DE2819817C3 - Digitale Codiereinrichtung mit einer sichtbare Bilder erzeugenden Anzeigeeinrichtung - Google Patents
Digitale Codiereinrichtung mit einer sichtbare Bilder erzeugenden AnzeigeeinrichtungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine digitale Codiereinrichtung mit einer sichtbare Bilder erzeugenden
Anzeigeeinrichtung, welcher eine Daten in sie eingebende Einrichtung mit einer Berührungskontakt-•nordnung
zur Erzeugung einer deren Berührungskonlakten entsprechenden Anzahl von Dateneinheiten
tugeordnet ist, und mit einer von den Dateneinheiten gespeisten elektronischen Erkennungsschaltung zur
lynchronen Umformung der Dateneinheiten in diskrete Informationselemente im Sinne einer digitalen Daten-Codierung,
welche eine von den diskreten Informations-•lementen
angesteuerte und Steuerdaten erzeugende Anordnung aufweist, die mit der Dateneingabeeinrichlung
gekoppelt ist.
Es sind bereits Datenübertragungsanordnungen bekanntgeworden,
bei denen eine auf eine Berührungskon taktanordriung ansprechende Und an einen Datem
eingang eines Datenverarbeitungssystems angekoppelt te Schaltung vorgesehen ist, wodurch angezeigte Daten
durch Steuerung durch das Datenverarbeitungssystem geändert Werden können* Beispielsweise aus der US'PS
82 241 ist eine Anordnung mit einer Vielzahl von Berührungskantakten auf einem transparenten Schirm
im Bereich des Schirms einer Kathodenstrahlröhre bekanntgeworden, wobei die Berührungskontakte selektiv
betätigbar sind, um einen Teil eines Bildes auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre, welcher genauer
untersucht werden soll, zu kennzeichnen. Bei Betätigen eines Berührungskontaktes werden diesen Kontakt
kennzeichnende Daten beispielsweise in einen Computer eingegeben, in dem sie zur Steuerung der
ίο Anzeigeeinrichtung verarbeitet werden.
Eine derartige Form einer Anzeigeeinrichtung enthält eine große Anzahl von Elementen, so daß sie
kompliziert und aufwendig wird. Darüber hinaus können die Rauscheigenschaften so beschaffen sein, daß
e* unmöglich ist, die tatsächlichen Signale von einem
Hintergrundrauschen zu unterscheiden. Die Zusammenstellung einer Vielzahl von Berührungselementen kann
auch zu Zuverlässigkeitsproblemen führen.
Eine weitere bekannte Form von durch Berührungskontakte schaltbaren Kathodenstrahlröhren-Schaltern
ist in der US-PS 39 58 239 beschrieben. Dabei sind Berührungskontaktelemente in Form einer Folge von
Flächenbereichen in einer Matrix auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre angeordnet Die Matrix ist ihrerseits
zu Decodierungszwecken an eine Diodenmatrix angekoppelt Nach der Decodierung zur Gewinnung
der Koordinaten des berührten Matrix-Flächenbereiches wird das decodierte Ausgangssignal in einen
Computer eingegeben, um die Anzeigeeinrichtung in Form der Kathodenstrahlröhre zu steuern. Auch dabei
tritt der Nachteil auf, daß eine große Anzahl von Elementen erforderlich ist, wodurch die Anordnung
aufwendig wird. Darüber hinaus treten bei dieser Anordnung ebenso wie bei der erstgenannten Anordnung
Spannungsverschiebungsfehler auf. Die Vermeidung solcher Fehler ist insbesondere dann extrem
wichtig, wenn ein Analogsignal durch Steuerung mittels eines logischen Signals verarbeitet werden soll.
Schließlich ist die letztgenannte Ancdnung auch nicht rauschfrei.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Codiereinrichtung der in Rede stehenden
Art anzugeben, welche bei einfachem Aufbau sehr zuverlässig und rauschfrei ist.
Zur Lösung der ν < >rstehend genannten Aufgabe ist bei
einer digitalen Codiereinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß die elektronische
Erkennungsschaltung folgende Komponenten aufweist: eine erste Stufe zur synchronen Auswahl einer
Dateneinheit aus den Dateneinheiten und Eingabe in einen Einzelkanal, eine zweite, die ausgewählte
Dateneinheit aufnehmende und diese einer Synchrongleichrichtung unterwerfende Stufe mit einem gleichrichtenden
Verstärker mit der Verstärkung 1, eine dritte, das gleichgerichtete Signal aufnehmende und ein
rauschfrei gefiltertes Signal liefernde Stufe mit synchrongeschalteten Filterkreisen und eine das gefilterte
Signal mit einem Bezugssignal vergleichende Stufe zur Erzeugung der diskreten Informationselemente.
Bei der erfindungsgemäßen Codiereinrichtung sind transparente Kontaktelemente auf einem transparenten
Träger Vorgesehen, welcher auf die Anzeigeeinrichtung aufgelegt Werden kann. Diese Kontaktelemente sind
über Leitungen mit der elektronischen Erkennungs* schaltung verbunden. Wird ein Kontakt berührt, so wird
der Informationssignalpegel in jedem Element durch einen synchronen Multiplexvorgang in einen entspre*
chenden Wert in der Erkennungsschahung überführt,
wodurch die Information in der Stelle des berührten Kontaktelementes codiert wird. Diese codierte Information
wird sodann zur Reduzierung des elektrischen Rauschens und zur Erzeugung der Daten in Form eines
Spannungspegels synchron gleichgerichtet und gefiltert Eine Vergleichsstufe stellt diese Spannungsänderungen
bzw. Spannungspegel synchron fest, wodurch der Digitalisierungsprozeß abgeschlossen ist. Die digitalisierten
Daten dienen dann zur Steuerung der Einrichtung.
Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Einrichtung, welche zur Eingabe von elektrischen Daten in ein Instrument durch
Berühren einer Platte mit dem Finger in bestimmten Stellen dient;
F i g. 2 ein Blockschaltbild eines in der Einrichtung nach Fig. 1 verwendeten CMOS-Multiplexers:
F i g. 3 eine Funktionstabelle für den CMOS-Multiplexer nach Fig. 2;
F i g. 4 eine vereinfachte Analoginverterschaltung als Beispiel für einen typischen in der Einrichtung nach
F i g. 1 verwendbaren Konverter;
F i g. 5 ein Blockschaltbild eines typischen in der Einrichtung nach F i g. 1 verwendbaren Demultiplexers;
F i g. 6 ein Signalzeitdiagramm von in der Einrichtung
nach F i g. 1 auftretenden Signale zur Erläuterung ihrer Wirkungsweise; und
F i g. 7 einen Teil einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, weiche als Ersatz für
drehbare Knöpfe verwendbar ist.
Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist eine Energieemissionseinrichtung 12 mit einer die
Energie dieser Einrichtung 12 abstrahlenden Einrichtung 14 vorgesehen. Die Einrichtung 12 kann beispielsweise
eine Kathodenstrahlröhre zur Anzeige sichtbarer Bilder sein, wobei entsprechende Signale in diese Röhre
eingespeist und die Bilder auf dem Röhrenschirm sichtbar werden (andererseits kann die Einrichtung auch
ein ebener Elektrolumineszenzschirm, ein Gasentladungsschirm, ein Flüssigkristallschirm oder ein Computer-Endgerät
sein). In einer Kathodenstrahlröhre wird das Bild durch Auftreffen eines Elektronenstrahls auf
einem mit Phosphor oder einer anderen energieemittierenden Substanz beschichteten Schirm erzeugt. Da die
Wirkungsweise von Kathodenstrahlröhren bekannt ist, wird sie hier nicht näher erläutert. Generelle Darstellungen
finder sich in einer von der Anmelderin herausgegebenen Bücherreihe mit dem Titel »Circuit
Concepts«.
Benachbart zur Einrichtung 12 ist eine Platte 16 aus transparentem Isoliermaterial vorgesehen. In diese
Platte sind entweder mit ihrer Oberfläche fluchtende oder geringfügig über ihre Oberfläche hinausragende
transparente Kontaktelemente 18 eingebettet. Diese Kontaktelemente 18 werden vorzugsweise durch dünne
Öxidbereiche gebildet, welche jeweils mit einem transparenten Teil 20 verbunden sind. Dieses Teil 20
verbindet das entsprechende Kontaktaktelement 18 mit einer zugehörigen Leitung 22, welche auf eine im
folgenden noch näher zu erläuternde elektronische Erkennungsschaltüng geführt sind.
Isoliert von den Kontaktelementen 18 ist eine diese Kontaktelemente in beliebiger Form umgebende
Trenn- bzw. Schutzelektrode 24 vorgesehen, weiche mit einer Leitung 26 verbunden ist. Diese Leitung 26 ist
ihrerseits mit einer nicht dargestellten Energiequelle verbunden. Die Trenn- bzw. Schutzelektrode kann
ebenfalls in der Platte 16 eingebettet sein und entweder mit deren Oberfläche fluchten oder geringfügig über
diese Fläche hinausragen. Bei der Elektrode handelt es sich um ein transparentes leitendes Element Der Zweck
und die Wirkungsweise dieser Elektrode 24 wird im folgenden ebenfalls noch erläutert
An die Leitungen 22 ist jeweils ein Reaktanzelement, wie beispielsweise eine Kapazität 28 angekoppelt Diese
Kapazitäten 28 liegen gemeinsam an einer Leitung 30, welche ein durch eine Signalquelle 32 erzeugtes
Wechselsignal führt Zusätzlich zu den Kapazitäten 28 sind Kapazitäten 29 vorhanden, welche Eigenkapazitäten
der Kontaktelememe 18 und daher gestrichelt dargestellt sind. Wird eines der Kontaktelememe 18 mit
dem Finger berührt, so entsteht über den Körper des Berührenden weiterhin die Reihenschaltung eines
Widerstandes 33 sowie einer Kapazität 34.
Die Signalquelle 32 liefert ein Signal aaf die Leitung
30 sowie eine Leitung 31, das beispielsweise ein etwa rechteckförmiges Signal sein kann. Die Amplitude und
die Frequenz dieses Signals sind im Sinne einer zweckmäßigen Ansteuerung der Komponenten der
Anordnung gewählt. Zur Erzeugung von Rechtecksignalen kann ein Signalgenerator verwendet werdea
welcher beispielsweise eine Vergleichsstufe in Form eines Operationsverstärkers sowie eine Integrationsstufe
enthält Eine derartige an sich bekannte Schaltung ist beispielsweise in dem Buch von Millman & Halkins
»Integrated Electronics Analog and Digital Circuits and Systems«, erschienen bei McGraw-Hill, Inc., 1972, näher
beschrieben.
Wie bereits ausgeführt, sind die Leitungen 22 an eine elektronische Erkennungsschaltung angekoppelt, welche
vorzugsweise CMOS-Schaltkreise enthält. Diese Erkennungsschaltung enthält einen Multiplexer 36,
welcher zur Übertragung verschiedener auf seinen Einrang gegebener Informationseinheiten über einen
einzigen Kanal, beispielsweise eine Leitung 38, dient. Dieser in F i g. 2 im einzelnen dargestellte Multiplexer
36 enthält einen Schaltkreis 100, beispielswei&s in Form
eines Analogmultiplexers. Dabsi handelt es sich um einen 4-Kanal-Multiplexer mit zwei binären Steuereingängen
A und B, welche einen der vier Kanäle gemäß der Funktionstabelle nach F i g. 3 auswählen. An Stelle
der vier Kanäle für vier Kontaktelemente 18 können natürlich bei anderen Anzahlen von Kontaktelementen
auch andere entsprechende Multiplexer vorgesehen werden, welche für die entsprechende Anzahl von
Kanälen ausgelegt sind.
Die Eingangssignale für die Steuereingänge A und B
können beispielsweise durch eine Stufe 102 in Form eines durch 4 teilenden 2-Bit-Zählers (einei/ durch N
teilenden Zähler entsprechend der jeweiligen Anzahl von Kontaktelementen) geliefert werden, welcher durch
das von der Signal-uelle 32 auf der Leitung 31 gelieferte
Signal synchron angesteuert und getaktet wird.
Das Signal auf der Leitung 38, für das im folgenden auch der Begriff Informationseinheiten gewählt wird,
wird in einen in F ί g, 4 im einzelnen dargestellten Synchronverstärker 40 eingegeben. Grundsätzlich han*
delt es sich dabei um einen Gleichrichter. Dieser Gleichrichter umfaßt einen Operationsverstärker 110
mit einem Rückkoppelelement Z/und einem Eingangselement Z]. Die Verstärkung dieses Verstärkers ist
vorzugsweise gleich plus oder minus I1 was im folgenden
noch genauer erläutert wird. Der Verstärker arbeitet dadurch synchron, daß das von der Signalquelle 32
gelieferte Signal auf der Leitung 31 in den Verstärker UO eingespeist wird (siehe »CMOS Switch Inverts
Analog Signal Under Control of Digital Logic« in »Electronic Design« 25 vom 6. Dezember 1975).
Nach der Gleichrichtung der Informationseinheiten durch den Verstärker 40 werden diese Informationseinheiten
in ein Netzwerk aus einem Serienwiderstand 42 sowie Parallelkapazitäten 44 eingespeist. Dieses Netzwerk
bildet die einfachste Form einer Schaltung zur Verringerung des Welligkeitsgehaltes des gleichgerichteten
Signais. Ein Unterschied zwischen einem einfachen RC- Kreis und dem in der erfindungsgemäßen
Anordnung verwendeten Netzwerk besteht jedoch darin, daß die Kapazitäten 44 aufgrund der Funktion
eines zweiten als Demultiplexer geschalteten Multiplexers 46 als Nebenschlußkapazitäten für den Widerstand
42 wirken. Daraus resultiert ein Äquivalent einer Reihe von synchrongeschalteten Quadraturfiltern, wobei jede
kapazität 44 einem Quadraturfilter entspricht (siehe F i g. 3 und 5 des Aufsatzes »Get notch Qs in the
Hundreds« in »Electronic Design« 16 vom 2. August 1974 zur detaillierten Analyse eines Kommutatorfilters).
Das gefilterte Ausgangssignal wird sodann über eine Leitung 48 in eine Stufe 50 eingespeist, welche den Wert
dieses Ausgangssignals mit einem Bezugssignal vergleicht. Jeder Unterschied zwischen dem Wert des
Ausgangssignals und dem Bezugssignal wird synchron festgestellt, wobei die Differenz eir Datensignal
darstellt, das durch eine Anordnung 56, welche beispielsweise ein Mikrocomputer sein kann, erkannt
und verarbeitet werden kann. Mittels des Ausgangssignals der Anordnung 56 wird über eine Datensteuerleitung
58 die Anzeigeeinrichtung gesteuert.
Im folgenden wird die Wirkungsweise der vorstehend hinsichtlich ihres Aufbaus beschriebenen Anordnung
erläutert. Für diese Erläuterung der Wirkungsweise ist die Annahme einiger Anfangsbedingungen notwendig.
Es sei davon ausgegangen, daß die Einrichtung 12 die Katnodenstrahironre eines Konventionellen Oszillographen
ist. Ein derartiges Gerät besitzt äußere Steuerelemente, wie beispielsweise Schalter zur Auswahl
mehrerer Eingangssignale und zur Weitergabe dieser Auswahl in der Form, ob eine direkte oder eine
kapazitive Kopplung vom Eingang zu einem Verstärker vorzusehen ist. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung
können zwei Kontaktelemente 18 die genannten Schalter ersetzen, wodurch der Aufbau des Oszillographen
vereinfacht und damit verbilligt und seine ästhetische Erscheinungsform verbessert wird. Weiterhin
wird das durch die Signalquelle 32 erzeugte Signal von beispielsweise 10 kHz auf die Kapazitäten 28 und 29
gekoppelt. Sind die Kapazitäten 28 und 29 identisch, so wird auf den entsprechenden Leitungen eine Spannung
mit der halben Amplitude des von der Signalquelle 32 kommenden Signals erzeugt In diesem Zusammenhang
ist festzustellen, daß die Schutzelektrode 24 dazu dient, durch Vermeidung von verteilten Kapazitäten zwischen
den Kontaktelementen gleiche Werte für die Kapazitäten 28 sicherzustellen. Wird jedoch ein Kontaktelement
mit dem Finger berührt, so bildet die Kapazität des menschlichen Körpers (etwa 100 Picofarad) einen
Nebenschluß für die Kapazität 23 an einer der Leitungen 22. Daher wird auch das Signal von der
Signalquelle 32 abgeleitet, so daß der Spannungspegel auf der zugehörigen Leitung reduziert wird. Der
Informationspegel des Kontaktelementes wird dann durch den Multiplexer 36 einem synchronen Multiplexvorgarig
unterworfen. Diese Operation ist im Signalzeitdiagramm nach F i g. 6 dargestellt. Ein Signal 150 ist
dabei das Von der Signalquelle 32 in die Kapazitäten 28 und 29 eingespeiste Signal, das auch auf der Leitung 31
zur Verfügung steht. Ein Signal 152 stellt die auf einer der Leitungen 22 vorhandenen Informationseinheiten
dar. Wird in einem Zeitpunkt 7o das leitende Element berührt, so nimmt die Amplitude des Signals 152 für die
Dauer des Kontaktes zwischen dem Kontaktelement und der Körperkapazität beispielsweise bis zum
Zeitpunkt 71 ab. Im Zeitpunkt T\ nimmt die Amplitude
des Signals 152 wieder ihren Ruhewert an. Signale 154 und 156 sind die Eingangssignale an den Eingängen A
und B, welche im Multiplexer 36 aus dem Signal 150 durch Teilung bzw. Abwärtszählung gewonnen werden.
Gemäß der Funktionstabelle nach Fig.3 ist daher das
auf der Leitung 38 entstehende Signal gleich einem Signal 158. Aufgrund des synchronen Multiplexvorgangs
für das Kontaktelement steht am Eingang des Filters lediglich ein von jeweils vier Signalen bzw.
Impulsen mit verminderter Amplitude 7ur Verfügung. Durch Gleichrichtung des Signals 158 im Verstärker 40
entsteht ein Signal 160. Dieses Signal 160 durchläuft das durch den Demultiplexer 46 gesteuerte Netzwerk aus
dem Widerstand 42 und den Nebenschlußkapazitäten 44 und wird dabei synchron gefiltert (siehe auch F i g. 3 und
5), so daß an den Kapazitäten 44 ein Signal 162 entsteht.
Ein dem Signal 162 zugeordneter Pegel 164 repräsentiert den Ruhewert bzw. das Bezugssignal für die
Vergleichsstul'e 50. Die Vergleichsstufe 50 vergleicht daher synchron den Wert des Signals 162 mit dem durch
den Pegel 164 festgelegten Spannungswert Im Intervall 7ό bis Ti stellt die Vergleichsstufe 50 eine kumulative
Differenz in den Pegeln fest, so daß sie ein Ausgangssignal abgibt. Dieses Ausgangssignal in Form
eines Signalzuges 166 wird auf die Anordnung 56 gegeben, um die Anzeige zu ändern. Die Länge der
Zeitperiode, welche die Vergleichsstufe zur Feststellung der Berührung eines Kontaktelementes benötigt, hängt
von der Zeitkonstanten des Netzwerkes aus dem Widerstand 42 und den Kapazitäten 44 ab. Wird ein
Kontaktelement berührt, was dadurch zum Ausdruck kommt, daß der Widerstand 33 und die Kapazität 34
wirksam sind, so ergibt sich das Signal 1166 in Form eines digital codierten Wortes, das die Anordnung 56 zur
Durchführung der notwendigen Änderungen erkennt
Die erfindungsgemäße Anordnung überführt daher synchron Daten in diskrete Informationselemen* τ mit
den eingangs angegebenen Vorteilen.
F i g. 7 zeigt einen Teil einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung. Bei dieser
Ausführungsform dienen die Kontaktelemente zur Simulation von Potentiometern. Dabei sind Kontaktelemente
18 auf einem Kreis angeordnet; sie können jedoch auch in einer linearen Folge angeordnet werden.
Wird eine Körperkapazität mittels des Fingers über die Folge von Kontaktelementen bewegt, so wird ein Signal
der oben erläuterten Art erzeugt Dieses Signal ist jedoch ein Maß für die Richtung und die Geschwindigkeit
der Fingerbewegung, wodurch kontinuierliche Funktionen realisierbar sind. Bei der dargestellten
Ausführungsform mit drei abgehenden Leitungen ist jeweils jedes dritte Koniakteiernent elektrisch zusammengeschaltet
Damit ergibt sich ein Dreiphasentakt, wobei sowohl die Richtung als auch die Geschwindigkeit
der Fingerbewegung codiert wird. Offensichtlich ist
hier die Möglichkeit zur Realisierung einer kontinuierlichen Funktion ohne bewegliche Teile ein Vorteil.
Eine ein kontinuierliches Signal repräsentierende analoge information ist dadurch zu realisieren, daß die
Kontaktelemente als zusammenhängendes Teil ausgebildet
sind und daß eine Einrichtung zur Feststellung der Lat£ eines längs des Köritaktweges gleitenden Fingers
vorgesehen ist. Weiterhin ist es möglich, Positionsdaten direkt beispielsweise durch mehrere codierte Kontaktelemente
in die Anordnung einzugeben, wobei dann beim Aufsetzen des Fingers auf mehrere Kontaktelemente
automatisch ein Code erzeugt wird. Es kann beispielsweise auch eine Kontaklplätte auf zwei schon
übereinander angeordnete Anzeigeeinrichtungen auf* gelegt werden, wobei beispielsweise ein Stapel realisierbar
ist, der eine Kathodenstrahlröhren-Frontplatte plus einem transparenten Flüssigkristall plus einer Kathodenstrahl-Frontplatte enthält.
Claims (4)
1. Digitale Codiereinrichtung mit einer sichtbare Bilder erzeugenden Anzeigeeinrichtung, welcher
eine Daten in sie eingebende Einrichtung mit einer Berührungskontaktanordnung zur Erzeugung einer
deren Berührungskontakten entsprechenden Anzahl von Dateneinheiten zugeordnet ist, und mit einer
von den Dateneinheiten gespeisten elektronischen Erkennungsschaltung zur synchronen Umformung
der Dateneinheiten in diskrete Informationselemente im Sinne einer digitalen Datencodierung, welche
eine von den diskreten Informationselementen angesteuerte und Steuerdaten erzeugende Anordnung
aufweist, die mit der Dateneingabeeinrichtung gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die elektronische Erkennungsschaltung folgende Komponenten aufweist: eine erste Stufe (36) zur
synchronen Auswahl einer Dateneinheit aus den Dateneinheii?n und Eingabe in einen Einzelkanal
(38), eine zweite, die ausgewählte Dateneinheit aufnehmende und diese einer Synchrongleichrichtung
unterwerfende Stufe (40) mit einem gleichrichtenden Verstärker (110) mit der Verstärkung 1, eine
dritte, das gleichgerichtete Signal aufnehmende und ein rauschfrei gefiltertes Signal liefernde Stufe (42,
44, 46) mit synchrongeschalteten Filterkreisen (42, 44) und eine das gefilterte Signal mit einem
Bezugssignal vergleichende Stufe (50) zur Erzeugung der diskreten Informationselemente.
2. Digitale Codiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dateneingabeeinrichtung
(12} eine Katiiodens./ahlröhre ist, deren
Schirm die sichtbare Bildvr erzeugende Einrichtung ist.
3. Digitale Codiereinrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste
Stufe (36) als Multiplexer ausgebildet ist.
4. Digitale Codiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
dritte Stufe (42,44,46) als Demultiplexer ausgebildet
ist.
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