DE2850904A1

DE2850904A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur erzeugung eines digitalen ausgangssignals von einem verschiebungswandler

Info

Publication number: DE2850904A1
Application number: DE19782850904
Authority: DE
Inventors: Leslie Arthur John Gardiner
Original assignee: WDM Ltd
Current assignee: WDM Ltd
Priority date: 1977-12-01
Filing date: 1978-11-24
Publication date: 1979-07-19
Also published as: FR2410808A1; FR2410808B1; NL7811535A; CH628428A5

Description

PATENTANWÄLTE 2 8 5 C S -

Dipl.-lng. P. WIRTH · Dr. V. SCH MlED-KOWARZIK Dipl.-lng. G. DANNENBERG ■ Dr. P. WEINHOLD · Dr. D. GUDEL

TELEFON: C0611D

281134 28 7014

GR. ESCHENHEIMER STR. 39 6000 FRANKFURTAM MAIN 1

23. November 1978 Gu/pi.

W.D.M. Limited North View, Soundwell, Staple Hill, Bristol, BS16 4NX

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines digitalen Ausgangssignals von einem Verschiebungswandler

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ORIGINAL INSPECTED

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines digitalen Ausgangssignals von einem Verschiebungswandler.

Das Ausgangssignal eines Verschiebungswandlers (beispielsweise derjenigen Art, bei der ein elektrisches Signal entsprechend der Verschiebung eines Spulenkerns in einer Spule erzeugt wird) wird häufig an ein schreibendes Registriergerät gegeben. Oft ist es erwünscht, das Ausgangssignal in digitaler Form vorliegen zu haben. Insbesondere wenn kleine Verschiebungen gemessen werden sollen, sind die Meßergebnisse, die man von herkömmlichen Meßgeräten erhält, nicht verläßlich. Es wurde gefunden, daß dies darauf beruht, daß der Wandler nicht notwendigerweise in eine feste Ausgangslage nach jeder Messung wieder zurückkehrt. Es wird dabei also ein Nullfehler an die nächste Messung übertragen. Dieses Problem wird noch bei Vorrichtungen zur automatischen Messung verschärft, die also eine Serie von Meßzyklen vornehmen, insbesondere weil der Nullfehler von Zyklus zu Zyklus schwanken kann. Dies kann vermieden werden, wenn ein schreibendes Registriergerät verwendet wird, weil die Ausgangslage vor der zu messenden Verschiebung leicht festgestellt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines digitalen Ausgangssignals von einem Verschiebungswandler vorzuschlagen, die sich insbesondere durch eine verbesserte Meßgenauigkeit auszeichnen.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art gelingt dies gemäß der Erfindung dadurch, daß ein analoges Ausgangssignal von einem Betätigungszyklus des Wandlers ein-

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schließlich einer Ausgangslage (I) und einer Meßposition (II) in ein digitales Signal umgewandelt wird, daß die Werte des digitalen Signals, die der Ausgangslage und der Meßposition entsprechen, registriert werden und daß das digitale Ausgangssignal entsprechend der Differenz zwischen den registrierten Werten abgeleitet wird.

Die neuartige Schaltungsanordnung ist zur Lösung der erwähnten Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandler vorgesehen ist, der ein analoges Ausgangssignal von einem Betätigungszyklus des Wandlers einschließlich einer Ausgangslage und einer Meßposition in ein digitales Signal wandelt, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen Werte des digitalen Signals entsprechend der Ausgangslage (i) und der Meßposition (II) registriert werden, und daß Mittel zur Ableitung des digitalen Ausgangssignals entsprechend der Differenz zwischen den registrierten Werten vorgesehen sind.

Es wird bevorzugt, wenn der digitale Wert, der die Ausgangslage (i) wiedergibt, vor der Registrierung des die Meßposition (II) wiedergebenden Wertes gespeichert wird und daß das digitale Ausgangssignal dann von der Differenz abgeleitet wird. Vorzugsweise wird die Ausgangslage in einem ersten Zähler gespeichert und nach der Registrierung des Wertes der Meßposition werden Zeitimpulse nacheinander dem ersten Speicher zugeleitet, um den darin gespeicherten Wert zu vergrößern, bis dieser gleich dem Wert in der Meßposition ist. Die Anzahl der Zeitimpulse, die notwendig sind, um dies zu erreichen, kann von einem zweiten Zähler gezählt werden, um das digitale Ausgangssignal vorzusehen.

Die neuartige Schaltungsanordnung kann in eine Meßvorrichtung eingebaut werden, die einen geeigneten Verschiebungswandler

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hat. Solch eine Meßvorrichtung kann Steuer- oder Regelmittel haben, so daß eine Reihe von Ablesungen bei aufeinanderfolgenden Meßzyklen vorgenommen werden kann. Die Steuerung ist vorzugsweise so ausgebildet, daß die Registrierung der Werte der Ausgangslage und der Meßposition im richtigen Augenblick bei jedem Meßzyklus vorgenommen wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, welches eine neuartige Schaltungsanordnung darstellt. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltschema zum Verarbeiten eines analogen Eingangssignals;

Fig. 2 ein Schaltschema zum Wandeln dieses verarbeiteten analogen Signals in digitale Form und zur Ableitung eines digitalen Ausgangssignals;

Fig. 3 die Spannung V, aufgetragen über der Zeit t als typisches Beispiel einer Signalform eines Verschiebungswandlers, aus dem ein digitales Ausgangssignal abgeleitet werden soll.

Die neuartige Schaltungsanordnung soll zur Verwendung bei einer Meßvorrichtung an einem Lastwagen zur Messung der Neigung oder Abweichung der Oberfläche einer Straße eingesetzt werden, wenn eine Achse des Lastwagens auf der Straße verfahren wird. Ein linearer Verschiebungswandler ist am Lastwagen montiert. Der Verschiebungswandler ist stationär bezüglich der Straßenoberfläche bei jedem Meßzyklus und folgt der Ablenkung der Straßenoberfläche über einen Arm. Die Meßgenauigkeit soll bei 0,001 mm liegen, entsprechend Abweichungen in der Straßenoberfläche von 0,01 mm. Die Meßvorrichtung ist derart ausgebildet, daß die Lage eines Spulenkerns in einer

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Spule gemessen wird. Die Meßvorrichtung führt nacheinander mehrere Meßzyklen an verschiedenen Punkten längs der Straße durch. Es ist praktisch nicht durchführbar, eine bekannte feste Ausgangslage für den Spulenkern in der Spule am Anfang jedes Meßzyklus festzustellen.

In Fig. 1 wird der Ausgang bzw. das Ausgangssignal vom Ver-' schiebungswandler und der damit verbundenen Schaltung einem positiven bzw. einem negativen Eingang A bzw. B zugeführt. Die Signale werden in Funktionsverstärkern 10 hoher Impedanz verstärkt. Ein Differenzverstärker 12 kombiniert die positiven und negativen Eingänge und verstärkt die Signale. Ein aktiver Tiefpaßfilter 14 mit zwei Stufen schneidet die Frequenz bei etwa 25 Hz ab, um den Geräuschpegel zu reduzieren und um ein Signal bei 1,8 kHz auszuschneiden, welches erzeugt wird, um die Lage des Spulenkerns in seiner Spule nachzuweisen. Ein umkehrender Funktionsverstärker 16 verstärkt die Signale weiterhin und liefert über einen Spannungsteiler 18 zwischen der positiven und der negativen Leitung eine Gleichstrom-Vorspannung derart, daß das Signal bezüglich 0 Volt verschoben werden kann. Der Funktionsverstärker 16 kann mit einer Anzahl verschiedener Wandler (vgl. Fig. 2) zusammenarbeiten.

Das Signal kann von Schaltern 20, 22 unterbrochen werden, und zwar von jedem dieser Schalter und auch von beiden Schaltern. Diese werden von nichtgezeigten Steuerrelais betätigt, die Teile einer Steuerungsschaltung der Meßvorrichtung sind. Die Schalter 20, 22 liegen in Serie und sind nur dann geschlossen, wenn eine Ausgangslage oder ein Meßwert registriert werden soll, so daß der Störpegel zu den anderen Meßzeiten ausgeschaltet ist.

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Das Signal wird anschließend an einen Funktionsverstärker 24 gegeben, der einen Fet-Eingang mit sehr hoher Impedanz (in der Größenordnung von 10 Megaohm hat. Diese hohe Impedanz arbeitet mit einem Silber-Glimmerkondensator 26 geringer Toleranz zwischen dem Eingang des Funktionsverstärkers 24 und O Volt zusammen. Der Glimmerkondensator ist mit zwei Dioden 28, 30 isoliert, die einen niedrigen Vorwärts-Spannungsverlust haben, so daß kleine Signale passieren können (Typ 1 N 914). Der Wert des Glimmerkondensators 26 wird in Verbindung mit der Eingangsimpedanz des Verstärkers 24 ausgewählt, so daß der Ausgang am Punkt X lange genug gehalten wird, so daß ein Analog-Digital-Wandler 32 (vgl. Fig. 2) eine Umwandlung vornehmen kann. Der Kondensator 26 ist so ausgelegt, daß die Schaltung auch auf die schnellsten Impulse reagieren kann, die gezählt werden sollen. Ein Wert von etwa 100 pF erfüllt diese Bedingungen.

In Fig. 2 wird das Signal am Punkt X dem Analog-Digital-Wandler 32 zugeführt. Dieser gibt Ausgänge in binär-codierten Dezimalen, und zwar über drei Dekaden. Der Wandler ist so geeicht, daß eine der Dekaden eine Abweichung von hundertstel Millimeter der Straßenoberfläche wiedergibt, die andere zehntel Millimeter und die dritte Millimeter. Die Ausgangssignale des Wandlers 32 werden über eine Torsteuerung 36 an die entsprechenden binär-codierten dezimalen Eingänge eines Zählers 38 gegeben, wo die Werte gespeichert werden können.

Diese Ausgangssignale werden ebenfalls von der Torsteuerung 36 drei Sätzen bistabiler Schlüsselschaltungen (Latch) zugeführt, nämlich einem Satz pro Dekade. Zeichnerisch ist nur eine Schlüsselschaltung dargestellt. Die Ausgangssignale des Zählers 38 und der Schlüsselschaltungen 40 werden an drei

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Vergleicher 42 gegeben, und zwar an einen Vergleicher pro Dekade. Auch hier ist nur ein Vergleicher zeichnerisch dargestellt.

Die nichtgezeigte Steuerung der Meßvorrichtung ist so ausgebildet, daß verschiedene Steuersignale an geeigneten Stellen des Meßzyklus abgegeben werden. Beim Beginn jeder Messung muß der Wert der Ausgangslage festgestellt werden. Dies ist der Pfeil I in Fig. 3. Es wird daher ein Steuerimpuls "wandeln" einem Eingang 44 des Wandlers 32 zugeleitet. An der Vorderkante dieses Impulses werden die binär-codierten dezimalen Ausgänge des Wandlers auf Null gestellt. An der rückwärtigen Kante werden digitale binär-codierte dezimale Ausgänge erzeugt, entsprechend der Ausgangslage. Diese werden im Zähler 38 gespeichert. Die Schlüsselschaltungen 40 erhalten ebenfalls diese Ausgänge, aber leiten diese nicht weiter, wenn ein Einstellsignal am Eingang 46 fehlt.

An der Spitze II (Fig. 3), die der Meßposition entspricht (d.h. wenn die Achse des Lastwagens sich über dem Meßpunkt der Straße befindet), liefert die Steuerung ein zweites Steuersignal "wandeln" an den Eingang 44 des Wandlers 32. Gleichzeitig werden Signale von der Steuerung den Eingängen 48 der Torsteuerung 36 zugeleitet, um zu verhindern, daß der Zähler 38 die Ausgangssignale des Wandlers erhält. Ein Einstellsignal wird dem Eingang 46 der Schlusselschaltungen 40 zugeführt. Wenn somit binär-codierte dezimale Formen des Wertes der Meßposition an den Ausgängen des Wandlers an der rückwärtigen Kante des "Wandel"-Impulses erscheinen, so werden diese in die Schlüsselschaltungen 40 eingegeben und gelangen weiter an die Vergleicher 42. Die Steuerung gibt dann ein Startsignal über eine Leitung 45 an den Zähler 38 und eine Folge von Zeitimpulsen von einer Zeitimpulsquelle 50 wird dem Zähler 38 zugeführt. Jeder Zeitimpuls fügt den Wert eins dem im Zähler ge-

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speicherten Wert zu. Wenn der in jeder Dekade des Zählers gespeicherte Wert gleich dem Wert der Meßposition ist, die am entsprechenden Satz der Schlüsselschaltiangen registriert ist, so liefern alle Vergleicher Signale an den Ausgängen 52. Dadurch schaltet die Steuerung den Zähler 38 und die Zeitimpulse ab.

Die Anzahl der Zeitimpulse, die erzeugt wird, ist somit gleich der Differenz zwischen dem Wert der Ausgangslage und dem Wert der Meßposition. Dies ergibt also den gesuchten Warenmeßwert M in Fig. 3. Der Zeitgeber 50 wird daher ebenfalls verwendet, um einen zweiten Zähler 54 zu beaufschlagen, und zwar über ein Puffertor 56. Dieser Zähler wird über ein Signal über eine Leitung 47 gleichzeitig mit dem Zähler 38 eingeschaltet und zählt die Anzahl der Zeitimpulse. Er wird am Ende jedes Impulszuges der Zeitimpulse ausgeschaltet und liefert dann das gewünschte digitale Ausgangssignal in Form binär-codierter Dezimalen.

Die neuartige Schaltungsanordnung gibt daher verläßlich und sehr genau einen digitalen Ausgang eines Verschiebungswandlers, wobei der Nullfehler berücksichtigt wird, der auf der nicht ortsfesten Natur der Ausgangslage des Wandlers beruht. Die Schaltungsanordnung kann zur Messung kleiner Verschiebungen ohne Verlust an Meßgenauigkeit benutzt werden.

Die Erfindung kann auch an das als vorstehend beschrieben realisiert werden. Beispielsweise kann auch ein Mikroprozessor entsprechend programmiert werden, der dann die notwendigen Operationen durchführt.

Wichtig ist es somit, daß ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen wird, womit ein digitales Ausgangs-

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signal von einem Verschiebungswandler hergestellt wird, insbesondere wenn der Wandler in einem Meßzyklus arbeitet. Die neuartige Schaltungsanordnung hat einen Analog-Digital-Wandler 32. Ein erster Zähler 38 speichert den digitalen Wert der Ausgangslage des Wandlers. Eine Schlüsselschaltung speichert den Wert der Meßposition. Ein Vergleicher 42 vergleicht,die beiden Werte. Zeitimpulse von einem Zeitgeber 50 beaufschlagen den Zähler 38, bis beide Werte einander gleich sind. Ein zweiter Zähler 54 zählt die Anzahl der Zeitimpulse und liefert ein digitales Ausgangssignal bzw. einen digitalen Ausgang des wirklichen Meßwertes.

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Claims

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Patentansprüche :

Verfahren zur Erzeugung eines digitalen Ausgangssignals von einem Verschiebungswandler, dadurch gekennzeichnet, daß ein analoges Ausgangssignal von einem Betätigungszyklus des Wandlers einschließlich einer Ausgangslage (I) und einer Meßposition (II) in ein digitales Signal umgewandelt wird, daß die Weste des digitalen Signals, die der Ausgangslage und der Meßposition entsprechen, registriert werden und daß das digitale Ausgangssignal entsprechend der Differenz zwischen den registrierten Werten abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Wert, der die Ausgangslage (I) wiedergibt, vor der Registrierung des die Meßposition (II) wiedergebenden Wertes gespeichert wird und daß das digitale Ausgangssignal dann von der Differenz abgeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Wert in der Ausgängslage in einem ersten Zähler (38) gespeichert wird, und zwar nach Registrierung des Wertes der Meßposition, worauf Zeitimpulse nacheinander dem ersten Zähler zugeführt werden, so daß der darin gespeicherte Wert vergrößert wird, bis er gleich dem Wert in der Meßposition ist.

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4. Verfahren nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Zeitimpulse, die notwendig ist, um den im ersten Speicher (38) gespeicherten Wert zu vergrößern, bis dieser gleich dem Wert in der Meßposition ist, gezählt wird.
5. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines digitalen Ausgangssignals von einem Verschiebungswandler, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandler (32) vorgesehen ist, der ein analoges Ausgangssignal von einem Betätigungszyklus des Wandlers einschließlich einer Ausgangslage und einer Meßposition in ein digitales Signal wandelt, daß Mittel (38, 40) vorgesehen sind, mit denen Werte des digitalen Signals entsprechend der Ausgangslage (I) und der Meßposition (II) registriert werden, und daß Mittel (42, 50, 54) zur Ableitung des digitalen Ausgangssignals entsprechend der Differenz zwischen den registrierten Werten vorgesehen sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet,

daß Mittel (38) zum Speichern des digitalen Wertes vorgesehen sind, der die Ausgangslage (1) vor der Registrierung des die Meßposition wiedergebenden Wertes wiederspiegelt.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Speicherungsmittel aus einem ersten Zähler (38) bestehen, einem Vergleicher (42), der das Ausgangssignal des ersten Zählers mit dem registrierten Wert der Meß-

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position vergleicht, und aus einer Zeitimpulsquelle (50), die nacheinander Zeitimpulse an den ersten Zähler abgibt, nachdem der Wert in der Meßposition registriert ist, so daß der darin gespeicherte Wert sich vergrößert, bis er gleich dem Wert in der Meßposition ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Zähler (54) vorgesehen ist, der die Anzahl der Zeitimpulse zählt, die notwendig sind, um den im ersten Zähler (38) gespeicherten Wert zu vergrößern, bis dieser gleich dem Wert in der Meßposition ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die Mittel zum Registrieren des Wertes der Meßposition eine Schlüsselschaltung (40) umfassen.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Steuermittel vorgesehen sind, die die Registrierung der Werte In der Ausgangslage und in der Meßposition in den richtigen Augenblicken in jedem Meßzyklus sicherstellen.

Patentanwalt:

Dr. D. Gudel

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