (J, K) »0« bleiben, ändert

*i ⁼ Q\'Qz sich nichts an dem Zustand der AusgängeQ und φ,

F₂ = örßa 15 wie Fig. 13 zeigt. Das heißt: Der AusgangQ bleibt

P₃ = Q_s-'Q_i und weiterhin »1«. Gelangt nun ein Impuls an den Ein-

F=O-Q 8^an8 ^' ^{so w}'^rc* ^nacn ^^em nächsten Taktimpuls der

⁴ 3 ⁴ AusgangQ — »0« und der Ausgang5⁼ »1«· Wenn

Jede Zustandsänderung von »0« auf »1« ergibt jedoch an Stelle dieses Impulses ein neuer Impuls nach dem nächsten Taktimpuls einen Impuls am Aus- 20 an den Eingang J gelangt, wird der Ausgang des gang F₁ und nach weiteren zwei Taktimpulsen einen nachgeschalteten UND-Gatters 57 »1«, da auch der Impuls am Ausgang F₃. Beide Impulse sind von nur andere Eingang dieses Gatters vom Ausgang Q des einer Taktperiodendauer. Flip-Flops 56 auf »1« gehalten wird. Ebenso wird

Jede Zustandsänderung von »1« auf »0« am Ein- jeder weitere Impuls auf der Leitung Ά Β durchgegang J₁ ergibt nach dem nächsten Taktimpuls einen 25 lassen, allerdings nur dann, wenn die Leitung A Ή Impuls am AusgangF₂ (Fig. 9), und nach weiteren ununterbrochen »0« gewesen ist. Da diese Schaltung zwei Taktimpulsen einen Impuls am Ausgang F₄. symmetrisch aufgebaut ist, gilt das gleiche auch um-Beide Impulse sind wieder von nur einer Takt- gekehrt für die Leitung A TB und den unteren Eingang periodendauer. des zweiten UND-Gatters58. Wie in Fig. 12 einge-

Jede Zustandsänderung am Eingang hat also je 30 tragen ist, liefert das obere UND-Gatter 57 die Diffezwei aufeinanderfolgende Impulse zur Folge. Ein renzfrequenz, wenn die halbe Istfrequenz größer als Impuls am Eingang, den man als eine zweifache Zu- die vierfache SoUfrequenz ist, und das untere UND-standsänderung auffassen kann, hat also vier zeitlich Gatter 58 dann, wenn die Istfrequenz kleiner als die verschobene Impulse zur Folge, die man durch ein achtfache SoUfrequenz ist.

ODER-Gatter oder auch durch ein ODER-NICHT- 35 Wenn die Istfrequenz gleich der achtfachen Soll-Gatter auf einer Leitung vereinen kann. Dafür ist frequenz ist, bleiben beide UND-Gatter 57 und 58 Voraussetzung, daß die Zustandsänderungen um min- auf »0«, da alle Impulse entweder in der Antikoinzidestens drei Taktperioden nacheinander folgen oder, denzschaltung oder im Zähler einander aufheben,
anders ausgedrückt, die Istfrequenz muß mindestens Den UND-Gattern 57 und 58 ist ein erstes ODER-

so groß sein wie die sechsfache SoUfrequenz. 40 NICHT-Gatter 59 nachgeschaltet, dem ein zweites.

Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, fallen die als Inverter geschaltetes ODER-NICHT-Gatter 60 Impulse der einen mit denen der anderen Zustands- folgt, an dessen Ausgang der Betrag der Differenzänderung zeitlich zusammen, so daß keine Vervier- frequenz A / abnehmbar ist.

fachung der Eingangsfrequenz erfolgt. Um einem da- Es bedarf jedoch einer weiteren Information dar-

durch möglichen Fehlabgleich zu begegnen, ist zwi- 45 über, welche der beiden miteinander verglichenen sehen dem Vorverstärker und dem Spannungs-Fre- Frequenzen höher bzw. niedriger ist, weil davon die quenz-Wandler ein Verzögerungsglied vorgesehen, Drehrichtung des Schrittmotors abhängt. Diese Indas aus einem Widerstand 50 und einer Kapazität 51 formation wird einem weiteren J-K-Flip-Flop 61 entbesteht und dessen Zeitkonstante derart bemessen ist, nommen, dessen Eingänge mit den Eingängen des daß eine zu schnelle Änderung der Wandlerfrequenz 50 ersten ODER-NICHT-Gatters 59 verbunden sind und hon verhindert wird. das ebenfalls durch die Frequenz/_Isf synchronisiert

In der Multiplizierschaltung wird also die Fre- wird.

quenz des Spannungs-Frequenz-Wandlers 4 (F i g. 1) Wenn das eine der beiden UND-Gatter 57 bzw. 58

vervierfacht, d. h. in den Frequenzbereichen von etwa Impulse liefert, wird der entsprechende Ausgang des 6 bis 13 kHz übertragen, wobei die Impulsdauer 55 Flip-Flops 61 »1«, und zwar solange, wie das andere frequenzunabhängig ist und immer der Periodendauer UND-Gatter 58 bzw. 57 keine Impulse liefert. Das der Istfrequenz entspricht. Durch Halbierung der Ist- heißt, der logische Zustand am Ausgang des FUpfrequenz in der Stufe6 (Fig. 1) wird also auch die Flops61 ist die zusätzliche Information, wdche der Istfrequenz in den selben Bereich von 6 bis 13 kHz beiden Frequenzen, die halbe Istfrequenz oder die übertragen. Beide Frequenzen liegen nunmehr im 60 vierfache Sollfrequenz, höher ist Dieser Ausgang des gleichen Frequenzbereich, sie sind miteinander syn- Flip-Flops 61 ist mit einem Eingang eines Steaerchronisiert und weisen die gleichen Impulslängen auf, Umschalters 9 (F i g. 1) bekannter Bauart verbunden wieFig. 10zeigt. und steuert die Reihenfolge, mit der die Leitungen

Die gesachte Differenz beider Frequenzen wird in des Schrittmotors umgeschaltet werden, also dessen der Stufe? (Fig. 1) ermittelt. Diese Stufe enthält 65 Drehrichtung.

zunächst eine Antikoinadenzshrfe nach Fig. 11 und. Am Ausgang des ODER-NICHT43atters60 steht

daran anschließend, eine Zählstufe nach Fig. 12, in also der Betrag der Differenzfrequenz I/ von 0 bis der die Differenzfrequenz gebildet wird. 7 kHz zur Verfügung. Nimmt man an, daß der vcr-

wendete Schrittmotor bei der vorgesehenen Belastung zwei aufeinanderfolgende Abschnitte unterteilt, nämmaximal nur 300 Impulse pro Sekunde verarbeiten lieh einen linearen ersten und einen exponentiellen kann, muß die auftretende Differenzfrequenz auf zweiten Abschnitt. Auf diese Weise wird erreicht, daß maximal diesen Wert, zweckmäßigerweise etwas dar- sich der Schrittmotor zunächst mit der für ihn zuunter, begrenzt werden. Beispielsweise wird hier da- 5 lässigen Höchstgeschwindigkeit von etwa 280 Schritvon ausgegangen, daß diese Maximalfrequenz 280 Hz ten pro Sekunde bewegt.

beträgt, wie Fig. 14 zeigt. Dort ist auf der Abszisse Mit dieser konstanten Geschwindigkeit läuft der

die Differenzfrequenz Δ f, und auf der Ordinate die Schrittmotor nun so lange, bis die Differenzfrequenz begrenzte Differenzfrequenz Δ fb dargestellt, die hier Aj durch die Annäherung der Ist-Position an die bei 280 Hz liegt. ι ο Sollposition den Wert von 280 Hz unterschreitet.

Es scheint zunächst nahezuliegen, als maximale Dieses geschieht zu einem bestimmten Zeitpunkt vor Differenzfrequenz gleich die maximale Schrittfrequenz Erreichen des Endwertes, und von da an erfolgt eine des Motors zu wählen. Im Hinblick auf die Dynamik exponentielle Annäherung der Ist-Position an die des Anlaufvorganges erweist sich diese Wahl jedoch Soll-Position mit abnehmender Geschwindigkeit. Soals unzweckmäßig. Ersetzt man nämlich, vergleiche 15 bald beide Positionen übereinstimmen, liefert die Difhierzu F i g. 15, die Hyperbel ferenzschaltung keine Impulse mehr, und Schritt

motor und Anzeigtorgan bleiben stehen.

, _ 1 Zur Begrenzung der Differenzfrequenz auf 280 Hz

T + k χ '^st beispielsweise eine Schaltungsanordnung nach

⁰⁸ 20 Fig. 17 vorgesehen. Dabei wird die Differenzfre-

wobei χ die Position des Anzeigeorgans darstellt, quenz , f / dem Eingang K eines /-K-Flip-Flops 63 zudurch ihre Sekante, so erhält man — ohne eine Fre- geführt, das gleichzeitig durch die Istfrequenz f_ist gequenzbegrenzung — nach Normierung den folgenden triggert wird. Der andere Eingang / liegt fest an dem linearisierten Regelkreis für die Umgebung des Ar- Potential »1« (+ 5 V). Bei diesem Flip-Flop erscheint beitspunktes, vgl. Fi g. 16. *5 jeder Impuls, der stets nur eine Taktperiode lang ist,

Die Konstante K₁ kennzeichnet den L/_f/r_so„-Wand- um eine Taktperiode verspätet am Ausgang ~Q. Tritt ler, die Konstante K₃ den induktiven Wegaufnehmer am Ausgang £5 dasPotential »1« auf, wird gleichzeitig und der FaktorKJp berücksichtigt das integrierende der AusgangQ »0«, wie Fig. 18 zeigt. Diese Poten-Verhalten des Schrittmotors. tialänderung von »1« auf »0« am Ausgang Q triggert

Für eine Sprungfunktion am Eingang U_e (t) 3° ein darauffolgendes Mono-Flop 64 über dessen Ein- = U_e ■ 1 (0, erhält man in diesem Falle eine expo- g^ä"ge 65, während dessen dritter Eingang 66 vom nentielle Antwort. Da zwischen der Position χ (<) des Ausgang 67 (M₂) eines zweiten Mono-Flops 68 auf Anzeigeorgans und der zum Erreichen dieser Posi- Potential »1« gehalten wird. Am Ausgang69 (M₁) tion notwendigen Anzahl der Schritte S (/) eine line- des ersten Mono-Flops 64 erscheint ein Impuls, desare Zuordnung besteht, kann man schreiben 35 sen Dauer durch einen Widerstand 70 und einen Kon

densator 71 auf die halbe Periodendauer der maxi-

/ _ ' \ malen Schrittfrequenz von 280 Hz eingestellt ist.

5 (') = S| U — * ¹Z * Die Abstiegsflanke dieses Impulses triggert wieder

um das zweite Mono-Flop 68 über dessen parallel-

wobei 5, die Anzahl der Schritte ist, die zum Errei- ₄₀ geschaltete Eingänge, während dessen dritter Einehen der Position x, zurückgelegt werden müssen. Da gang ebenfalls fest auf Potential »1«( +5 V) liegt, in diesem Regelkreis keine Begrenzung der Differenz- Am Ausgang 72 (M₂) des zweiten Mono-Flops 68 frequenz Af vorgesehen ist, darf die maximale Ge- erscheint somit ein Impuls, dessen Dauer durch einen schwindigkeit, also die Anfangsgeschwindigkeit im Widerstand 73 und einen Kondensator 74 ebenfalls Zeitpunkt t — 0 die schon erwähnten, angenommenen ₄₅ auf die halbe Periodendauer von 280 Hz einge-280 Schritte/sec nicht überschreiten. stellt ist.

Bei einer Änderung der Eingangsspannung U_e von Wenn der Ausgang 72 (M.) das Potential »1« an-

0 auf 100"/» (oder umgekehrt) sind etwa 570 Schritte nknmt, wird auch der Eingang 75 eines UND-Gatters notwendig, um auch das Anzeigeorgan von 0 auf 76 »1«. Gleichzeitig wird der Ausgang67 (H₄) des 100 ^e/o zu bringen. Daraus ergibt sich die Zehkon- 50 zweiten Mono-Flops 68 »0« und blockiert über den stante r. Eingang 66 das erste Mono-Flop 64 gegen eine neue

Um eine maximale Abweichung von 0,1 °/o zu er- Triggerung während des Impulses am Aasgang 72 reichen, rechnet man mit 7 τ. Das heißt, bei einer (M₂) des zweiten Mono-Flops 68. Anfangsgeschwindigkeit von 280 Schritten pro Se- Gelangt während dieses Impulses ein neuer Impuls

künde würde der Anlauf etwa 14 Sekunden in An- 55 an den Eingang K des J-K-Flip-Flops 63, so erscheint sprach nehmen. Bei einer periodischen Umschaltung nach dem nächsten Taktimpuls am Ausgang 5 das der Meßstellen in Abständen von jeweils 5 Sekunden, Potential »1«. Das hat zur Folge, daß der Ausgang stehen für den Anlauf nur 3 Sekunden zur Verfugung, des UND-Gatters 76 ebenfalls »Ic wird. Über ein als während eine Sekunde für den Druckvorgang und Inverter geschaltetes NOR-Gatter 77 wird der Setzeine Sekunde für das Umschalten zur nächsten Meß- 60 eingang 78 des FBp-FIops 63 zu »0«. Da dieser Einstelle benötigt werden. Die Anfangsgeschwindigkeit gang die Ausgänge (7 und Q beeinflußt, bleibt am müßte also wesentlich erhöht werden, damit 7 τ klei- Ausgang ~Q das Potential »1« und am Ausgang Q das «er als 3 Sekunden bleiben. Daraus ergibt sich for τ Potential »0«, ohne Rücksicht auf den logischen Zumaxhnal 0,43 Sekunden. stand der Eingänge K, J und 66. Mit anderen Wor-

Die daraus resultierenden 1400 Schritte pro Se- 65 ten: Das Flip-Flop speichert den ersten Impuls, der künde sind jedoch für den vorgesehenen Schrittmotor während der Dauer des Impulses am Ausgang 72 zn viel. Deshalb wird bei der als Ausführungsbeispiel (M₂) des zweiten Mono-Flops 68 an seinen Eingang beschriebenen Schaltangsanordnung der Anlauf in K gelangt.

Sobald der Impuls am Ausgang 72 (M.,) abgeklungen ist, wird der Setzeingang 78 wieder »1«, und die Blockierung des Flip-Flops ist aufgehoben.

Da sich bis zum nächsten Taktimpuls die Zustände an den Ausgängen S und Q nicht ändern (Q bleibt »1«, und Q bleibt »0«), wird durch die gleichzeitige Änderung von »0« auf »1« am Eingang 66 des ersten Mono-Flpps 64 dieses sofort neu getriggert und das ganze Spiel wiederholt sich.

Falls während des Impulses am Ausgang 72 (M₂) des zweiten Mono-Flops kein Impuls an den Eingang K des Flip-Flops 63 gelangt, bleiben seine Ausgänge unverändert, d.h. "Q bleibt »0«, und Q bleibt »1«. Dies hat nun zur Folge, daß nach dem Abklingen des Impulses am Ausgang 72 (M₂) des zweiten Mono-Flops 68 keine automatische Neutriggerung des ersten Mono-Flops 64 durch die Änderung von »0« auf »1« an dessen Eingang 66 möglich ist. Vielmehr ist für eine erneute Triggerung auch ein neuer Impuls am Eingang K des Flip-Flops 63 erforderlich.

Auf diese Weise wird erreicht, daß Impulse mit einer niedrigeren Wiederholungsfrequenz als 280 Hz (entsprechend dem reziproken Wert der Summe von Impulsdauern der beiden Mono-Flops) die Schaltung ohne eine Frequenzänderung passieren. Dagegen werden alle höheren Frequenzen auf 280 Hz begrenzt, denn durch die Speicherung der ankommenden Impulse im Flip-Flop 63 triggert das eine Mono-Flop unverzüglich das andere, dieses jedoch ist wegen der eingestellten Impulsdauern nur 280mal pro Sekunde möglich.

Ein Schrittmotor, wie er in der hier beschriebenen Schaltungsanordnung Verwendung findet, ist ein Bauelement, welches in Verbindung mit einem elektrischen oder elektronischen Steuerumschalter eine direkte Umsetzung von digitalen, elektrischen Informationen (Impulsen) in definierte mechanische Winkelschritte ermöglicht. Bei jedem Impuls, den der Steuerumschalter erhält, dreht sich die Motorwelle um einen für den betreffenden Motor spezifischen Winke! weiter.

Zum Betrieb eines Schrittmotors sind Gleichströme erforderlich, die ir, bestimmter Reihenfolge den Wicklungen des Motors zugeführt werden müssen. Zui Umschaltung dienen zweckmäßigerweise elektronische Steuerumschalter. Diese sind in Fig. 19 als mechanische Schalter 89, 90, 91, 92 dargestellt, die die Wicklungen 85, 86, 87, 88 des Motors periodisch an Spannung legen. Solange die Frequenzvergleichsschaltung keine Impulse liefert, steht der Schrittmotor still. Während dieser Zeit wird dem +-Eingang eines Operationsverstärkers 82 über einen Spannungsteiler 80, 81 eine geringe positive Spannung zugeführt, so daß am Emitter einer nachgeschalteten Darlingtonstufe 83 eine Ruhespannung von etwa + 2 V steht, die zum Erhalten eines notwendigen Haltemoments dient. Sobald von der Frequenzvergleichsschaltung über eine Schutzdiode 84 Impulse auf den + -Eingang des Operationsverstärkers 82 gelangen, werden sie in diesem verstärkt, so daß die Darlingtonstufe 83 voll ausgesteuert wird und somit die volle Speisespannung (etwa 12 V) an den jeweils eingeschalteten Wicklungen steht. Zum Schütze des Operationsverstärkers 82 und der Darlingtonstufe 83 sind weitere Schutzdioden 93 und 94 vorgesehen.

Auf diese Weise wird die Leistungsaufnahme frequenzabhängig, d. h. sehr niedrig, wenn der Schrittmotor steht, und hoch bei maximaler Geschwindigkeit. Dadurch wird die Abnahme des Drehmoments bei höheren Geschwindigkeiten reduziert.

Der verwendete Positions-Frequenz-Wandler ist von an sich bekannter Bauart, so daß sich dessen Beschreibung erübrigt.

Es sei bemerkt, daß die beschriebene Schaltungsanordnung nur ein Ausführungsbeispiel für ein Gerät darstellt, das nach dem neuen Verfahren arbeitet. Selbstverständlich können auch andere Frequenzen zugrundegelegt werden.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Anzeige und/oder Registrierung elektrischer Größen, wobei die elektrische Größe, gegebenenfalls über einen Meßstellenumschalter, nach Verstärkung einem Servomotor zugeführt wird, dessen Welle ein Anzeige- oder Schreiborgan längs einer Skala oder eines Aufzeichnungsträgers derart bewegt, daß der Einfluß einer von der Lage des Anzeigeorgans abhängigen Vergleichsgröße kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkte elektrische Größe zunächst in eine ihrer Amplitude proportionale erste Frequenz (Sollfrequesz) umgewandelt, diese Frequenz sodanii mit einer von der augenblicklichen Lage des Anzeigeorgans abhängigen zweiten Frequenz (Istfrequenz) verglichen und die Differenzfrequenz aus erster und zweiter Frequenz sodann einen als Servomotor wirkenden Schrittmotor steuert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu verstärkenden Eingangsspannung überlagerte Störspannungen ausgefiltert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Sollfrequenz und Istfrequenz im abgeglichenen Zustand einander gleich sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen Soll- und Istfrequenz auf einen Maximalwert begrenzt wird.

5. Anzeige- bzw. Registriergerät unter Benutzung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Spannungs-Frequenz-Wandler (4), eine Vergleichsschaltung (7), einen Frequenzbegrenzer (8), einen Steuerumschalter (9), einen Schrittmotor (11), dessen Welle mit dem längs der Skala (14) bewegbaren Zeiger (13) verbunden ist, sowie einen von der Stellung des Zeigers (13) gesteuerten Positions-Frequenz-Umsetzer (12), dessen Ausgangsfrequenz (fi_sl) gleichzeitig mit der Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Wandlers (4) den Eingängen der Vergleichsschaltung (7) zugeführt wird.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Meßstelle bzw. Meßstellenumschalter (1) und dem Eingang des Verstärkers (3) ein Tiefpaßfilter (2) geschaltet ist.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Grenzfiequ»mz des Tiefpaßfilters (2) etwa 2 Hz beträgt.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Ausgangsspannung des Verstärkers 0,5 V beträgt.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Frequenztransponierung der Ausgangsspannung (f_s„u) des Spannungs-Frequenz-Wandlers (4) und der Ausgangsspannung Q₁₅,) des Positions-Frequenz-TJmsetzers (12) vorgesehen sind.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur

Frequenztransponierung Vervielfacher- und Teilerstufen sind.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (3) ein Zerhacker-Verstärker ist

12. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannungen des Spannungs-Frequenz-Wandlers (4) und des Positions-Frequenz-Umsetzers (12) Rechteckspannungen sind.

13. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (8) zur Begrenzung der der Vergleicherschaltung (7) entnommenen Differenzfrequenz (Af) vorgesehen sind.

14. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauern der von dem Spannungs-Frequenz-Wandler (4) abgegebenen Frequenz und der von dem Positions-Spannungs-Umsetzer (12) abgegebenen Frequenz der Eingangsspannung bzw. der Position linear proportional sind.

15. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der begrenzten Differenzfrequenz angesteuerter Leistungsverstärker (10) zur Betätigung des Schrittmotors (11) vorgesehen ist.

16. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Positions-Frequenz-Umsetzer (12) einen von dem Anzeigeorgan (13) geführten und die Induktivität eines Schwingkreises verändernden Kern enthält.

17. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (2) ein sogenanntes aktives Filter ist.

18. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (50, 51, 52) zur Verzögerung von Frequenzänderungen des Spannungs-Frequenz-Wandlers (4) vorgesehen sind.

19. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung (7) aus einer Antikoinzidenzstufe und einer Zählstufe besteht.

20. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsstufe (7) ein Signal zur Vorzeichenerkennung der Differenzfrequenz entnehmbar ist.

21. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Unterteilung des Anlaufvorganges des Schrittmotors in einen linearen ersten und einen exponentiellen Abschnitt vorgesehen sind.