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Schaltungsanordnung zur Frequenzteilung mit beliebigem Teilungsverhältnis
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Frequenzteilung mit beliebigem
Teilungsverhältnis, insbesondere für die Angleichung einer streckenproportionalen
Impulsfrequenz an eine Gerätekonstante.
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Bekanntlich machen Fahrzeuggeräte, wie z. B. Tachometer, Fahrtschreiber
und Fahrpreiszähler, deren wesentliche Aufgabe es ist, streckenabhängige Meß- und
Zählwerte zu liefern, einen geeigneten streckenproportionalen Antrieb, sei es durch
mechanisch oder elektrisch übertragene Drehwerte oder elektrische Impulse erforderlich.
Dabei ist es üblich und aus fertigungstechnischen sowie aus organisatorischen Gründen
zweckmäßig, geräteseitig eine Gerätekonstante d. h. eine bestimmte Drehzahl oder
Anzahl von Impulsen pro Streckeneinheit als Eichnormal festzusetzen.
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Neben dem Problem einer trotz den in einem Fahrzeug gegebenen rauhen
Betriebsbedingungen möglichst exakten streckenproportionalen Meßwertübertragung
stellt sich nun bei dieser Gerätegattung ein weiteres Problem in Form einer Vielzahl
fahrzeugseitiger Anschlußbedingungen. Diese unterschiedlichen Anschlußbedingungen
sind infolge der unterschiedlichen Fahrzeugtypen nicht nur räumlich bedingt oder
darin zu sehen, daB irgendwelche Drehwerte pro Streckeneinheit an der neweils für
den Fahrzeughersteller geeigneten Stelle in der -getrieblichen Verbindung zwischen
Rad und Motor zur Verfügung gestellt werden, sondern es sind beispielsweise auch
bei ein und demselben Fahrzeugtyp unterschiedliche Reifengrößen zu beachten. Außerdem
stehen im Falle einer elektrischen Drehwertübertragung die unterschiedlichsten Impulsgebertypen
zur
Verfügung oder sind bereits im Fahrzeug eingebaut, so daß den jeweiligen Meß- und
Zählgeräten geeignete Angleicheinrichtungen zuzuordnen sind, die die an der fahrzeugseitigen
Anschlußstelle gegebenen Drehwerte bzw.
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die durch einen geeigneten Geber gelieferten Impulsfrequenzen in die
Gerätekonstante umwandeln, im allgemeinen untersetzen bzw. teilen.
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Die bisher allgemein übliche Technik ist, derartige Geräte mittels
biegsamer Wellen anzutreiben und zwischen der biegsamen Welle und ihrer Anschlußstelle,
beispielsweise am Getriebe des Fahrzeuges, ein Angleichgetriebe mit auswechselbaren
Rädern vorzusehen. Durch die Wahl der jeweils günstigsten Räderkombination ist eine
hinreichend genaue Annäherung an das zwischen der Gerätekonstanten und dem Drehwert
an der Anschlußstelle gegebene Ubersetzungsverhältnis möglich. Um den elektrischen
Aufwand klein zu halten, d. h. keine Frequenzwandlung vornehmen zu müssen, sind
auch schon elektrische Impulsgeber mit derartigen Getrieben versehen worden, doch
läßt sich mit einem einigermaßen vertretbaren Aufwand die gewünschte Angleichung
nur stufenweise vornehmen, so daß sie abgesehen vom fertigunge- und montage- sowie
durch die Bereitstellung geeigneter Räderkombinationen auch organisatorischen Aufwand
mit einem zwar kalkulierbaren jedoch relativ hohen tibertragungsfehler behaftet
ist.
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Bekannt ist ferner, insbesondere bei Meß- und Zählgeräten mit vollelektronischer
Meßwertverarbeitung, für die geforderte Angleichung eine Schaltung vorzusehen, die
wenigstens einen programmierbaren elektronischen Schalter beinhaltet, der entsprechend
dem eingestellten Teilungsverhältnis für beiden ankommenden Geberimpuls die Weitergabe
einer bestimmten Anzahl höherfrequenter Zählimpulse steuert. Diese Schaltung, die
es gestattet, auf einfache Weise eine Angleichung der von einem fahrzeugseitigen
Geber gelieferten Impulse
a eine Gerute-orJstar.te vorzunehmen,
umfaßt abgesehen davon, daß eine vorgeschaltete Formerstufe erforcerlich ist, einen
Oscillator und entsprecherd dem wegen der erforderlichen Genauigkeit mehrstufigen
Schalter einen mehrstufigen Zähler sowie entsprechende Vergleicherschaltungen und
ist damit bereits für eine Angleichgenauigkeit, die jederzeit auch mit den üblichen
mechanischen Mitteln erzielbar ist, zu aufwendig, zumal die weitere Verarbeitung
der Summe der pro Geberimpuls erzeugten Impulse zunächst wieder ein dekadisches
T;erunterteilen erforderlich macht.
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Bei einer anderen bekannten Schaltung dieser Art wird versucht, mit
einem geringeren Aufwand an elektronischen r,itteln auszukommen, jedoch ist ebenfalls
ein Oszillator vorgesehen, der gegenüber der Geberfrequenz höherfrequente Zählimpulse
liefert, deren Frequenz, um wieder eine vernünftige Arbeitsfrequenz zu erhalten,
heruntergeteilt werden muß.
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Das Teilungsverhältnis wird bei dieser Schaltung bestimmt durch die
einstellbare Impulsbreite eines monostabilen Multivibrators, der durch die Geberimpulse
steuerbar ist. Abgesehen davon, daß auch bei dieser Schaltung entsprechend dem digitalen
Prinzip eine hohe Genauigkeit erst dann erreicht wird, wenn relativ hohe ,ählfrequenzen
und dementsprechend ein hoher Aufwand an Teilungsmitteln getrieben wird, ist diese
Schaltung in hohem laSe abhängig von der Frequenzkonstanz des Oszillators und dem
Temperaturgang des monostabi'en Multivibrators. Außerdem bietet die systembedingte
Ctcranfälligkeit dieser Schaltung bei Verwendung in einem Kraftfahrzeug zusätzliche
Schwierigkeiten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, eine hinsichtlich
ihrer Störanfälligkeit für die Verwendung in einem-Eraftfahrzeug geeignete Schaltungsanordnung
zu schaffen, die mit einem verhältnismäßig geringen Schaltungsaufwand eine Umwandlung
einer fahrzeugseitig gelieferten Frequenz in eine geräteseitig benötigte Frequenz
ermöglicht, wobei
das gegebene Teilungsverhältnis auf einfache Weise
und mit beliebig hoher Genauigkeit einstellbar sein soll.
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Die Lösung dieser Aufgabe sieht vor, daß mit einer eingangsseitigen
Impulsformerstufe, welcher Mittel zur Einstellung der Impulsdauer zugeordnet sind,
wenigstens zwei analog arbeitende Integrationsstufen verknüpft sind, daß eder Integrationsstufe
ausgangsseitig ein monostabiler Multivibrator zugeordnet ist und daß die beiden
eweils aus einer integrierenden Stufe und einem monostabilen Multivibrator bestehenden
Integrationszweige derart miteinander verknüpft sind, daß sie sich wechselweise
steuern und daß der jeweils offene Integrationszweig der Impulsdauer der geformten
Impulse proportionale Ladungsmengen integriert.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht zur Einstellung der Impulsdauer
eine RC-Glieder-Kombination mit einem verstellbaren Widerstand und mehreren wählbaren
Festwiderständen vor und ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß jeder Integrationezweig
einen von einer Konstantstromquelle speisbaren Speicherkondensator beinhaltet, daß
dem Speicherkondensator eine den jeweiligen monostabilen Multivibrator steuernde
Triggerstufe zugeordnet ist und daß der monostabile Multivibrator ausgangsseitig
über einen beiden Integrationszweigen zugeordneten bistabilen Multivibrator und
jeweils einem jedem Tntegrationszweig zugeordneten Gatter mit den Eingängen der
Integrationszweige verknüpft ist.
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In vorteilhafter Weise ist die Schaltungsanordnung derart dimensioniert,
daß die Jeweilige Dauer der Ausgangsimpulse jedes monostabilen Multivibrators derart
gewählt ist, daß mit den Ausgangsimpulsen ein Schrittmotor steuerbar ist.
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Im folgenden sei ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemaßen Schaltungsanordnung
anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild der beispielsweisen Schaltungsanordnung,
Fig. 2 mehrere Impulsdiagramme, Fig. 3 ein anwendungsbezogenes Prinzipschaltbild.
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Das Blockschaltbild gemäß Fig. 1 zeigt mit dem Bezugszeichen 1 eine
Impulsformerstufe, welcher ein Kondensator 2, Festwiderstände 3, 4 und 5 sowie ein
verstellbarer Widerstand 6 zugeordnet sind. Mit dem Ausgang a der Impulsformerstufe
1 parallel verknüpft sind Gatter 7 und 8, denen eweils eine den Speicherkondensatoren
9 und 10 als Lade- und Entladeschaltung dienende Konstantstromquelle 11 bzw. 12
nachgeschaltet ist. Den Speicherkondensatoren 9 und 10 sind ferner jeweils monostabile
Multivibratoren 13 und 14 mit geeigneten hochohmigen Eingängen bzw. vorgeschalteten,
nicht dargestellten, getrennten Triggerstufen zugeordnet. Die Ausgänge b und b'
bzw. c und c' der monostabilen Multivibratoren 13 und 14 sind einerseits rückgeführt
auf die tade- und Entladeschaltungen 11 und 12 andererseits mit den Fingängen eines
bistabilen Multivibrators 15 verbunden, dessen Ausgänge d und d' mit dem Gitter
8 bzw. dem Gatter 7 verknüpft sind. Außerdem sind parallel zu den Ausgängen c bzw.
c' die Feldwicklungen eines Schrittmotors 16 geschaltet, der beispielsweise dem
Antrieb eines mechanischen Zählwerkes oder bei Fahrtschreibern zusätzlich als Registrierantrieb
dient.
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Die Funktion dieser Schaltungsanordnung ist nun folgende: Die von
einem geeigneten Impulsgeber gelieferten streckenproportionalen Tmpulse (Fig. 2,
Diagramm A), deren Tastverhältnis und Impulsform in weiten Grenzen beliebig sein
kann, werden dem Eingang e der Impulsformerstufe 1 zugeführt, geformt und mittels
der der Impulsformerstufe 1 zugeordneten
RC-Glieder 2 bis 6 auf
eine bestimmte, das Teilungsverhältnis bestimmende Dauer t1 gebracht. Die geformten
Impulse (Diagramm B) stehen an den Gattern 7 und 8 an und steuern, angenommen das
Gatter 7 ist durch den seinerseits von dem monostabilen Multivibrator 14 gesetzten
(Diagramm E) bistabilen Multivibrator 15 vorbereitet, die Tade- und Entladeschaltung
11 derart, daß dem Speicherkondensator 9 genau definierte Ladungsmengen pro Impuls
zugeführt werden. Dadurch wird, wie das Diagramm C zeigt, der Speicherkondensator
9 stufenförmig aufgeladen. Beim Erreichen einer durch die Wahl der Bauelemente festgelegten
Schaltschwelle U verursacht der Triggereingang des monostabilen Multivibrators 13
einen Ausgansimpuls definierter Dauer (t2), dessen Vorderflanke den bistabilen Multivibrator
15 zurücksetzt, das Gatter 7 sperrt und das Gatter 8 vorbereitet.
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Zu diesem Zeitpunkt T war jedoch der Impuls t1 noch nicht voll verarbeitet
und steht für die Restimpulsdauer x1 am Gatter 8 an, d.h. eine diesem Restimpuls
xi entsprechende tadungsmenge wird in den Speicherkondensator 10 übernommen.
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Durch die nachfolgenden Impulse wird, wie das Diagramm D zeigt, der
Speicherkondensator 10 ebenfalls bis zur Schaltschwelle U stufenförmig aufgeladen.
Zum Zeitpunkt S ist die Schaltschwelle U erreicht, so daß nunmehr der monostabile
Multivibrator 14 einen Impuls von der Dauer t2 liefert.
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Zwischenzeitlich muß, eingeleitet durch die Vorderflanke des von dem
monostabilen Multivibrator 13 erzeugten Impulses auch die Entladung des Speicherkondensators
9 abgeschlossen sein, so daß dem Restimpuis x2 und den nachfolgenden Impulsen entsprechende
Tadungsmengen wieder in den Speicherkondensator 9 übernommea'werden können.
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Auf diese Weise, nämlich durch die Zerstückelung von Impulsen und
die uebernahme der Impulsreste in den jeweils wieder zur Speicherung vorbereiteten
Integrationszweig werden Teilungsfehler ausgeschaltet und es wird im Vergleich mit
rein digital
arbeitenden Schaltungsanordnungen zur Frequenzteilung
mit einem geringen Bauteileaufwand und einfachster Handhabung eine hohe Genauigkeit
der Angleichung an das gegebene Teilungsverhältnis erreicht. Dabei kann ohnen einen
Bauteilewechsel oder sonstigen Eingriff in die Schaltung auch eine Nachanpassung
beispielsweise bei Austausch des Gebers oder bei veränderten Fahrzeugbedingungen
(. B. Reifenabnutzung) erfolgen.
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Die Eichung der beschriebenen SchaCtungsanordnungt d.h. die Angleichung
des Ausgangswertes fc der Multivibratoren 13 und 14 an die festgelegte Gerätekonstante
- vorzugsweise wird hierfiir 1 Imp./m gewählt, wobei jedoch für die unmittelbare
Ansteuerung eines Schrittmotors die Dimensionierung derart vorgenommen werden muß,
daß sowohl die Impulsdauer t2 für dessen Steuerung geeignet als auch die Ausgangsfrequenz
der Schatungsanordnung fc bei der möglichen Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeuges
noch vom chrittmotor verarbeitbar ist - wird beispielsweise mittels eines geeigneten
PrUfgerätes vorgenommen. Zunächst muß jedoch der wingangswert fe , d.h. die vom
Geber gelieferten Imp./m bekannt sein oder in bekannter Weise auf einem Prüfstand
ermittelt werden. Der Quotient fe/fc stellt dann ein Teilungsverhältnis dar, das,
praktische Werte angenommen, beispielsweise 9,85 : 1 betragen kann. Dieses Teilungsverhältnis
bedeutet, daß ein Ausgangsimpuls an den Multivibratoren 13 und 14 nach 9,85 Eingangsimpulsen
ausgelöst werden muß, wobei diese Impulszahl in den jeweiligen Speicherkondensator
9 oder 10 genau die TJadungsmenge steuert, die bis zum Erreichen der Schaltschwelle
U erforderlich ist. Wie bereits beschrieben1 get dabei der verbleibende Rest des
10. Impulses nicht verloren, sondern er wird, was ein wesentliches Merkmal der Erfindung
darstellt, in den parallelen Integrationezweig übernommen.
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eim Eichvorgang selbst wird nun entsprechend dem ermittelten
Teilungsverhältnis
zunächst ein Grobabgleich der Impulsdauer t1 durch die Wahl des günstigen Vorwiderstandes
3, 4 oder 5 getroffen, gegebenenfalls auch der Kapazitätswert des Kondensators 2
geändert und dann ein Feinabgleich mittels des verstellbaren Widerstandes 6 vorgenommen,
wobei das Prüfgerät, das einen stabilisierten Impulsgenerator, eine geeignete Vergleichsschaltung
und eine Anzeigeeinheit aufweist, die Möglichkeit bietet, das an der zu eichenden
Schaltungsanordnung eingestellte Teilungsverhältnis unmittebar während des Eichvorganges
abzulesen.
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Der Vollständigkeit halber zeigt Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der
Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beispielsweise in einem Tachometer
oder Fahrtschreiber.
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Die vom Impulsgeber 1 ausgehenden Impulse fa deren Dauer t1, wie bereits
ausgeführt, entsprechend dem Teilungsverhältnis durch durchdie RC-Glieder 2 und
6 festgelegt wurde, werden gemäß Fig. 3 sowohl der Schaltungsanordnung 17 zugeführt
und dort auf eine vom Schrittmotor 16 verarbeitbare Frequenz fc (Gerätekonstante)
geteilt als auch einem Geschwindigkeitsmeßsystem bestehend aus einer Anpassungsstufe
19,beispielsweise einem Frequenz-Spannungs-Wandler und einem MeEwerk 20,beispielsweise
einem Drehspulsystem zugeführt. Der verstellbare Widerstand 18 dient dabei der Eichung,
d.h. der Einstellung der Steilheit der Kennlinie des Geschwindigkeitsmeßsystemes.
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Er wird nach erfolgter Eichung plombiert.