DE3419635A1

DE3419635A1 - Auswerteschaltung fuer einen wegmesser

Info

Publication number: DE3419635A1
Application number: DE19843419635
Authority: DE
Inventors: Hans-Werner 6680 Neunkirchen Neuschwander; Martin 6625 Püttlingen Raubuch
Original assignee: BSO Steuerungstechnik GmbH
Current assignee: BSO Steuerungstechnik GmbH
Priority date: 1984-05-25
Filing date: 1984-05-25
Publication date: 1985-11-28

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Auswerteschaltung für einen Wegmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. 5

übliche digitale Wegmesser haben zwei in der Regel optisch mit einem Strichgitter zusammenarbeitende Fühler, welche in Bewegungsrichtung gegeneinander versetzt sind. Diese Fühler erzeugen jeweils beim Vorbeilaufen der Kante eines opaken Bereiches des Strichgitters eine positive oder negative Signalflanke. Aus den von den Fühlern abgegebenen Impulszügen erzeugt die Auswerteschaltung zum einen Zählimpulse/ welche in einem Zähler aufaddiert werden, dessen Stand den insgesamt zurückgelegten Weg wiedergibt, und zugleich ein Vorzeichensignal, welches die Bewegungsrichtung widerspiegelt. Anstelle eines Strichgitters und optischer Fühler können auch andere Geber, z.B. auf magnetischer Basis arbeitende, verwendet werden, die in ähnlicher Weise phasenversetzte Impulszüge bereitstellen, die für die Relativbewegung zwischen Fühleranordnung und dem die Teilung tragenden Meßkörper charakteristisch ist.

Generell besteht bei digitalen Wegaufnehmern das Problem, daß der eigentlich zu messenden Relativbewegung oft eine Störbewegung überlagert ist, welche auf mechanische Störschwingungen zurückzuführen ist. Auch können einem an sich korrekten Ausgangssignal des Fühlers elektrische Wechsel-Störsignale überlagert sein. Derartige Störschwingungen und Störsignale dürfen auf das Meßergebnis keinen Einfluß haben. Mit bekannten Auswerteschaltungen, welche eine Vielzahl logischer Schaltkreise enthalten, können derzeit Zitterfrequenzen bis zu etwa 1,5 MHz verarbeitet werden. In der Praxis treten aber auch noch höhere Zitterfrequenzen auf, wenn einer der Fühler direkt bei der Flanke einer Teilung des Meßkörpers steht.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine Auswerteschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 geschaffen werden, welche auch sehr hohe Zitterfrequenzen zuverlässig verarbeitet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Auswerteschaltung gemäß Anspruch 1.

Die erfindungsgemäße Auswerteschaltung zeichnet sich durch einen sehr geringen baulichen Aufwand auf: Es wird nur ein Festwertspeicher, ein Zwischenspeicher und ein freilaufender Oszillator mit hoher Frequenz benötigt. All diese Bauelemente sind mit sehr geringen Zykluszeiten als Standardbauelemente erhältlich, so daß die erfindungsgemäße Auswerteschaltung sogar kostengünstiger hergestellt werden
kann als eine nur für die Verarbeitung kleinerer Zitterfrequenzen geeignete herkömmliche Auswerteschaltung.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung ist der, daß man über die dem Festwertspeicher eingegebene Bitmuster auf sehr einfache Weise die Art und Weise der Verarbeitung der Ausgangssignale der Fühleranordnung
für spezielle Anwendungsfälle abändern kann, wobei für
alle Anwendungsfälle ein- und dieselben Schaltungskomponenten verwendet werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Figur 1 ein digitales Wegmeßsystem mit einer zur

Verarbeitung hoher Zitterfrequenzen geeigneten Auswerteschaltung;

f1963§

Figur 2 typische Signalkombinationen am Ausgang der

optischen Fühleranordnung des Wegmeßsystems nach Figur 1; und

Figuren der Speicherbitbelegung eines Festwertspei-3-7 chers der Auswerteschaltung nach Figur 1 zugeordnete Wahrheitstabellen.

In Figur 1 ist mit 10 ein Strichgitter bezeichnet, welches aus einem lichtdurchlässigen Substrat 12 und von diesem getragenen opaken Bereichen 14 besteht. Die opaken Bereiche 14 und die zwischen ihnen liegenden Lücken haben in Bewegungsrichtung des Strichgitters (Doppelpfeil 16) gesehen gleiche Länge.

Zwei Lichtquellen 18-1 und 18-2 werden durch Linsen 20-1 und 20-2 auf die Ebene der opaken Bereiche 14 abgebildet. Weitere Linsen 22-1 und 22-2 dienen zum Sammeln durch das Strichgitter 10 hindurchtretenden Lichtes auf zwei lichtempfindliche Dioden oder Phototransistoren 24-1 und 24-2.

Die Ausgangssignale der Phototransistoren 24-1 und 24-2 werden über Verstärker 26-1 und 26-2 auf zwei Dateneingangsklemmen DJ7 und DI6 eines Zwischenspeichers 28 gegeben .

Weitere Dateneingangsklemmen DIO - DI5 des Zwischenspeichers 28 sind mit Datenausgangsklemmen D1 - D6 eines Festwertspeichers 30 verbunden. Adressklemmen AO - A7 des Festwertspeichers 30 sind mit den Datenausgangsklemmen DOO bis D07 des Zwischenspeichers 28 verbunden.

Eine Taktklemme des Zwischenspeichers ist mit dem Ausgang eines mit sehr hoher Frequenz laufenden Oszillators 32 verbunden, welcher durch eine durch Gatterlaufzeiten aufgebaute monostabile Kippstufe, einen Quarz- oder einen

RC-Oszillator gebildet ist.

Weitere Adressklemmen A8 und A9 des Festwertspeichers 30 sind über Schalter 34 und 36 mit einer Festspannungsquelle verbindbar, so daß durch wahlweises Schließen keines, eines oder beider der Schalter 34,36 verschiedene Teilbereiche des Festwertspeichers 30 ausgewählt werden können, die unterschiedliche Bitmusterfolgen enthalten und so das Auswerten der Ausgangssignale der Phototransistoren 24-1 und 24-2 nach unterschiedlichen Kriterien gestatten, wie weiter unten noch genauer beschrieben wird.

Die Datenausgangsklemme D05 des Zwischenspeichers 28 ist mit der Steuerklemme einer schnellen monostabilen Kippstufe 3 8 verbunden. Deren Ausgangssignal wird auf die Zählklemme Z eines Auf/Abzählers 40 gegeben. Dessen Zählrichtungs-Steuerklemme ist mit der Datenausgangsklemme DO4 des Zwischenspeichers 28 verbunden. Der Inhalt des Auf/Ab-Zählers 40 wird auf einem Anzeigefeld 42 laufend dargestellt oder von einem Mikroprozessor ausgewertet.

Der Zwischenspeicher 28, der Festwertspeicher 30, der Oszillator 32 und die monostabile Kippstufe 38 sind schnelle in TTL-Halbleitertechnik aufgebaute integrierte Schaltkreise, welche bei einem praktischen Ausführungsbeispiel zusammen mit dem Auf/Ab-Zähler 40 und der Treiber- schaltung für das Anzeigefeld 42 zu einem Chip zusammengefaßt sind. In der Zeichnung ist die eigentliche Auswerteschaltung insgesamt mit 44, die mit ihr verbundene Zähl- und Anzeigeeinheit mit 46 bezeichnet.

■ θ-

Beim hier betrachteten Ausführungsbeispiel sind die beiden durch die Lichtquellen 18, Linsen 20/22 und Phototransistoren 24 gebildeten Lichtschrankeneinheiten um eine Viertelteilung des Strichgitters gegeneinander versetzt, so daß man bei einer stetigen gleichförmigen Bewegung des Strichgitters 10 bezüglich der optischen Fühleranordnung 18 bis 24 zwei Züge um 90° gegeneinander phasenverschobener Impulse erhält, wie in Figur 2 bei a) gezeigt.

Zur Auswertung der Relativbewegung zwischen Strichgitter 10 und Fühleranordnung kann man nur einige oder alle der Pegeländerungen in der Signalkombination am Ausgang der Phototransistoren 24-1 und 24-2 auswerten. Die entsprechenden übergänge sind in Figur 2a mit I, II, III und IV angegeben. Werden nur die übergänge I ausgewertet, so hat man eine einfache Wegauflösung; werden alle vier übergänge verwertet, spricht man von vierfacher Wegauflösung.

In Figur 2a sind ferner bei vertikalen gestrichelten Linien die vier verschiedenen Signalkombinationen an den Ausgängen der Phototransistoren 24-1 und 24-2 eingetragen, und zwar in Form binärer Zahlen, wobei eine "1" jeweils für ein hochpegeliges Signal, eine "0" für ein niederpegeliges Signal steht.
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Ist der Bewegung des Strichgitters 10 eine hochfrequente Stör- oder Zitterschwingung überlagert, wie sie in Figur bei 48 angedeutet ist, so schwingen die Flanken der Impulszüge mit, wie in Figur 2 bei b) bis e) gezeigt ist. Die der Grundbewegung des Strichgitters 10 überlagerte Zitterbewegung würde zu einem fehlerhaften Aufintegrieren des zurückgelegten Weges durch den Auf/Ab-Zähler 40 führen, wenn die Auswerteschaltung 44 nicht vorgesehen wäre. Diese sorgt grob gesprochen dafür, daß der Auf/Ab-Zähler 40

bei einem Störimpuls einmal in Aufwärtsrichtung und beim nachfolgenden Störimpuls einmal in Abwärtsrichtung zählt.

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Da der Zwischenspeicher 28 von Figur 1 so arbeitet, daß er das an seinen Eingangsklemmen DI anstehende Signalmuster bei Erhalt eines Taktimpulses vom Oszillator 32 übernimmt und bis zum Erhalt des nächsten Taktimpulses an seinen Datenausgangsklemmen DO bereitstellt, kann die monostabile Kippstufe 38 nur dann getriggert werden, wenn am Dateneingang DI5 des Zwischenspeichers 28 ein Bit "1" anschließend an ein Bit "0" ansteht oder umgekehrt.

Ähnlich kann auch eine Umschaltung der Zählrichtung nur dadurch erfolgen, daß das Bit am Ausgang D4 des Festwertspeichers 30 von "1" nach "0" oder umgekehrt wechselt.

Aus der obigen kurzen qualitativen Beschreibung des Arbeitens der Auswerteschaltung 44 ergibt sich, daß sich die Adresse für den Festwertspeicher 30 aus zwei Anteilen zusammensetzt, nämlich zwei Bits, die direkt den Signalkombinationen am Ausgang der Phototransistoren 24-1 und 24-2 entsprechen, sowie 6 Bits, die vom Festwertspeicher 30 in Abhängigkeit von der Geschichte des Meßvorganges bereitgestellt werden.

Wie aus Figur 1 ersichtlich, werden das Zählrichtungssteuersignal, welches am Ausgang D04 des Festwertspeichers 28 bereitgestellt wird, und das Ausgangssignal

der monostabilen Kippstufe 38 zugleich auf einen Zähler 50 gegeben, der einen Teil eines integrierten Schaltkreises 49 darstellt. Dem Zähler 50 ist eine Voreinstellschaltung 52 mit paraller Datenübergabe zugeordnet; ein Haltespeicher 54 übernimmt das Ausgangssignal des Zählers 50. Der Ausgang des Haltespeichers 54 ist zum einen mit dem Eingang der Voreinstel!schaltung 52 und

zum andern mit dem Eingang einer Koppelschaltung 56 zum Anschließen eines Rechners verbunden.

Nachstehend wird nun das Arbeiten der oben unter Bezugnähme auf Figur 1 beschriebenen Schaltung näher erläutert, wobei auf eine spezielle Speicherbitbelegung des Festwertspeichers 30 Bezug genommen wird. An die verschiedenen zu den Eingangsklemmen des Zwischenspeichers 28 führenden Leitungen sind Bezeichnungen für die auf Ihnen stehenden Signale angefügt. Die am Ausgang des Zwischenspeichers erhaltenen zugeordneten Speicherausgangssignale sind jeweils zusätzlich mit einem Apostroph versehen.

Die Signale E1 und E2 sind die beiden um 90° phasenver- !5 schobenen Ausgangssignale der Verstärker 26-1 und 26-2.

Die Ausgangssignale A1 und A2 des Festwertspeichers 30 entsprechen den Eingangssignalen E1' bzw. E2¹, welche nach einer Abtastung der Fühlerausgangssignale erhalten ²^ wurden. Die Verknüpfung der Ausgangssignale A1 und A2 des Festwertspeichers 30 mit den Eingangssignalen E1' und E2¹ können der Wahrheitstabelle von Figur 3 entnommen werden.

In der Schaltung stehen somit insgesamt die Zustände der Eingangssignale E1 und E2 zum Zeitpunkt der letzten Abtastung (Signale E1' und E2¹) und zum Zeitpunkt der vorletzten Abtastung (Signale A1' und A2') als Eingangsvariable (Teil der Adresse) für den Festwertspeicher 3 0 zur Verfügung.

Diese vier an den Adresseneingängen AO bis A3 des Festwertspeichers 30 anliegenden Signale können somit folgende Informationen geben:
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- ob eines der beiden Eingangssignale E1 und E2 zwischen den letzten beiden Abtastungen seinen Zustand geändert hat;

- welches dieser beiden Signale seinen Zustand geändert hat;

ob die Zustandsänderung mit einer ansteigenden oder abfallenden Signalflanke verbunden war. 10

Die möglichen Kombinationen und ihre Bedeutung sind in der Tabelle von Figur 4 wiedergegeben.

Um beim Auftreten einer Flanke zusätzlich auch die Bewe- !5 gungsrichtung angeben zu können,braucht man zusätzlich Information über die vorhergehende Signalflanke. Diese Informationen sind in den beiden Ausgangssignalen LF und SF des Festwertspeichers 30 enthalten. Das Ausgangssignal LF (Letzte Flanke) gibt an, welches der beiden Eingangssignale zuletzt eine Flanke aufwies. Beim hier betrachteten Ausführungsbeispiel ist LF = 0, wenn die Flanke im Signal E2 auftrat, LF = 1, wenn die letzte Flanke im Signal E1 erhalten wurde. Das Ausgangssignal SF (steigen-Flanke) läßt erkennen, ob die als letzte erhaltene Flanke eine steigende Flanke (SF = 1) oder eine abfallende Flanke (Sf = 0) war.

Bei jeder Abtastung der Ausgangssignale E1 und E2, bei welcher eine Flanke festgestellt wird, müssen somit die

Ausgangssignale LF und SF entsprechend nachgefahren werden. Die Signale SF und LF sind abhängig von den Eingangssignalen A1',A2',E1^I und E2', die zur Adressierung des Festwertspeichers 30 dienen. Da die Ausgangssignale SF und LF unverändert bleiben sollen, wenn keine Flanke festgestellt wird, muß zusätzlich auch ihr eigener alter Zustand als Eingangsvariable für den Festwertspeicher 30

/■/tt-

zur Verfügung stehen. Das bedeutet, daß zusätzlich das Signal LF vom Signal LF¹ und das Signal SF vom Signal SF¹ abhängig ist.

in Figur 5 ist die Wahrheitstabelle für die Signale SF und LF angegeben.

Man sieht, daß an den Adresseingängen AO bis A5 des Festwertspeichers 30 somit alle Informationen über die letzten beiden Flanken der Fühlerausgangssignale E1 und E2 anliegen. Hieraus kann ein weiteres Ausgangssignal UD' (Up/Down) für die Zählrichtung der Zähler 40 und 50 abgeleitet werden . Beim hier betrachteten Ausführungsbeispiel zählen die Zähler nach oben, wenn UD = 1 ist, und nach unten, wenn UD = 0 ist.

Das Zählrichtungs-Steuersignal UD hängt außer von den Signalen A1',A2¹,E1·,E2¹,LF¹ und SF¹ auch noch von seinem eigenen alten Zustand (UD) ab, da es einige Fälle

"⁵^ gibt, in denen es unverändert bleiben soll. In Figur 6 ist die Wahrheitstabelle für das Zählrichtungs-Steuersignal UD dargestellt. In der am weitesten links stehenden Spalte der Tabelle nach Figur 6 stehen die Informationen über die letzte erhaltene Signalflanke, während in der obersten Zeile die Informationen über die vorletzte Signalflanke angegeben sind. In der Tabelle sind solche Konstellationen, die in der Praxis ausgeschlossenen Fällen entsprechen (Auftreten zweier gleichen Flanken

unmittelbar hintereinander für das gleiche Signal) mit 30

" * " gekennzeichnet. Diese Fälle brauchen nicht berücksichtigt zu werden.

Ein Taktausgangssignal CL (CLOCK) des Festwertspeichers 30 hängt sowohl von den Eingangssignalen A1',A2^I,E1' und E2¹ als auch von seinem eigenen alten Zustand CL¹ab.

Hinzu kommt noch eine Abhängigkeit von Eingangssignalen S1 und S2 (Ausgangssignale der Schalter 34 und 36), welche verschiedene Auswertungsarten vorgeben:

Signalkombination Auswertungsmodus

S1 = 0; S2 = 0

Auswertung einer Flanke des Signales E1

S1 = 0; S2 = 1

Doppelte Auswertung (beide Flanken des Signales E1)

S1 = 1; S2 = 0

Vierfachauswertung (beide Flanken der Signale E1 und E2) .

In Figur 7 ist eine Wahrheitstabelle für das Signal CL aufgezeichnet.

Wenn auf die Zähler 40 und 50 ein Zählimpuls gegeben werden soll, wird der Pegel des Ausgangssignales CL¹ invertiert. Die Schaltung, die bei jeder Flanke des Zählimpuls-Steuersignales CL¹ einen Zählimpuls erzeugt, ist die monostabile Kippstufe 38.

Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist letztere aus vier in Reihe geschalteten Invertern 58 bis 64 sowie einem Gatter 66 aufgebaut. Die Inverter 58 bis 64 geben eine Verzögerungskette vor, und je nachdem, ob die Anzahl der Inverter (wie hier) gerade oder ungerade ist, entsteht aus einer am Eingang der Kippstufe 38 erhaltenen Impulsflanke (gleichgültig, ob ansteigend oder abfallend) am Kippstufenausgang ein positiver bzw. negativer Impuls, dessen Länge der Summe der Gatterlaufzeiten der Verzögerungskette entspricht. Die Polarität des Ausgangsimpulses der monostabilen Kippstufe 38 ist so gewählt, daß der angeschlossene Zähler erst bei der zweiten Flanke des Impulses zählt. Dadurch ist gewährleistet, daß das Zählrichtungs-Steuersignal UD beim Anstehen der für das Zäh-

_lX ^

1 len relevanten Taktflanke am Zähler einen stabilen Wert hat.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Auswerteschaltung zur Verwendung mit einer Fühleranordnung, welche mit einem eine Teilung tragenden Meßkörper zusammenarbeitet und bei einer Relativbewegung zum Meßkörper eine der Amplitude der Relativbewegung zugeordnete Anzahl elektrischer Impulse abgibt, mit Logikkreisen, welche die von der Fühleranordnung erzeugten Impulszüge erhalten und hieraus ein Zählsignal sowie ein der Richtung der Relativbewegung zugeordnetes Zählrichtungssteuersignal zur Verwendung in einem Zähler erstellen, dadurch gekennzeichnet, daß unter den Logikkreisen ein Festwertspeicher (30) und ein durch einen freilaufenden hochfrequenten Oszillator

(32) getakteter Zwischenspeicher (28) ist, wobei die Anzahl der Speicherstellen des Zwischenspeichers (28) größer als die Anzahl der Adressklemmen des Festwertspeichers (30) ist? daß die Ausgangsklemmen des Zwischenspeichers (28) jeweils mit einer zugeordneten der Adressklemmen des Festwertspeichers (30) verbunden sind; daß von den Eingangsklemmen des Zwischenspeichers (28) mindestens eine mit einem zugeordneten Ausgang der Fühleranordnung (18-26) verbunden ist, während die restlichen Eingangsklemmen des Zwischen-Speichers (28) mit zugeordneten Datenausgangsklemmen des Festwertspeichers (30) verbunden sind; und daß die Ausgangsklemmen der Auswerteschaltung (44) durch zwei solche Ausgangsklemmen des Zwischenspeichers (28) gebildet sind, deren zugeordnete Eingangsklemmen mit

^ou Datenausgangsklemmen des Festwertspeichers (30) verbunden sind.

2. Auswerteschaltung nach Anspruch 1, wobei die Fühleranordnung zwei Fühler (18-1 - 26-1 und 18-2 - 26-2) aufweist, die um - j der Teilung des Meßkörpers (10) in Bewegungsrichtung gegeneinander versetzt sind, wobei η eine ungerade ganze Zahl ist.

dadurch gekennzeichnet, daß zwei Eingangskleimen des Zwischenspeichers (28) mit den beiden Fühlerausgangssignalen beaufschlagt sind.

3. Auswerteschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der freilaufende Oszillator (32) durch eine mit Gatterlaufzeit aufgebaute monostabile Kippstufe oder einen Quarzoszillator gebildetlist.

4. Auswerteschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Zählimpuls bereitstellende Ausgangsklemme (D05) des Zwischenspeichers (28) mit dem Eingang einer schnellen monostabilen Kippstufe (38) verbunden ist, welche das Zählsignal bereitstellt.

5. Auswerteschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischenspeicher (28), Festwertspeicher (30), Oszillator (32) sowie gegebenenfalls eine der Zählimpulsklemme des Zwischenspeichers (28) nachgeschaltete schnelle Kippstufe (38) durch einen integrierten Baustein gebildet sind.

6. Auswerteschaltung" nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Baustein zugleich eine Zählschaltung (40) sowie eine Treiberschaltung für eine Anzeigeeinheit (42) enthält.

7. Auswerteschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,daß die Zellen des Festwertspeichers (30) Speicherbitmuster (TA1,TA2 usw.) enthalten, welche zusammengefügt mit den durch die Ausgangssignale der Fühleranordnung (18 - 26) gebildeten Fühlerbitmustern (A - D) eine zulässige Adresse des Festwertspeichers (30) ergeben, wobei die Speicher-

bitmuster so gewählt sind, daß das der Zählimpuls-Ausgan g ski emme (DO 5) des Zwischenspeichers (28) zugeordnete Bit seinen Zustand nur dann ändert und dadurch eine Änderung im Stand des Zählers (40) entsprechend dem zurückgelegten Weg bewirkt, wenn ein vorgegebener Weg durch den Festwertspeicher zuvor durchlaufen wurde.

8. Auswerteschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherbitmuster so gewählt sind, daß dann, wenn eine eine Zählung herbeiführende Speicherzelle in der falschen Richtung erreicht würde, in den der entgegengesetzten Bewegungsrichtung zugeordneten Speicherbereich umgeschaltet wird.

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9. Auswerteschaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Baustein zusätzlich eine Zählschaltung 50 mit parallel eingebender Voreinste11schaltung (52) und nachgeschaltetem Haltespeicher (54) sowie eine Rechnerkoppelschaltung

(56) enthält.