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Die Erfindung betrifft eine Filterschaltung, insbe-
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sondere zur Trennung zweier Frequenz spektren im Ausgangssignal des
Meßtasters eines Oberflächen-Meßgerätes, mit mindestens einem in seinem Durchlaßbereich
einstellbaren RC-Filter.
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In der Meßtechnik werden vielfach Hoch- bzw. Tiefpässe benutzt, um
aus den von einem Meewertwandler abgegebenen elektrischen Signalen bestimmte Frequenzbereiche
herauszufiltern und weiterzuverarbeiten, wobei in Abhängigkeit von der jeweiligen
Meßaufgabe oftmals unterschiedliche Grenzfrequenzen der Hoch- und Tiefpässe eingeschaltet
werden müssen. Bisher verwendete man in der Regel als Hoch- oder Tiefpaß geschaltete
RC-Glieder, deren Grenzfrequenz dadurch verändert wird, daß entweder die ondensatoren
oder die Widerstände stufenweise umgeschaltet werden. Wenn viele Grenzfrequenzen
oder mehre hintereinander geschaltete Filter in Abhängigkeit voneinander umgeschaltet
werden müssen, ist ein großer Aufwand an Schaltern und Bauelementen erforderlich.
Gleichzeitig bedeuten viele mechanische Kontakte einen zusätzlichen Unsicherheitsfaktor
für das Meßgerät. Da bei diesen RC-Filtern die Änderung der Grenzfrequenz die Betätigung
eines Umschalters mit einer der vorgesehenen Anzahl der Grenzfrequenzen entsprechenden
Zahl an Kontakten erfordert, war es bisher auch nicht auf einfache Weise mcglich,
die Grenzfrequenz von RC-Filtern in Abhängigkeit von anderen physikalischen Größen,
beispielsweise einer Meßgeschwindigkeit, Drehzahl usw., automatisch einzustellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Filterschaltung mit einem oder
mehreren RC-Filtern zu schaffen, deren Grenzfrequenz schnell und einfach beliebig
feinstufig umschaltbar
und in Abhängigkeit von einer beliebigen
physikalischen Größe stetig veränderbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Filterschaltung
der eingangs genannten Art der Widerstandswert des RC-Filters mit einer gegenüber
der Frequenz der zu trennenden Frequenzspektren hohen Frequenz zwischen zwei verschiedenen
Werten umschaltbar und die die Grenzfrequenz des RC-Filters bestimmenden Linschaltzeiten
der beiden Widerstandswerte einstelloar sind.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Filterschaltung besteht darin, daß
die Anzahl der einstellbaren Grenzfrequenzen von der Anzail der Umschaltkontakte
unabhängig ist und lediglich durch die Einschaltzeiten bestimmt sind, während der
jeweils einer von zwei Widerständen Der einen Umschalter in den Stromkreis des RC-Filters
eingeschaltet ist.
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Der Schaltungsaufwand für eine derartige rilterschaltung ist se.lr
gering, wenn das RC-Filter lediglich einen einzeigen in Reihe mit einem Ein-Aus-Schalter
liegenden tJiderstand festen Wertes aufweist. Bei geschlossener Stellung des Ein-Aus-Schalters
ist der wirksame Widerstandswert gleich den festen Wert des Widerstandes, während
bei geöffnetem Schalter ein nicht als ßauelement vornandener Widerstand mit einem
unendlich großen Widerstandswert wirksam isc. Durch die Verwendung zweier wahlweise
in den Stromkreis einschaltbarer Widerstände mittels zweier alternativ schließbarer
Schalter oder mittels eines Umschalters kann auf einfache Weise der Verstellbereich
der Grenzfrequenz festgelegt werden, wobei bei kleiner werdendem Verstellbereich
die Genauigkeit und Feinheit der Linstellung größer wird.
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Dabei können die Widerstände (ìer RC-Filter als Fotowiderstand ausgebildet
sein und mit ililfe von Lichtimpulsen einer Leuchtdiode angesteuert werden. Es kann
dazu ein einzelner Fotowiderstand mit einer den Ein-Aus-Schalter ersetzenden Leuchtdiode
verwendet werden, oder aDer es ]:onnen auch zwei Fotowiderstände vorgesehen sein,
die abwechselnd mit Lichtimpulsen zugeordneter Leuchtdiode belichtet werden, welche
die Funktion eines schnellen Umschalters haben.
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Zweckmäßigerweise sind die Ein-Aus-Schalter oder Umschalter impulsgesteuerte
Halbleiterschalter. Zur Erhöhung der Wirk samceit der Filterschaltung ist es vorteilhaft,
meiarcre jeweils einen liochpaß oder Tiefpaß bildende RC-Filter tlintereinander
zu schalten und deren Schalter gemeinsam anzusteuern. In einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind die Steuereingänge der Halbleiterschalter der RC-Filter an den
Ausgang eines mit zwei Eingängen verschenen und Impulse erzeugenden Impulsformers
angeschlosse Die Frequenz der ersten Eingangsspannung des Impulsformers bestimmt
die Impulsfolgezeit und 1die Frequenz der zweiten Eingangsspannung die Impulsdauer
der durch den Impulsformer erzeugten und die Grenzfrequenzen der RC-Filter bestimmenden
Impulse. Somit ist es möglich, die Grenzfrequen zen der RC-Filter über z*vei voneinander
unabhängige Snannungen zu beeinflussen sowie der Grenzwellenlänge und der Abtastgeschwindigkeit
des Oberflächen-Meßgerätes anzupasse@ Wird der Eingang der erfindungsgem;ißen Filterschaltung
mit dem Ausgang; des Meßtas ters des Oberflächen-Meßgerätes verbunden, ist es vorteilhaft,
den ersten Eingang des Impulsformers wahlweise über einen Umschalter mit einem der
Ausgänge eines mit seinem Eingang dauernd an einen Taktgenerator angeschlossenen
Zählers zu verbinden und dem zweiten Eingang eine Spannung mit einer von der Vorschubgeschwindigkeit
des
Meßtas ters abhängigen Frequenz zuzuführen. Dabei ist es bei Messungen an mit nicht
konstanter Geschwindigkeit bewegten Wertstücken zweckmäßig, wenn die Vorschubgeschwindigkeit
mit Hilfe eines Meßwandlers erfaßt wirci, und das so gewonnene Signal mittels eines
Spannungs-Frequenz-Wandlers in eine Spannung entsprechender Frequenz umgesetzt wird.
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bei konstanten Vorschubgeschwindigkeiten des Meßtasters genügt es,
das Vorschubgerät über die ersten Kontakte eines zweipoligen Wahlschalters mit verschiedenen
Steuerspannungen zu verbinden, denen Spannungen mit bestimmten Frequenzen zugeordnet
sind, die über die zweiten Kontakte des Wahlschalters an den zweiten Eingang des
Impulsformers ankoppelbar sind.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung dargestellt. Die Figur zeigt eine an den Meßtaster und das Vorschubgerät
eines Oberflächen-Meßgerätes angeschlossene Filterschaltung gemäß der Erfindung
in schematischer Dars tellung.
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Der Meßtaster 1 eines Oberflächen-Meßgerätes, der durch ein Vorschubgerät
2 über die Oberfläche eines Werkstückes mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird
und die Gestaltabweichungen der zu messenden Oberfläche mittels eines Meßwertwandlers
in elektrische Spannungswerte umwandelt, ist elektrisch mit dem Eingang eines Verstärkers
3 verbunden. Das Vorschubgerät 2 enthält einen an einen Regler 4 angeschlossenen
Elektromotor 5, dessen Geschwindigkeitssollwert durch eine an dem Lingang 6 des
Vorschubgerätes 2 liegende Steuer-Spannung Uv bestimmt ist.
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Der Ausgang der Verstärkers 3 ist zur Trennung der Gestaltabweichungen
vershiedener Ordnung (DIN 4760) der abgetasteten Oberfläche mit den Eingängen eines
ersten RC-Hochpassses 8 und eines ersten RC-Tiefpasses 9 verbunden. Der erste RC-i{ochpaß
3 besteht aus einem zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang liegenden Kondensator
10 sowie einem Widerstand 12, dessen erster Anschluß mit dem Ausgang des ersten
Hochpasses 8 und dessen zweiter Anschluß mit der Senke eines mit seiner quelle an
!tasse liegenuen Feldeffekttransistors 14 verbunden ist. Die Ausgangsspannung des
ersten RC-Hochpasses 3 wird ü.er einen zur E;ntkoppelung dienenden Verstärker 16
zwei Eingang eines zweiten RC-Hochpasses 18 zugeführt, an dessen Ausgang die dem
Rauheitsprofil zugeordnete Spannung auf tritt.
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Er enthält wie der erste RC-Hochpass 6 ein RC-Glied aus einem Kondensator
20 und einem in Reihe mit einem Feldeffektransistor 22 liegenden Widerstand 24.
Die Torelcktroden der beiden Feldeffeckttransistoren 14 und 22 sind an den Ausgang
eines Rechteck impulse mit variabler Inpulsfolgczeit und Impulsdauer liefernden
Impulsformers 26 angeschlossen.
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Der erste RC-Tiefpass 9 enthielt ein RC-Glied aus einen zwischen dem
Ausgang des Tiefpasses 9 und Masse liegenden Kondensator 28, dem über eine Reihenschaltung
aus einem Feldeffenttransistor 30 und einem Widerstand 32 die Eingangsspannung des
RC-Tiefpasses 9 zugeführt wird.
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Der erste RC-Tiefpaß 9 ist über einen Verstärker 34 mit dem Eingang
eines entsprechend aufgebauten zweiten RC-Tiefpasses 36 verbunden, dessen Ausgangsspannung
das Welligkeitsprofil der abgetasteten Oberfläche darstellt.
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Der zweite IXC-Tiefpaß 36 enthält ein RC-Glied aus eine Kondensator
38 und einem in Reihe mit einem Feldeffekttransistor 40 liegenden Widerstand 42.
Die Torelektroden der Feldeffekttransistoren 30 und 40 sind ebenfalls wie die Torelektroden
der den Hochpaßfiltern 8 und 13 zugeordneten Feldeffekttransistoren 14 und 22 mit
den Ausgang des Impulsformers 26 verbunden.
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Der Impulsformer 26 ist mit einem ersten Eingang 44 und einem zweiten
Eingang 46 ausgestattet. Die Impuls folgefrequenz und damit auch die Impulsfolgezeit
der an dem Ausgang des Impulsformers 26 auftretenden Impulse ist durch die Frequenz
der an seinem ersten eingang 44 liegenden Impulse bestimmt. ijeiterhin ist der Impulsformer
2G derart aufgebaut, daß die Impulsdauer der an seinem Ausgang auftretenden Impulse
umgekehrt proportional der Frequenz einer an seinem zweiten Eingang 46 liegenden
Spannung ist. i)urch Verändern der Frequenz der an dem zweiten Eingang 46 des Impulsformers
2G liegenden Spannung läßt sich somit das lastverhältnis der erzeugten Impulse bestimmen,
wobei es selbstverständlich ist, daß die impulsdauer klciner sein muß, als die zu
der Impulsfolgefrequenz umgekehrt proportionale Impulsfolgezeit.
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Die den Eingängen 44 und 46 des Impulsformers 26 zugeführten Impulse
werden mit Hilfe eines Taktgenerators 58 erzeugt, der an den Eingang eines Zählers
60 angeschlossen
ist, so daß an den Ausgängen des als Teiler wirkenden
Zählers 60 Impulsspannungen verschiedener Frequenz zur Verfügung stehen. Mit liilfe
eines Umschalters 62 wird eine der Frequenzen ausgewählt, und die entsprechende
Ausgangsspannung des Zählers 60 dem ersten Eingang des Impulsformers 44 zugeführt.
In ähnlicher Weise erhält der zweite Eingang 46 über die ersten Kontakte eines zweipoligen
Wahschalters 64 eine der an den Ausgängen des Zählers 60 liegenden Spannungen mit
vorbestimmter Frequenz. Die zweiten Kontakte des Wahlschalters 64 ermöglichen es,
eine der Frequenz der am zweiten Eingang des Impulsformers 26 anliegenden Spannung
zugeordnete Steuerspannung Uv für die Geschwindigkeit des Vorschubgerätes 2 auszuwählen,
indem die ersten und zweiten Kontakte gemeinsam geschaltet werden und die feststehenden
zweiten Kontakte des Wahlschalter 64 mit Spannungsquellen UVl, Uv2 und tV3 verbunden
sind.
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Die an dem Ausgang des Impulsformers 26 auftretenden und den Feldeffekttransistoren
14, 22, 30 und 40 zugeführten Impulse bestimmen durch i'nr rrastveril;iltnis die
Grenzfrequenzen der als Frequenzweischen benutzten RC-Filter 8, 18, 9, 36, so daß
sowohl der durch die RC-iiochpässe 8, 18 als auch der durch die RC-Tiefpässe bevorzugte
Frequenzberech mit Hilfe des Umschalters 62 und/oder des Wahlschalters 64 einstellbar
ist.
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Die Einstellbarkeit der Grenzfrequenzen der RC-Filter 8, 18, 9 und
3G beruht darauf, daß in einem Stromkreis aus einer Spannungsquelle mit der Spannung
U und einem in Reihe mit einem Schalter S liccrenden Festwiderstand R bei in schneller
Folge ein- und ausgeschaltetem Schalter gilt:
wobei tein dei Einschaltdauer und taus die Ausschaltdauer des
Schalters S bezeichnet. Aus dem aritnmethischen Mittelwert des Stromes ergibt sich
als äquivalenter Widerstand R' für die Reihenschaltung (les Fcstwiderstandes R und
des Schalters S:
Für die Zeitkonstante eines RC-Gliedes aus einem in Reihe mit einem Festwiderstand
R liegenden Schalter und einer Kapazität C gilt bei ausreichend kurzen Ein-und Ausscnaltdauern:
Ist der Schalter ein elektronischer Schalter, der mit Impulsen einer Impulsdauer
tll und einer Impuisfolgezeit tp geschlossen wird, ergibt sich für die Zeitkonstante
T eines solchen RC-Gliedes
und für die Grenzfrequenz fg eines als Hoch- oder Tiefpaß geschalteten RC-Gliedes
Aus der letzten Beziehung ist ersichtlich, daß die Grenzfrequenz
f eines einen elektronischen Schalter g in Reihe mit dem Widerstand aufweisenden
RC-Filters durch Ändern des Impulstastverhältnisses tb/t@ der Steuerimpulse des
elektronischen Schalters in weiten Grenzen kontinuierlich geändert werden kann,
und zwar durch zwei voneinander unabhängige Parameter th und obwohl das RC-Filter
nur einen Kondensator und einen einzigen Widerstand festen Wertes enthalt, so daß
die Grenzfrequenz eines derartigen Filters in einfacher Weise den nach DIN 4768
vorgeschriebenen Grenzwellenlängen #c und der jeweiligen Abtastgeschwindigkeit v
eines Oberflächen-Meßgerätes angepaßt werden kann.
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Die Ausgangsspannung des Meßtasters 1 der beschriebenen Anordnung
weist ein Frequenzspektrum auf, das einen durch das Rauheitsprofil der abgetasteten
Oberfläche bestimmten verhältnismäßig hochfrequenten und einen von dem Welligkeitsprofil
der abgetasteten Oberfläche beein.
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flußten verhältnismäßig niederfrecluenten Anteil enthalt.
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Dabei hängen aie dem Rauheitsprofil und ctem Welligkeitsprofil zugeordneten
Frequenzen wesentlich von der Geschwindigkeit v ab, mit der der Meßtaster 1 von
dem Vorschubgerät 2 über die Oberfläche es abgetasteten Körpers bewegt wird. Unter
Verwendung der beschriebenen Filterschaltung ist es einfach möglich, die Grenzfrequenzen
f der RC-Filter 8, 18, 9, 36 der jeweils an dem zweipoligen Wahlschalter 64 eingestellten
Abtastgeschwindigkeit anzupassen. Der Umschalter 62 dient zum Einstellen der gewünschten
Grenzwellenlänge X c , wobei jeder Stellung des Umschalters 62 eine bestimmte C.renzwellenlänge
# c entspricht, da bei einer Änderung der Abtastgeschwindigkeit v die Impulsdauer
th durch Verändern der Frequenz der dem Eingang 46 zugeführten Spannung und damit
die Grenzfrequenz f der RC-Filter 8, 18, 9, 36 der neuen g Abtastgeschwindigkeit
v angepaßt werden, wobei gilt: #c = v\f = konstant g
Die Filterschaltung
läßt sich dennoch auch bei einem Oberflächen-Meßgerät mit nicht konstanter Abtastgeschwindigkeit
v verwenden, wenn die Abtstgeschwindigkeit v mit hilfe eines Geschwindigkeitsaufnehmers
oder Tachogenerators in eine proportionale Spannung übersetzt wird und diese über
einen Spannung-Frequenz-Wandler in eine Spannung entsprechender Frequent umgewandelt
und dem Eingang 46 des Impuisformer 26 zugeführt wird. 3&i einer derartigen
Anordnung ist es in einfacher ;&ise möglich, bei vorgegebener Grenzwellenlänge
#c die Grenzfrequenz fg der RC-Filter 8, 1<3, 9, 36 der jeweiligen Abtastgeschwindigkeit
v kontinuierlich anzupassen.
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Es ist offenscihtlich, daß die Reihenschaltung aus einem Widerstand
und einem Halbeiterschalter durch verschiedene Schaltunsanordnungen ersetzt sein
kann. So ist es möglich, die Reiheinschaltung parallel zu einem festen Widerstand
zu legen und/ oder den Halbleiterschlater durch einen Fotowiderstand und eine Leuchtdiode
zu ersetzen. Ebenso kann eine Parallelschaltung von zwei Widerständen vorgesehen
sein, die abwechselnd über eine Schalteranordnung in den Stromkreis der RC-Filter
gelegt werden.