DE2407678A1

DE2407678A1 - Schaltungsanordnung zur digitalisierung eines drehwinkels phi

Info

Publication number: DE2407678A1
Application number: DE19742407678
Authority: DE
Inventors: Gerhard Klemt; Dieter Dipl Ing Leypold; Bruno Maier; Klaus Von Dr Ing Pieverling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-02-18
Filing date: 1974-02-18
Publication date: 1975-08-21
Also published as: CH607183A5; BE825669A; FR2261576A1; NL165312C; DE2407678C3; NL165312B; US4015251A; NL7501428A; FR2261576B1; IT1031617B; GB1493988A; DE2407678B2

Description

Schaltungsanordnung zur Digitalisierung eines Drehwinkels φ.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Digitalisierung des Drehwinkels φ einer drehbaren, mit fa Umdrehungen pro Sekunde betriebenen Einrichtung, unter Verwendung vcn mit dem sincp und dem coscp modulierten Hilfsspannungen einer Grundfrequenz fo, die durch weitere Schaltmittel in eine den Drehwinkel angebende Zählimpulsfolge umgesetzt werden, bei der η Impulse dem Drehwinkel von 360° entsprechen.

In der deutschen Offenlegungsschrift 2 054 553 ist eine Vorrichtung zur Übermittlung der Winkellage einer drehbaren Einrichtung unter Verwendung zweier Hilfsspannungen beschrieben, wobei die eine Hilfsspannung der Funktion U1 = sincp· sin27ffo«t und die zweite Hilfsspannung der Funktion U2 *= coscp. cos2n»fo.t genügt. Dabei ist φ der Drehwinkel der drehbaren Einrichtung und f ο die Frequenz der Hilfsspannung des Winkelgebers. Bei der bekannten Anordnung werden aus dem Analogsignal der Hilfsspannungen U1, U2 Impulsreihen mittels Abtastschaltungen gebildet und es wird eine 90° Phasenverschiebung der Impulsreihen vorgenommen. Darüber hinaus wird ein Bezugsphasensignal erzeugt und mit dem aus dem ursprünglichen Signal abgeleiteten Signal verglichen. Die bekannte Anordnung erfordert zur Durchführung der Winkelumsetzung einen sehr großen Aufwand.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, auf welchem es möglich ist, mit geringem Aufwand die Umsetzung eines analogen Drehwinkels in Digitalwerte vorzunehmen und dabei eine ausreichend

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hohe Auflösegenauigkeit der Winkelwerte zu erzielen. Gemäß der Erfindung, welche sich auf eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß aus den beiden Hilfsspannungen eine dritte Hilfsspannung gebildet ist, die entweder nur noch die Frequenz fo+fa oder nur noch die Frequenz fo-fa enthält, daß die dritte Hilfsspannung und eine Vergleichsspannung der Frequenz n.fo einem als Vergleichsschaltung arbeitenden D-Flip-FIop derart zugeführt werden, daß am D-Eingang (Vorbereitungseingang) die Vergleichsspannung und am Clock-Eingang die dritte Hilfsspannung liegt, und daß am Ausgang des D-Flip-Flop die gewünschte Zählimpulsfolge n«fa abgenommen wird.

Einzelheiten sowie Weiterbildungen der Erfindung werden . nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung

nach der Erfindung,
Fig. 2 Zeigerdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1..

In Fig. 1 ist als drehbare Einrichtung eine Antenne A dargestellt, welche bevorzugt bei einem Rundsuch-Radargerät Verwendung finden kann. Der die" Antenne drehenden Welle W ist ein Geber G zugeordnet, welcher in bekannter Weise zwei Ausgangsspannungen U1 und U2 liefert. Die Spannung U1 hat dabei die Funktion

U1(t) = cosf(t) · cos2Ti»fo.t (1)

Die Spannung U2 entspricht der Funktion

U2(t) = sincp(t) · cos2n«fo.t (2)

Dabei ist φ der Drehwinkel der Antenne z.B. gegenüber der Nordrichtung und fo die Hilfsfrequenz eines Gebers, welche bevorzugt bei 400 Hz liegt. Geht man davon aus, daß φ bei fa Umdrehungen in der Sekunde auch geschrieben werden kann als

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φ = 2n»fa»t (3)

so lassen sich die Gleichungen (1) und (2) umformen in U1(t) = cos (2n«fa«t) . cos2n.fo.t (1a)

Ü2(t) = sin (2n«fa.t) · cos2n«fo.t (2a)

Daraus lassen sich durch trigonometrische Umformungen Funktionen gewinnen, die gegeben sind durch U1(t) = cos 2π (fo+fa).t + cos 2π (fo-fa).t (11)) und

U2(t) = sin 2π (fo+fa)«t + sin= 2π (fo-fa).t (2b) Man erkennt daraus, daß U1 und U2 Signalgemische zweier Frequenzen enthalten, welche gegeben sind durch die Frequenzwerte (fo+fa) und. (fo-fa). Wenn somit die Antenne A gerade eine Umdrehung pro Sekunde durchführt und die Frequenz fo = 400 Hz gewählt ist, so treten Schwingungen der Frequenzen 401 und 399 Hz auf.

Um eine einzige der beiden Schwingungen zu gewinnen, muß zunächst die andere Frequenzkomponente eliminiert werden. Im vorliegenden Beispiel ist davon ausgegangen, daß die Frequenz fo-fa eliminiert werden soll. Hierzu wird die Hilfs-.spannung U2 einer 90°-Phasenverschiebung durch ein T-Glied mit im Längszweig liegenden ohmschen Widerstandselementen R4 (einstellbarer Widerstand), R5 und mit einer im Querzweig liegenden Kapazität C1 unterworfen. Die Spannung U1 durchläuft ein T-Glied, dessen Längswiderstände mit R2 und R3 und dessen einstellbarer Querwiderstand mit R1 bezeichnet ist. Dieses nur aus ohmschen Widerständen bestehende T-Glied bewirkt keine Phasenverschiebung, sondern nur eine Amplitudenänderung.

Da an der mit X. bezeichneten Zusammenschaltstelle der beiden Spannungen U1 und U2 diese gleichgroße Amplituden aufweisen müssen, ist der Widerstand R1 einstellbar. Mit dem ebenfalls einstellbaren Widerstand R4 kann die gewünschte

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Phasenverschiebung von 90° von U2 gegen U1 genau eingestellt werden. In vielen Fällen wird es zweckmäßig sein,

"Zur Phqsti-hi/er&chi&hiJnQ eine mehrstufige RC-Schaltung zu verwenden. In der Praxis hat sich besonders eine stufige Schaltung dieser Art bewährt.

nachträglich geändert

drei-

Da unter Umständen Störspannungsspitzen bei den Spannungen U1 und U2 auftreten können, ist an der mit ST bezeichneten Zusammenschaltstelle eine Kapazität C2 vorgesehen, welche diese Störspannungen gegen Masse ableitet. Der ohmsche Widerstand R7 ist an der gleichen Stelle angeschaltet und dient zur Einstellung eines niederohmigen Quellwiderstands für den nachfolgenden Komparator KV1.

Zur Erläuterung, wie aus den Hilfsspannungen U1 und U2 an der Zusammenschaltstelle 21 die dritte Hilfsspannung U3 entsteht, ist auf Fig. 2 Bezug genommen.

In Zeile a) von Fig. 2 ist die Hilfsspannung U1 dargestellt. Diese Hilfsspannung entsteht aus zwei gegensinnig rotierenden Vektoren U1n (nacheilend, d.h. entsprechend fo-fa) und U1v (voreilend, entsprechend fo+fa).

Das gleiche gilt für die in Zeile b) dargestellte Hilfsspannung Ü2, welche aus den Vektoren U2n (entsprechend fo-fa) und U2v (entsprechenf fo+fa) entsteht.

In Zeile c) ist die Lage der Hilfsspannung U2 nach der 90° Drehung mit Ü2■; die der <
mit U2»n und U2^fv bezeichnet.

90° Drehung mit Ü2'; die der entsprechenden Teilvektoren

Überlagert man die Teil-Hilfsspannungen Ü1n, U1v nach Zeile a) und U2'v, U2'n nach Zeile c) an der mit 21 bezeichneten Zusammenschaltstelle, so zeigt sich, daß die Vektoren U2^fn und U1n gegenphasig sind und sich bei gleichgroßen

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Amplitudenwerten somit gegenseitig kompensieren. Dagegen sind die beiden Vektoren U2*v und U1v gleichphasig und überlagern sich zu der dritten Hilfsspannung U3. Diese Hilfsspannung hat somit im vorliegenden Beispiel nur nocK die Frequenz fo+fa.

Wollte man stattdessen fo+fa eliminieren und fo-fa zur Auswertung heranziehen _t so müßte die Hilfsspannung U2 statt um +90° Centsprechend Zeile c) in Fig.2) um -90° in der Phase gedreht werden. Dies läßt sich z.B. dadurch realisieren, daß beim T-Glied für den Übertragungsweg von U2 ein Kondensator im Längszweig eingeschaltet wird. Man könnte auch die Hilfsspannung Ü2 ohne Phasenverschiebung zur Zusammenschaltstelle -JI führen und U1 um +90° in der Phase drehen.

In geeigneter Weise, z.B. durch einen Komparator KV1, werden die sinusförmigen Schwingungen der Hilfsspannung U3 in Rechteckschwingungen der gleichen Frequenz fo+fa umgeformt. Diese Rechteckschwingungen gelangen zum Clock-Eingang einer in Form eines D-Flip-Flops aufgebauten Vergleichsschaltung VS, Hierfür kann beispielsweise ein als integrierter Baustein ausgebildetes D-Flip-Flop der Firma Texas Instruments mit der Typenbezeichnung SN 5474 oder SN 7474 benutzt werden Am Clear-Eingang(1)und am Preset-Eingang(4)des D-Flip-Flop liegt jeweils +1.

Der zweite Informations-Eingang D des D-Flip-Flops VS wird ebenfalls mit Rechteckschwingungen Ud beaufschlagt, welche die Frequenz n«fo aufweisen. Dabei ist η die Zahl der Winkelschritte (Zählimpulse), in die eine volle Umdrehung von φ = J6O° quantisiert werden soll. Für η werden bevorzugt Werte von 2 verwendet. Nimmt man an, daß k = 7 gewählt ist, dann ergibt sich η = 128. Mit fo = 400 Hz muß somit die Frequenz am Eingang D des Flip-Flops 128 . 400 =51,2 kHz betragen. Zur Erzeugung dieser Frequenz dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel der rechtedcförmige Spannungen liefernde Oszillator CO, welcher bevor-

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zugt auf einer Vielfachen der Frequenz nfo, beispiels- · weise 2nfo_t schwingt. Durch einen Frequenzteiler FT2 wird hieraus eine Schwingung mit der Frequenz n«fo gebildet. Dies hat den Vorteil, daß das Tastverhältnis der so gewonnenen Rechteckimpulse in einfacher Weise gleichmäßig bleibt. Zur Synchronisation des Oszillators CO wird ein weiterer Frequenzteiler FT1 verwendet, welcher die Frequenz des Oszillators CO so herunterteilt, daß an dem Phasenvergleichsglied PG die Frequenz io anliegt. Für die angenommenen Frequenzwerte muß der Frequenzteiler FT1 ein · Teilerverhältnis von 128:1 aufweisen. Dem Phasenglied PG wird als Vergleichsfrequenz die im Geber G vorhandene unmodulierte Hilfsspannung Uo = sin 2n«fo zugeführt, die durch den Komparator KV2 ebenfalls in eine Rechteckwelle umgeformt wurde. Durch diesen Frequenzregelkreis ist die enge frequenzmäßige Verflechtung der beiden, der Vergleichsschaltung VS zugeführten Spannungen U3 und Ud gewährleistet, wodurch die Stabilität und die Genauigkeit verbessert werden.

Die Vergleichsschaltung VS spricht immer nur auf die ansteigenden Vorderflanken der Rechteckimpulse der Spannung U3 an und prüft dabei, ob in diesem Augenblick die Rechteckspannung von Ud Null oder Eins ist. Ist Ud = 0, dann ist auch das Ausgangssignal an Q (5) gleich Null und bleibt solange Null, bis bei einer Prüfung Ud = 1 ist. Dann bleibt analog der Ausgang (5) auf 1 stehen. Die so gewonnenen Zählimpulse ZI werden beispielsweise einem Schieberegister WZ zugeführt oder in anderer Weise weiter verarbeitet. Bevorzugt wird dabei so vorgegangen, daß das am Ausgang der Vergleichsschaltung VS vorliegende Signal ZI als Takt für ein als Speicher wirkendes Schieberegister WZ verwendet wird, in das Informationen aus der Radarantenne eingeschrieben und nach einer Umdrehung der Antenne - oder definiert früher wieder herausgeschoben werden. Nähere Einzelheiten hierzu sind in der deutschen Patentanmeldung P 23 53 503-7 beschrieben.

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Mit entsprechendem Aufwand ist es auch möglicli, die Spannung Ud durch Frequenzvervielfachung aus der Hilfsspannung Uo herzuleiten.

12 Patentansprüche » '

2 Figuren

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Claims

Patentansprüche .

Schaltungsanordnung zur Digitalisierung des Drehwinkels φ einer drehbaren, mit fa Umdrehungen pro Sekunde betriebenen Einrichtung, unter Verwendung von mit dem sincp und ■ dem cosq> modulierten Hilf sspannungen einer Grundfrequenz fo, die durch weitere Schaltmittel in eine den Drehwinkel angebende Zählimpulsfolge umgesetzt werden, bei der η Impulse iiem Drehwinkel von 360° entsprachen, dadurch g e.k=e η η ζ e i chn e t , daß aus den beiden Hilfst ; Spannungen (U1,U2) eine dritte Hilfsspannung (U3) gebildet ist, die entweder nur noch die Frequenz fo+fa oder nur noch die Frequenz fo-fa enthält, daß die dritte Hilfsspannung (U3) und eine Vergleichsspannung (Ud) der Frequenz n»fo einem als Vergleichsschaltung arbeitenden D-Flip-Flop derart zugeführt werden, daß am D-Eingang (Vorbereitungseingang) die Vergleichsspannung (Ud) und am Clock-Eingang die .dritte Hilfsspannung (U3) liegt, und daß am Ausgang des D-Flip-Flop die gewünschte Zählimpulsfolge (ZI) mit n.fa abgenommen wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß von den beiden Hilfsspannungen (U1,U2) eine (z.B.U2) um 90° in der Phase gedreht wird und anschließend beide derart addiert werden, daß die dritte Hilfsspannung (U3) der gewünschten Frequenz entsteht.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß beide Hilfsspannungen (U1,U2) bei der Addition gleiche Amplituden aufweisen und daß vor der Zusammenschaltstelle (£) einstellbare Widerstände (R1,R4) vorgesehen sind, welche die genaue Einstellung der Amplituden- und der 90°-Phasenbeziehung ermöglichen.

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4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Zusammenschaltstelle (σ) der Hilfsspannungen (U1,U2) gegen Masse ein zur Beseitigung von Störspannungen dienender Kondensator (C2) eingeschaltet ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a du r c h gekennzeichnet, daß ■ e eine, vorzugsweise dreistufige, RC-Schaltung dient.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannungen (U3,Ud) des D-Flip-Flop in Form von Rechteckspannungen vorliegen.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Vergleichsspannung (Ud) ein Oszillator (CO) vorgesehen ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Oszillator (CO) mit der Grundfrequenz fo der unmodulierten Hilfsspannung (Uo) synchronisiert ist.
9· Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Oszillator (CO) auf einer Frequenz n.m»fo (m = ganzzahlig), vorzugsweise m = 2, schwingt.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsspannung (Ud) durch Frequenzvervielfachung aus der unmodulierten Hilfsspannung (Uo) hergeleitet ist.

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11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung als Winkelzähler für eine Antenne, insbesondere für ein Rundsuchradargerät.
12. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das am Ausgang der Vergleichsschaltung (VS) vorliegende^T Signal (ZI) als Takt für ein Als Speicher wirkendes Schieberegister (WZ) verwendet wird, in das Informationen aus der Radarantenne eingeschrieben und nach einer Umdrehung der Antenne-oder definiert früherwieder herausgeschoben werden.

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