DE2954673C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Digitalisierung der Stellung eines Aufnehmers auf einer Platte. Ein solches Verfahren ist aus der US 40 54 746 bekannt.

Derartige Verfahren dienen dazu, graphische Informationen auf Schaubildern, Kurven und dergleichen in kartesische Koordinatenwerte umzuwandeln. Dabei wird ein von einer Bedienungsperson geführter Positionsaufnehmer verwendet, dessen Position auf einer Platte digitalisiert und in kartesischen Koordinaten angezeigt wird, wobei der verwendeten Digitalisierungsvorrichtung zumeist eine elektronische Wechselwirkung zwischen dem Positionsaufnehmer und der Platte zugrunde liegt.

Auf der Platte sind hierbei in X- und in der Y- Koordinatenrichtung jeweils äquidistante und parallele elektrische Leiter vorgesehen. Eine Möglichkeit zur Digitalisierung der kartesischen Koordinaten einer Position des Aufnehmers, der kapazitiv oder induktiv arbeitet, besteht darin, ein elektrisches Feld in der X- bzw. Y-Richtung über die Platte zu führen.

Ein Problem bei derartigen Vorrichtungen besteht darin, daß die räumliche Anordnung der elektrischen Leiter an sich die Auflösungsgenauigkeit des Referenzsignals begrenzt. Wenn der Grad der gewünschten Genauigkeit zunimmt, beispielsweise von 0,01 mm bis 0,001 mm, oder die Größe der Platte bei gleichbleibender gewünschter Genauigkeit zunimmt oder sich beides ändert, muß das Auflösungsvermögen, das heißt die Fähigkeit zum Bestimmen immer kleinerer Bruchteile des gewählten Parameters, entsprechend zunehmen. Es ist indessen schwierig, eine immer größere Auflösung zu erreichen. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß im wesentlichen die gleiche Digitalisierungsvorrichtung sowohl mit großen als auch mit kleinen Platten ohne Änderung der Genauigkeit arbeiten muß.

Eine bekannte Lösung für das Problem der Erhöhung des Auflösungsvermögens besteht darin, daß grobe und feine Meßstufen eingeführt werden (US-PS 33 43 577). Dabei wird der aktive Bereich der Platte in verschiedene Abschnitte unterteilt. Es werden aufeinanderfolgende Abschnitte in einer Richtung getastet, bis festgestellt wird, daß einer dieser Abschnitte den Positionsabtaster enthält. Dann wird innerhalb dieses Abschnittes eine genauere Messung durchgeführt. Bei der Unterteilung der Platte ergeben sich jedoch zwei Nachteile: 1. muß eine zusätzliche Schaltung dazu verwendet werden, um den Abschnitt der Platte zu bestimmen, für den die Messung durchgeführt werden soll; 2. ist es schwierig, an den Grenzen der einzelnen Abschnitte Linearität zu erreichen.

Ein gemeinsamer Nachteil von Systemen mit Grob- und Feinmessung besteht in der Mehrdeutigkeit der Anzeigewerte.

Bei einer Feinmessung ergibt sich ein hohes Auflösungsvermögen innerhalb eines relativ kleinen Intervalls, aber es kann nicht unterschieden werden, ob der Abtaster sich an einem bestimmten Ort in einem Intervall oder an dem entsprechenden Ort in einem anderen Intervall befindet. Umgekehrt besteht bei Grobmessungen die Aufgabe darin, das feine Intervall zu bestimmen.

Eine derartige Technik mit Grob- und Feinmessung ist aus der US-PS 37 35 044 bekannt. Dabei werden zwei geringfügig unterschiedliche Frequenzen verwendet, deren Frequenzdifferenz klein im Vergleich zu der einen oder der anderen Frequenz ist. Somit ist die Periode der Differenzfrequenz lang im Vergleich zu jeder der beiden Frequenzen. Die Amplitude der Differenzfrequenz ist bezogen auf die Position des Abtasters und kann zur ungefähren Grobbestimmung der Abtastposition verwendet werden. Der wesentliche Nachteil dieser Technik besteht darin, daß die Schaltung zur Grobmessung nicht unmittelbar zur Feinmessung verwendet werden kann. In dem genannten Beispiel wurde eine Schaltung für Grobmessungen und eine für Feinmessungen verwendet.

Bei dem bekannten Verfahren gemäß US 40 54 746 wird eine Grob- und Feindigitalisierung in beiden Koordinatenrichtungen ausgeführt. Dabei wird eine rechte Quelle vorgegebener Frequenz über die Platte geführt, was dadurch erfolgt, daß die Rechteckwelle schrittweise an die elektrischen Leiter angelegt wird, wobei jeder Schritt dem Abstand der elektrischen Leiter entspricht. Das verwendete Rechtecksignal erzeugt im Falle der Feindigitalisierung in dem induktiven Positionsaufnehmer Signale, die nach Filterung ein halbwellensymmetrisches Signal mit einer durch die Position des Positionsaufnehmers bedingten Phasenverschiebung ergeben, wobei diese Phasenverschiebung zur Bestimmung der Feinkomponente der jeweiligen Koordinate verwendet wird.

Nachteilig ist bei der das Verfahren durchführenden bekannten Vorrichtung, daß separate Grob- und Feingitter und auch eine separate Ansteuer- und Dekodiertechnik nötig sind.

Auch bei dem aus der US 39 75 592 bekannten Verfahren wird eine Grob- und Feinmessung durchgeführt, wobei die Grobmessung mittels einer hohen Taktfrequenz und die Feinmessung mittels einer geringeren Taktfrequenz durchgeführt wird. Bei letzterer wird eine ausgewählte Anzahl der Koordinatenleitungen mit der geringeren Taktfrequenz angesteuert. Die das Verfahren gemäß US 39 75 592 durchführende Vorrichtung erkennt die Lage des Aufnehmers nicht aufgrund einer Phasenverschiebung des im Aufnehmer aufgenommenen Signals gegenüber einem über die Platte wandernden halbwellensymmetrischen Signal, sondern aufgrund einer Integration einer Vielzahl von vom Aufnehmer aufgenommenen Impulsen, um den zeitlichen Mittelwert derselben zu bestimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Digitalisierung zu schaffen, bei dem mit hoher Genauigkeit Grob- und Feinwerte ermittelt werden können, und bei dem jeweils die gleiche Grundtechnik verwendet wird.

Der Gegenstand der Erfindung ergibt sich aus dem Patentanspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 9 beispielsweise näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Digitalisierungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 die grundsätzliche Verknüpfung zwischen den Schieberegistern, den periodisch abgelenkten groben und feinen Rechteckwellen und den Gittern innerhalb der Platte,

Fig. 3 ein Diagramm, aus dem die Grobmessung der Position entlang der X- bzw. Y-Achse mit einer Rechteckwelle, deren Wellenlänge 1,8 m beträgt, hervorgeht,

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Feinmessung der Position entlang der X- bzw. Y-Achse mit einer Rechteckwelle, deren Wellenlänge 40 mm beträgt,

Fig. 5 ein vereinfachtes Blockdiagramm zur Erläuterung der Referenzmessung für die X-Achse,

Fig. 6 ein Diagramm, aus dem das Verhältnis der Grob- und Referenzmessungen für die X- und für die Y-Richtung hervorgeht,

Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Verhältnisse zwischen den Fein- und Referenzmessungen für die X- und die Y-Richtung,

Fig. 8 ein Diagramm, aus dem hervorgeht, wie eine Referenzmessung für eine der Achsen ausgewertet wird, wenn ihr Wert den zugeordneten Grobwert oder Feinwert überschreitet,

Fig. 9 zeigt die Verknüpfung von Grobmessungen und Feinmessungen für die X-Richtung bzw. die Y-Richtung.

Es sei zunächst anhand der Fig. 1 eine Digitalisierung der Koordinaten einer beliebigen Abtastposition kurz beschrieben, bei der die erfindungsgemäße Grob- und Feinmessung angewendet werden kann.

Auf der Platte 3 befinden sich die parallelen elektrischen Leiter 46, deren gegenseitiger Abstand jeweils 5 mm beträgt, und die zusammen als X-Gitter bezeichnet werden. Mit dem X- Gitter kreuzt sich rechtwinklig das aus den elektrischen Leitern 47 bestehende Y-Gitter. Es wird im folgenden nur das X-Gitter betrachtet. An das X-Gitter wird ein symmetrisch veränderliches elektrostatisches Feld angelegt, und zwar über das X-Schieberegister 9. Je ein Ausgang des Schieberegisters 9 ist mit einem Leiter 46 verbunden, so daß das angelegte elektrostatische Feld dem augenblicklichen bit-Muster des Schieberegisters entspricht. Dieses Feld wird dadurch erzeugt, daß ein Rechteckwellen-Signal 72 (Referenzsignal IREF), dessen Frequenz 5 kHz beträgt, an den Dateneingang des Schieberegisters gelegt wird. Das Referenzsignal wird dann schrittweise durch das Schieberegister geschoben, wobei der Verschiebetakt 1,8 MHz beträgt, der bei der Grobmessung angewendet wird. Es läßt sich leicht erkennen, daß dann jeweils 180 logische Einsen in das Schieberegister eingeschoben werden, die im Verschiebetakt von Leiter zu Leiter weitergeschoben werden, und anschließend 180 logische Nullen in gleicher Weise in das Schieberegister eingetragen werden. Sodann folgen wieder 180 logische Einsen und so weiter.

Entsprechend dem augenblicklichen bit-Muster bildet sich das elektrostatische Feld im X-Gitter aus. Der Wert des Feldes ist also eine Funktion der Zeit und des bit-Musters. Das sich ausbreitende elektrostatische Feld gelangt unter den Abtaster, dessen wesentliches Element der kapazitive Aufnehmer 24 ist. Die kapazitive Kopplung zwischen dem Aufnehmer 24 und den Leitern 46 des X-Gitters koppelt ein Signal zum Abtaster. Das Ausgangssignal des Abtasters 24 ist eine Wechselspannung mit 5 kHz, die nachfolgend verstärkt und dem Filter 7, das auf 5 kHz abestimmt ist, zugeführt wird. 5 kHz ist also die Geschwindigkeit, mit welcher das das bit-Muster am Eingang des X-Schieberegisters erzeugende Signal sich ändert. Da die Verschiebungsgeschwindigkeit ein synchronisiertes Vielfaches von 5 kHz ist, handelt es sich auch um die Geschwindigkeit, mit welcher das elektrostatische Feld in der Platte sich ändert. Das Filter 7 glättet die Treppenform des Abtastersignals und macht dieses rein sinusförmig. Der Ausgang des Filters wird mittels des Nulldurchgangsdetektors wieder in die Rechteckwelle 43 zurückverwandelt, welche als SIGNAL bezeichnet wird.

Die Position des Aufnehmers 24 längs der X-Achse ergibt sich aus der Zeit, die erforderlich ist, bis eine gegebene Vorderflanke der elektrostatischen Rechteckwelle auf der Platte den Abstand vom Rand der Platte zum Ort des Aufnehmers zurückgelegt hat.

Die Phasenlage des SIGNALS wird nun mit der Phasenlage des Referenzsignals IREF mittels des Phasenzählers 12 und dessen Steuereinheit 11 verglichen. Aus bestimmten Gründen ist es zweckmäßig, ein um eine halbe Wellenlänge verschobenes Referenzsignal zu verwenden, das mit ΦREF bezeichnet wird. Die Steuereinheit 11 startet und stoppt den binären Phasenzähler 12 entsprechend den Vorderflanken der Signale ΦREF und SIGNAL. Eine Vorderflanke des Signals ΦREF startet den Zähler, welcher dann Zyklen von 1,8 MHz zählt. Die nächste Vorderflanke des SIGNALS beendet die Zählung. Dann zeigt eine Leitung "datenbereit" des Mikroprozessors 14a, daß der Phasenzähler Daten zur Bearbeitung zur Verfügung hält.

Anhand der Fig. 2 bis 9 wird nunmehr die erfindungsgemäße Grob- und Feinmessung näher erläutert.

Die Länge des aktiven Meßbereiches der Platte ist begrenzt in der X-Richtung oder Y-Richtung auf einen Wert, der etwas geringer ist als die Strecke, die eine Vorderflanke der sich bewegenden elektrostatischen Welle zurücklegt, wenn sie mit der Verschiebungsfrequenz von 1,8 MHz für Grobmessungen zurückgelegt wird, und sich um eine Wellenlänge verschieben kann. Die Maximallänge der Platte ist derart, daß stets weniger als eine vollständige Periode der elektrostatischen Welle für Grobmessungen an der Platte anliegt. Daraus ergibt sich, daß irgendeine Vorderflanke des IREF-Signals verwendet werden könnte, um ein Zeitglied auszulösen, welches dann durch die nächste Vorderflanke abgeschaltet würde, die von dem Meßaufnehmer erfaßt wird. Das Signal IREF könnte diese Aufgabe übernehmen, da es die sofortige Quelle des 5-kHz-Signals ist, das dem Rand der Platte zugeführt wird und das dann verschoben wird.

Ein Zeitintervall wird durch den Phasenzähler 12 und dessen Steuerungseinheit 11 gemessen. Die Steuerungseinheit 11 startet und stoppt den binären Phasenzähler 12 entsprechend den Vorderflanken der Signale ΦREF und SIGNAL. Eine Vorderflanke des Signals ΦREF startet den Zähler, welcher dann Zyklen von 1,8 MHz zählt. Die nächste Vorderflanke des SIGNALS beendet die Zählung. Dann zeigt eine Leitung "datenbereit" des Mikroprozessors 14 an, daß der Phasenzähler 12 Daten verfügbar hat.

Es ist zweckmäßig für die X- und Y-Richtung Referenzwerte zu ermitteln, die die Filterverzögerung charakterisieren und diese Referenzwerte dann mit den ermittelten X- und Y-Werten zu verknüpfen.

Die Bestimmung des endgültigen Wertes der X-Koordinate erfordert eine zusätzliche Art von Messung, nämlich eine Feinmessung für den X-Wert. Um diese Messung auszuführen, wird die Vorschiebegeschwindigkeit des X-Schieberegisters von 1,8 MHz auf 40 kHz geändert. Das Signal IREF dient weiterhin zur Erzeugung der 5 kHz des seriell verschobenen bit-Musters. Die niedrigere Verschiebungsgeschwindigkeit erzeugt ein kürzeres bit-Muster, um das Signal IREF mit 5 kHz darzustellen. Im einzelnen hat das bit-Muster vier gesetzte bits, denen vier Leerbits folgen.

Das kürzere bit-Muster erzeugt entsprechend kürzere sich fortpflanzende elektrostatische Wellen auf der Platte. Während bei der Grobmessung eine Wellenlänge die Maximallänge der Platte überschritt, ist die Wellenlänge einer Welle für die Feinmessung wesentlich kürzer als die Platte. Somit gibt es mehrere Zyklen von Wellen für die Feinmessung auf der Platte, und irgendeine der verschiedenen Abtasterpositionen erzeugt das gleiche Ergebnis im Phasenzähler.

Dieses führt zu keinem Problem und ergibt insgesamt eine Erhöhung in der Auflösung in X-Richtung. Die Mehrdeutigkeit wird in folgender Weise aufgelöst: Die Grobmessung kann daraufhin untersucht werden, welche der Perioden bei der Feinmessung den Ort des Abtasters enthält. Dann kann die Grobmessung in eine entsprechende ganzzahlige Anzahl von Feinmeßzyklen unterteilt werden, die dann durch das Ergebnis der Feinmessung erhöht werden.

Die Erhöhung des Auflösungsvermögens erfolgt so: Der Phasenzähler kann keinen Unerschied zwischen Grobmessung und Feinmessung machen. Sowohl das SIGNAL als auch ΦREF haben 5 kHz, und der Maximalunterschied zwischen den Vorderflanken beträgt 200 µs. In jedem Fall mißt der Phasenzähler das Intervall durch Zählen von Zyklen von 1,8 MHz. Es gibt 3600 Zyklen mit 1,8 MHz in 200 µs. Sowohl für eine Feinmessung als auch für eine Grobmessung stellt ein Zählerstand von 1800 in dem Phasenzähler einen Abstand dar, der einer halben Wellenlänge der abgelenkten elektrostatischen Werte entspricht. Im Fall der Grobmessung beträgt diese Wellenlänge 1,8 m (180 bits gesetzt + 180 bits gelöscht = 360 Verschiebungen · 5 mm pro Verschiebung = 1,8 m), während dieser Wert für Feinmessungen nur 40 mm beträgt. Somit beträgt der durch ein Feinmessungs-Inkrement dargestellte Abstand 1/45 des durch ein Grobmessungs-Inkrement dargestellten Abstandes.

Die Ermittlung der Y-Werte erfolgt in analoger Weise, so daß diese nicht näher erläutert werden muß.

Um eine X-Feinmessung oder eine Y-Feinmessung durchzuführen, muß ein neues bit-Muster zum aktiven Schieberegister gelangen. Das gleiche trifft auch für Grobmessungen zu, aber die Verschiebungsgeschwindigkeit von 1,8 MHz für Grobmessungen ist ausreichend schnell, so daß keine wahrnehmbare Verzögerung in der Schieberegister-Anordnung erscheint. Die normale Fein-Verschiebungsgeschwindigkeit ist nur 40 kHz. Das bedeutet, daß eine erhebliche Zeitspanne erforderlich sein kann, bis das richtige bit-Muster mit vier gesetzten bits und vier gelöschten bits den ganzen Signalpfad bis zum Ende des aktiven Schieberegisters zurücklegt, insbesondere falls eine große Platte mit ihrem entsprechend langen Schieberegister verwendet wird. Um die Zeitspanne herabzusetzen, die bei dem bit-Muster bei der Feinmessung zur Verschiebung erforderlich ist und um dadurch die Koordinaten-Abtastgeschwindigkeit maximal zu machen, wird das folgende Verfahren verwendet.

Zu Beginn einer Feinmessung wird die normale Verschiebungsfrequenz von 40 kHz für Feinmessungen zeitweilig durch 1,8 MHz ersetzt. Um das geeignete bit-Muster mit vier gesetzten und vier gelöschten bits zu erzeugen, wird der serielle Dateneingang gleichzeitig von 5 kHz auf 225 kHz geschaltet. Diese Bedingung wird aufrechterhalten, bis das nächste zulässige Schieberegister mit dem neu weiterbewegten bit-Muster gefüllt wäre. Es wurde bestimmt, daß eine 45 Wellenlängen entsprechende Länge die längste aktive Dimension irgendeiner Platte ist. Da jede 225 kHz entsprechende Periode jetzt einer Wellenlänge für Feinmessungen von vier gesetzten bits und vier gelöschten bits entspricht, reicht es aus, den Vorspeicher-Zustand für 40 Perioden bei 225 kHz aufrechtzuerhalten.

Anhand von Fig. 2 wird erläutert, wie eine Meßsignalwelle 62 für eine Grobmessung erzeugt wird. Der Frequenz von 5 kHz des Signals IREF entspricht eine Periode von 200 µs. In dieser Zeitspanne treten 360 Perioden der Verschiebefrequenz von 1,8 MHz für Grobmessungen auf. Somit treten während jeder Periode des Signals IREF 360 Verschiebungen des Schieberegisters 42 auf. Da IREF eine symmetrische Rechteckwelle ist, treten 180 dieser Verschiebungen auf, wenn das Signal IREF den Pegel "gesetzt" hat, und 180 Verschiebungen treten auf, wenn das Signal IREF den Pegel "nicht gesetzt" hat. Dieses erzeugt ein bit-Muster für die Grobmessung von 180 gesetzten bits und 180 gelöschten bits. Bei 5 mm pro Leitung im Gitter erzeugt dieses eine sich bewegende elektrostatische Welle für Grobmessung in der Platte mit einer Wellenlänge von 1,8 m.

Aus Fig. 2 geht auch das Erzeugen einer Welle 63 für eine Feinmessung hervor. Während der Periode von 500 µs des Signals IREF treten acht Perioden der Verschiebungsfrequenz von 40 kHz für Feinmessungen auf. Dieses führt zu einem bit-Muster in einem Schieberegister von vier gesetzten bits und vier gelöschten bits. In einer dem Fall von Grobmessungen entsprechenden Weise führt dies zu einer nachfolgenden Serie von Feinmessungszyklen einer elektrostatischen Welle mit einer Wellenlänge von 40 mm. Die Feinmessungs-Wellenlänge ist 1/45 der Wellenlänge für Grobmessungen.

Fig. 2 zeigt auch, wie die redundanten Leitungen 19 zu der letzten aktiven Leitung an jedem Ende der elektrischen Achsen der Platte hinzugefügt sind.

Die Einzelheiten über das Ausführen einer Grobmessung werden unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert. Es ist eine Grobmessungswelle in zwei verschiedenen Positionen dargestellt, wie sie durch die Platte hindurchgelangen. Die Welle 40a ist in der Form dargestellt, wie sie zu dem Taktzeitpunkt existieren, zu dem ihre Vorderflanke sich über den aktiven Bereich ausbreitet. Die Welle 40b ist die gleiche Welle, und zwar in der Form wie sie 22 Verschiebungen später vorliegt. Die Wellen 40a und 40b sind nicht normale Wellenformen, wie sie auf dem Oszilloskop dargestellt werden können. Die Wellen 40a und 40b sind räumliche Darstellungen eines sich regelmäßig verschiebenden elektrostatischen Feldes, welches der Platte eingeprägt ist. Jede Verschiebung des Schieberegisters bewegt die gesamte Welle 5 mm nach rechts in Fig. 3. Die horizontale Achse der Wellen 40a und 40b wird am zweckmäßigsten als Abstand und nicht als Zeitspanne verstanden.

Aus Fig. 3 geht eine Welle für eine Grobmessung hervor, deren Vorderflanke sich mit 22 Verschiebungen fortpflanzt, nachdem sie die Kante des Gitters verläßt, bevor sie unter dem Abtaster hindurchgelangt. Die Welle 40 erzeugt eine Kurvenform 60, die das resultierende in den Aufnehmer des Abtasters gekoppelte Signal ist. Die Kurvenform 60 hat eine Treppenform, die durch die Kopplungssprünge erzeugt werden, wenn die Welle 40 sich periodisch und plötzlich um jeweils 5 mm unter dem Abtaster hindurchbewegt.

Die Kurvenform 60 des Abtasters wird im wesentlichen durch folgende Faktoren beeinflußt. Das Abrunden der Ränder der Kurvenform erfolgt teilweise durch kapazitives Laden des Aufnehmers 24 durch dessen umgebende Abschirmung und teilweise durch den Filtereffekt, der durch die kreisförmige Öffnung erzeugt wird. Auch erfolgt das kapazitive Laden auf dem Aufnehmer 24 nicht konstant. Wenn der Übergang in der Welle sich unter dem Abtaster befindet, liegt ein Teil der Kopplungskapazität an Masse und ein Teil an dem durch die Wellen dargestellten Spannungspegel. Der Anteil ändert sich, wenn die Welle sich unter dem Abtaster hindurchbewegt.

Ein anderer wesentlicher Aspekt der Kurvenform 60 ergibt sich aus der Bedingung "A B". Dieses zeigt die nichtsymmetrische Natur der Treppenstufen über und unter der Null-Volt-Achse an. Dieses hängt damit zusammen, daß der Abtaster nicht über einer Linie in der Platte zentriert ist, das heißt einer Linie in dem Gitter für die betrachtete Dimension. Wenn sich die Position des Abtasters geringfügig ändert, so ändert sich auch der Grad der Asymmetrie sowie die Größen der einzelnen Stufen der Treppenformen. Dadurch kann das Filter 7 im wesentlichen die Position des Abtasters interpolieren, wenn dessen Mittelpunkt nicht direkt über einer Linie in der Platte liegt.

Fig. 3 zeigt auch den Ausgang 61 des Filters. Zur Klarstellung wurde angenommen, daß der Rest der Filterverzögerung über einer ganzzahligen Anzahl von 200 µs Perioden klein ist, das heißt etwa 3 ms.

Jede vollständige Gruppe von acht Verschiebungen stellt eine vollständige Feinmeßlänge dar, die in der Verschiebung des Abtasters am Rand der Platte enthalten ist. Die Bestimmung der Anzahl derartiger kompletter Wellenlängen für die Feinmessung ist die Hauptaufgabe der Grobmessung, und das Ergebnis wird der Grobanteil der Messung genannt. Der Feinanteil ist der Bruchteil einer Feinmessungs-Wellenlänge und wird während der Feinmessung ermittelt.

Die Einzelheiten über die Ausführung einer Feinmessung werden anhand der Fig. 4 erläutert. Es ist eine Feinmeßwelle in zwei verschiedenen Positionen dargestellt, wie diese sich über die Platte ausbreitet. Die Welle 41a ist in der Form dargestellt, wie sie vorliegt, wenn eine ihrer Vorderflanken sich über den aktiven Bereich auszubreiten beginnt. Die Welle 41b ist die gleiche Welle wie sie 22 Verschiebungen später vorliegt.

Die vorstehenden Erläuterungen bezüglich der Fig. 3 gelten auch analog für die Erläuterungen der Fig. 4.

Der Hauptunterschied zwischen der Fig. 3 und der Fig. 4 besteht darin, daß in Fig. 4 die elektrostatische Meßwelle eine Wellenlänge von acht Verschiebungen statt 360 Verschiebungen hat, was für die Feinmessung erforderlich ist. In jeder der Fig. 3 und 4 wird die gleiche Filterverzögerung angenommen. Die Bemerkungen über die Filterinterpolation der Position des Abtasters in Fig. 3 gelten auch für Fig. 4. Wichtig ist die aus Fig. 4 hervorgehende Tatsache, daß die Feinmessung vorgenommen werden kann, indem die Menge von irgendeinem der Vielzahl von Intervallen gemessen wird, die durch die Werte ΦREF und SIGNAL gebildet werden, selbst wenn dieses nicht dem Intervall in der Zeichnung entspricht, wo sich der Abtaster befindet.

Um die Komponenten der Grobmessung und der Feinmessung zu erhalten, ist es gemäß Fig. 3 und 4 erforderlich, die Filterverzögerung zu kennen. Diese wird während einer Referenzmessung erhalten, die anhand der Fig. 5 bis 8 erläutert wird.

Fig. 5 stellt die äquivalente interne Konfiguration der Digitalisierungsvorrichtung während der X-Referenzmessung dar. Das Y-Schieberegister ist vorher gelöscht worden und bleibt in diesem Zustand, da das X-Schieberegister 9 das aktive Schieberegister ist. Ein Löschen des Y-Schieberegisters erdet das Y- Gitter in der Platte. Weiterhin schiebt das X-Schieberegister eine Welle nicht länger über die Platte. Statt dessen wird die Fähigkeit zum parallelen Laden des X-Schieberegisters verwendet, um alle Leitungen in dem X-Gitter mit einer Frequenz von 5 kHz zu speisen, wobei IREF als Quelle für das 5-kHz-Signal dient.

Unabhängig davon, wo der Abtaster sich in der X- oder in der Y-Richtung befindet, so "sieht" dieser das gleiche Signal. Auch gibt es wenig oder keine Verzögerung zwischen den Signalen, die der Abtaster sieht, und ΦREF, welches Signal den Phasenzähler triggert. Somit stellt die Verzögerung zwischen Vorderflanke von ΦREF und der Vorderflanke des SIGNALS die durch das Filter und die Verstärker hervorgerufene Verzögerung dar. Die Schieberegister-Verzögerung ist auch inbegriffen, aber in der Regel unbedeutend. Sie wird jedoch richtig berücksichtigt, solange wie die Verschiebungsverzögerung zwischen den Stufen gleich der Verzögerung bei paralleler Ladung ist.

Es werden nun anhand der Fig. 6 und 7 Grob- und Feinmessungen unter Berücksichtigung eines Fehler-Referenzsignals erläutert. Bezüglich der beiden Figuren wird davon ausgegangen, daß die Verzögerung etwa 5¹/₉ Perioden des SIGNALS von 5 kHz entspricht. In jedem Fall zeigen die Figuren graphisch, wie die Periodizität der Meßkurvenformen die Gesamtverzögerung bis auf deren Rest absorbiert. Auch geht aus den Figuren hervor, wie der gemessene Wert der Verzögerung eliminiert werden kann, um die Werte für die Grob- und Feinmessung für eine Verschiebung des Abtasters in der gemessenen Richtung zu erhalten. Hierzu wird der Referenzwert von den gemessenen Grobwerten und Feinwerten abgezogen.

Alle drei Werte stammen als Zählstufen aus dem Phasenzähler, dessen (ggf. als Durchschnittswerte ermittelten) Werte von 0 bis 3599 Zählschritten reichen können. Für praktische Zwecke wird jede der Grobmessungen und Feinmessungen willkürlich auf den Referenzwert bezogen, das heißt daß der Referenzwert ein größerer Wert als der Grobwert oder der Feinwert oder jeder dieser Werte sein kann. Es ergibt sich dann das Problem, wie der Fall einer Referenzmessung mit einem großen Wert zu behandeln ist, die von einer Grobmessung oder einer Feinmessung mit einem kleinen Wert abgezogen werden muß. Dieses wird anhand der Fig. 8 erläutert. Hierzu wird der sich ergebende negative Wert komplementiert, indem 3600 Zählschritte hinzugezählt werden.

Die Fig. 6 bis 8 sind allgemeingültig in dem Sinn, daß kein Unterschied gemacht wird, ob ein Referenzwert für X-Messungen erhalten oder verwendet wird oder ein Referenzwert für Y-Messungen erhalten oder verwendet wird. In der Tat ist keine derartige Differenzierung erforderlich, ob ein X-Referenzwert bei X-Messungen und ein Y-Wert bei Y-Messungen verwendet wird. Ein Y-Referenzwert wird in der gleichen Weise wie für X erhalten, aber das X-Schieberegister wird gelöscht, während das Y-Schieberegister parallel mit 5 kHz geladen wird.

Der X-Referenzwert ist in der Praxis ähnlich dem Y-Referenzwert. Wegen der sehr kritischen Rolle, die ein Referenzwert bei der Bildung der tatsächlichen Koordinaten bildet, und da getrennte X- und Y-Schaltungen beteiligt sind (Schieberegister, X- und Y-Gitter) und da der Abtaster sich auf der Platte möglicherweise bewegt, während Messungen ausgeführt werden, ist es wünschenswert, daß getrennte X- und Y-Referenzmessungen durchgeführt werden. Ein System mit einer einzigen Referenzmessung würde auch arbeiten, hätte aber inhärent eine geringere Genauigkeit.

Die Art und Weise, in welcher die Grobmessungskomponenten und Feinmessungskomponenten verknüpft werden, um einen Koordinatenwert in einer gegebenen Dimension zu erzeugen, ergibt sich aus der Erläuterung der Fig. 9.

Abschnitt 1 in Fig. 9 zeigt, wie der gesamte Abstand gebildet wird als Summe einer Grobkomponente und einer Feinkomponente. Die Abschnitte 2 und 3 der Fig. 9 vergleichen die Art und Weise, in der die Grobmessung und die Feinmessung ausgeführt wird, um zu zeigen, daß die Dimensionsgewichtung einer Grobmessung 45mal derjenigen einer Feinmessung ist. Dies folgt aus dem Verhältnis ihrer abgelenkten Wellenlängen und aus der Tatsache, daß jede durch den Phasenzähler in einen festen Bereich von 3600 Zählschritten aufgelöst wird. Jede Feinzählstufe stellt einen Abstand von 0,0111 mm dar.

Gemäß Abschnitt 4 wird ein Abstand, der einem gesamten Feinmeßzyklus entspricht durch eine Grobzählstufe von 80 dargestellt. Dies folgt aus der Tatsache, daß 1/45 der 3600 Verschiebungen einer Grobmessungswelle acht Grobverschiebungen entspricht. Da es 3600 Zählschritte/360 Verschiebungen oder zehn Zählschritte pro Verschiebung gibt, entspricht jeder Feinmessungszyklus acht Verschiebungen bei zehn Zählschritten pro Verschiebung oder 80 pro Messungs-Zählschritt.

Im Abschnitt 5 wird bestimmt, wieviele Male 80 Zählschritte in dem Grobmessungszählschritt enthalten sind.

C/80 = N + r/80.

Dabei gilt:
C ist der Grobmessungszählschritt,
N ist eine ganze Zahl und
r ist der Rest.

An dieser Stelle könnte N in eine entsprechende Zahl von Feinzählschritten umgewandelt werden, die gemessenen Feinzählschritte könnten addiert werden, und die Summe könnte der Näherungswert der Koordinate sein. Für eine Digitalisierung mit hoher Genauigkeit ist diese Lösung jedoch nicht angemessen wegen des Rauschens in den Zählschritten und den Auswirkungen der Bewegung des Abtasters. Eine Fehlerverminderungstechnik, welche eine bisher nicht benutzte Auflösung in den Grobmessungszählschritten verwendet, löst dieses Problem.

Unter Bezugnahme auf Abschnitt 5 der Fig. 9 wird statistisch gezeigt, daß Zufallsrauschen viel eher einen signifikaten Fehler im Zählerstand bei der Grobmessung als bei der Feinmessung hervorruft. Ein Extra-Zählschritt aufgrund des Rauschens im Grobmessungszählerstand ist viel bedeutsamer als ein Extra- Zählschritt aufgrund des Rauschens im Zählerstand bei der Feinmessung. Dabei wird auch angenommen, daß das Rauschen in den Zählerständen bei der Grobmessung und bei der Feinmessung gleich wahrscheinlich ist.

Die Grobmessung enthält mehr Bedeutungsinhalt oder Auflösung als verwendet wurde, indem einfach das höchste Vielfache von 80 aufgesucht wurde, welches es enthält. Falls dieses nicht der Fall wäre, gäbe es keinen Rest r in der Gleichung. In diesem Fall würde der Zählerstand bei der Grobmessung genau, multipliziert mit einer ganzen Zahl, die Anzahl der dargestellten Feinmessungszyklen anzeigen. Der Rest r kann verwendet werden als grobe Voraussage über die allgemeine Größe der Feinmessungszählung, welche die Grobmessungszählung begleitet. Ein Rest von 78 (von 79 möglichen Zählschritten) stimmt nicht bei einer Feinmessungszählung von beispielsweise 50 (aus 3955 möglichen Zählschritten). Unter solchen Bedingungen kann angenommen werden, daß entweder durch Rauschen Zählschritte bei der Grobzählung untergegangen sind, oder daß die Bewegung des Abtasters während der Messung den Feinmeßzyklus geändert hat, welcher der Grobmessung zugeordnet ist. In jedem Fall kann das richtige Ergebnis wieder hergestellt werden, indem der Grobmessungswert korrigiert wird, so daß es Übereinstimmung zwischen dem Rest r und dem Feinmessungswert gibt. Abschnitt 5 in Fig. 9 zeigt die erwartete Übereinstimmung zwischen dem Rest r und dem Feinmessungs- Zählerstand. Abschnitt 6 zeigt das Verfahren zur Einstellung des Grobmessungs-Zählerstandes, um sicherzustellen, ob Grob- und Feinmessung einander entsprechen.

Abschnitt 6 in Fig. 9 zeigt in den Fällen A, B und C, daß keine Anpassung des Grobmessungs-Zählerstandes erforderlich ist, wenn eine der drei Arten von Übereinstimmung auftritt. Die Fälle D und E zeigen die erforderliche Anpassung des Grobmessungs- Zählerstandes, wenn eine der beiden folgenden Bedingungen auftritt: Wenn bei einem niedrigen Rest ein hoher Feinmessungs- Zählerstand auftritt, ist anzunehmen, daß der Grobmessungs- Zählerstand vergrößert wurde durch zusätzliche Zählerschritte aufgrund von Rauschen, oder daß eine Abtaster-Bewegung zu kleineren Werten in der betrachteten Richtung erfolgte. In jedem Falle ist es richtig, den in der obigen Gleichung enthaltenen Wert von N zu verkleinern, sobald der Grobmessungs-Zählerstand durch 80 geteilt wurde. Dies ist die richtige Maßnahme im Fall des Rauschens aus Gründen der statistischen Wahrscheinlichkeit. Es handelt sich um die beste Maßnahme im Fall der Abtaster- Bewegung, weil dabei die Antwort erhalten wird, die erhalten worden wäre, falls die Digitalisierungsvorrichtung gleichzeitig eine Grobmessung vorgenommen hätte, als die Feinmessung vorgenommen wurde. Schließlich ergibt sich die Genauigkeit und Auflösung der Digitalisierungsvorrichtung bei der Feinmesung, und es ist nicht zweckmäßig, die Feinmessung anzupassen, damit diese mit der Grobmessung übereinstimmt.

Wenn sich ein hoher Rest bei einem niedrigen Zählerstand der Feinmessung ergibt, wird angenommen, daß der Zählerstand der Grobmessung erniedrigt wurde, da Zählerschritte aufgrund von Rauschen verlorengingen, oder daß der Abtaster sich zu größeren Werten hin in der betrachteten Richtung bewegt hat. Der Korrekturvorgang ist darauf gerichtet, den Wert von N zu inkrementieren.

Nachdem der Zählerstand der Grobmessung korrigiert worden ist, ergibt sich für den Gesamtabstand in mm: = (45 · korrigierter Grobwert + Feinwert) · 0,0111 . . .

Insgesamt ergibt sich folgende Reihenfolge der Messung:

Löschen
X-Grobmessung	Durchschnittsbildung aus 4 Messungen
X-Referenzmessung	Durchnschnittsbildung aus 21 Messungen
X-Feinmessung	Durchschnittsbildung aus 21 Messungen

Löschen
Y-Feinmessung	Durchschnittsbildung aus 21 Messungen
Y-Referenzmessung	Durchschnittsbildung aus 21 Messungen
Y-Grobmessung	Durchschnittsbildung aus 4 Messungen

Durch diese Reihenfolge werden die beiden Feinmessungen so nahe wie möglich zusammengelegt. Dieses ist eine optimale Wahl, da dadurch die Koordinaten nur minimal korrigiert zu werden brauchen, um die Auswirkungen der Bewegung des Abtasters zu kompensieren.

Die Auswirkungen der Bewegung des Abtasters sind in einer hierzu parallelen Anmeldung beschrieben und beansprucht.

Claims (3)

1. Verfahren zur Digitalisierung der Stellung eines Aufnehmers, der über eine Platte mit in X- und Y-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems äquidistant und parallel angeordneten elektrischen Leitern geführt wird, wobei für jede Stellung des Aufnehmers jeweils in der X- und der Y-Koordinate eine Grob- und eine Feindigitalisierung durchgeführt wird und die Grob- und Feinwerte zur Bildung der endgültigen Koordinatenwerte miteinander verknüpft werden, bei welchem Verfahren allen Leitern Signale zugeführt werden, die in dem Aufnehmer ein Wechselspannungssignal induzieren, dessen Phase eine Funktion der Stellung des Aufnehmers längs der Meßachse ist, und die Phase des Wechselspannungssignals mit der Phase eines Bezugssignals verglichen und aus der Phasendifferenz ein für die Stellung des Aufnehmers längs der Meßachse charakteristisches Signal abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die allen Leitern (46) zugeführten Signale entweder logische Eisen oder logische Nullen sind, die eine Signalfolge bilden, in der eine vorgegebene Anzahl logischer Einsen mit gleicher Anzahl logischer Nullen abwechselt,
daß die Signalfolge in gleichen Zeitintervallen gegenüber den Leitern (46, 47) um je einen Leiter verschoben wird,
daß das in dem Aufnehmer (24) induzierte Wechselspannungssignal (60) vor dem Phasenvergleich mit dem Bezugssignal (13) gefiltert wird,
daß für die Grob- und Feindigitalisierung mindestens zwei Meßzyklen mit verschiedenen Signalfolgen (62, 63) durchgeführt werden, wobei sich die Signalfolgen (62, 63) der Meßzyklen durch die Anzahl der aufeinanderfolgenden logischen Einsen unterscheiden, und wobei die Zeitintervalle, nach denen die Signalfolgen (62, 63) jeweils verschoben werden, eine zu dieser Anzahl umgekehrt proportionale Dauer haben, so daß das Produkt dieser Anzahl mit dem zugeordneten Zeitintervall und demgemäß die Frequenz des im Aufnehmer (24) induzierten Wechselspannungssignals (60) für alle Signalfolgen und damit in allen Meßzyklen gleich ist, und
daß zur Bildung der endgültigen Koordinatenwerte folgende Schritte in dieser Reihenfolge durchgeführt werden:

• - Digitalisierung der Grobkomponente in der X-Richtung,
• - Digitalisierung der Feinkomponente in der X-Richtung,
• - Digitalisierung ohne Verzögerung der Feinkomponente in der Y-Richtung,
• - Digitalisierung der Grobkomponente in der Y-Richtung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zusätzlich ein Referenzsignal zur Eliminierung von schaltungsbedingten Verzögerungen ermittelt und mit den gemessenen Koordinatensignalen verknüpft wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte in dieser Reihenfolge:

• - Digitalisierung der Grobkomponente in der X-Richtung,
• - Digitalisierung des Referenzsignals in der X-Richtung,
• - Digitalisierung der Feinkomponente in der X-Richtung,
• - Digitalisierung der Feinkomponente in der Y-Richtung,
• - Digitalisierung des Referenzsignals in der Y-Richtung,
• - Digitalisierung der Grobkomponente in der Y-Richtung.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grob- und die Feindigitalisierung mit demselben Satz äquidistanter und parallel angeordneter elektrischer Leiter durchgeführt wird, in dem das Referenzsignal für die Grobmessung mit hoher und für die Feinmessung mit wesentlich geringerer Taktfrequenz nacheinander an dieselben elektrischen Leiter angelegt wird.