DE3643214A1 - Elektrofotografischer plotter mit einem umlaufenden fotoleitertraeger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrofotografischen Plotter mit einer eine Fotoleiterschicht aufweisenden, lichtempfindlichen Trommel oder einem gleichartigen um­ laufenden Fotoleiterträger, die an einer Belichtungs­ station zur zeilenweisen Belichtung mit nur im wesent­ lichen konstanter Geschwindigkeit vorbeibewegt wird, wobei die Belichtungsstation durch mittels einer Be­ lichtungseinheit computergesteuerte, lichtaussendende, eine Zeile bildende Elemente (Pixels, Bits) gebildet wird, die innerhalb der Zeile mit einer bestimmten Pi­ xelfrequenz erregt werden, und wobei die Zeilen nach­ einander mit einer bestimmten Zeilenfrequenz belichtet werden.

Bei bekannten Geräten dieser Art verursacht ein un­ gleichmäßiger Zeilenabstand Bildverzerrungen in Lauf­ richtung der Wiedergabe. Eine schräg verlaufende Gerade z. B. wird krumm wiedergegeben. Ändert sich der Zeilen­ abstand periodisch, so werden bei der Wiedergabe fein­ gerasteter Muster unangenehme Streifenstrukturen (sog. "Rattermarken") quer zur Laufrichtung sichtbar. Ein hochauflösender Plotter für grafische Zwecke, dessen Belichtungseinheit mit konstanter Bildzeilenfrequenz arbeitet, ist deshalb auf eine sehr gleichförmige Bewe­ gung des Trägers der Fotoleiterschicht angewiesen. Hierdurch ist ein sehr großer konstruktiver Aufwand be­ dingt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für einen hochauflösenden elektrofotografischen Plotter mit zeilenweiser Belichtung der Fotoleiterschicht eine Steuervorrichtung zu schaffen, welche die Belichtungs­ einheit so steuert, daß auch bei nicht gleichförmiger Bewegung des Fotoleiterträgers ein gleichmäßiger Bild­ zeilenabstand auf der Fotoleiterschicht erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungswesentlichen Schaltbaugruppen eines erfindungsgemäßen elek­ trofotografischen Plotters,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer der erfindungsgemäßen Schaltbaugruppen (PLL) nach Fig. 1.

Bei einem Plotter besteht jede Bildzeile aus einer großen Anzahl von Bildpunkten (Pixeln), die in einem Bildzeilenspeicher der Belichtungssteuerung jeweils durch ein Bit repräsentiert sind. Diese Bits werden üb­ licherweise nacheinander aus der sogenannten Bit-Map in den Bildzeilenspeicher geladen und beim Belichten ge­ meinsam als ganze Bildzeile ausgegeben.

Das Einlesen erfolgt über Schieberegister im Takt der Pixelfrequenz. Für eine gegebene Pixelanzahl pro Bild­ zeile gibt es eine bestimmte Pixelfrequenz, mit der in­ nerhalb einer Zeilenperiode gerade eine vollständige Bildzeile geladen werden kann. Bei einer höheren Pixel- Frequenz müßte zwischen Einlesen und Ausgeben einer Bildzeile eine Taktpause erfolgen. Dies verbietet sich, wenn dynamische Schieberegister benutzt werden, deren Refreshvorgang vom Pixeltakt gesteuert wird, weil Taktpausen Datenverluste zur Folge hätten.

Auch bei veränderlicher Zeilenfrequenz muß also ein fe­ stes Teilerverhältnis von Pixel- zu Zeilenfrequenz er­ halten bleiben. Das ist durch Einsatz einer sog. Pha­ se-Locked-Loop-Schaltung 11 möglich. Sie kann gleichzeitig Pixel- und Zeilenfrequenz erzeugen und mit einem Führungstakt synchronisiert werden, der in geeig­ neter Weise von der Bewegung des Fotoleiterträgers, vorzugsweise einer Trommel 10, abgeleitet wird.

Eine PLL, vgl. Fig. 2, besteht im wesentlichen aus einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO 1, einem Pha­ senkomparator 3 sowie einer Kette aus Frequenzteiler­ stufen 2, welche die Schwingfrequenz des VCO auf eine durch die Anwendung gegebene Subfrequenz herunterteilt. Dem Phasenkomparator 3 werden Führungstaktfrequenz und Subfrequenz zugeführt. Er bildet aus beiden ein Aus­ gangssignal, dessen Tastverhältnis ihrer Phasendiffe­ renz proportional ist. Dieses Ausgangssignal wird in eine analoge Fehlerspannung umgeformt, die den VCO 1 im Sinne einer Gegenkopplung nachregelt. Im stationären Zustand, d. h. bei eingerasteter PLL 11, sind Phasendif­ ferenz bzw. Tastverhältnis konstant, die Subfrequenz gleich der Führungstaktfrequenz und somit die VCO- Schwingfrequenz gleich dem von der Teilerkette bestimm­ ten Vielfachen der Führungstaktfrequenz.

Man kann nun als Frequenz des Führungstakts, z. B. die gewünschte Zeilenfrequenz wählen und erhält durch pas­ sende Festlegung der Frequenzteilerkette als VCO- Schwingfrequenz die Pixelfrequenz.

Für die Lösung der vorliegenden Aufgabe ist das dyna­ mische Verhalten der PLL 11 beim Nachregeln von Bedeu­ tung. Bei einer idealen PLL wird der VCO 1 bei oder un­ mittelbar nach jedem Phasenvergleich nachgeregelt, und die PLL 11 rastet noch vor dem nächsten Phasenvergleich ein.

Ein einfacher Phasenkomparator 3 kann z. B. aus einem RS-Flipflop bestehen, das von einer Flanke des Füh­ rungstakts gesetzt und von der entsprechenden Flanke der nächsten PLL-Subfrequenzschwingung zurückgesetzt wird. Er erzeugt ein Ausgangssignal, dessen Tastver­ hältnis der Phasendifferenz der Schwingungen an den beiden Flip-Flop-Eingängen proportional ist.

Um daraus die analoge Regelspannung für den VCO 1 zu gewinnen, verwendet man in üblichen PLL-Schaltungen meist ein einfaches Tiefpaßfilter mit einer Zeitkon­ stante, die groß ist gegen die Zeit zwischen zwei Pha­ senvergleichen, um die Welligkeit des Fehlersignals klein genug zu halten. Entsprechend verzögert erfolgen das Nachregeln des VCO 1 und damit das Einrasten der PLL 11.

Wollte man erreichen, daß eine PLL solcher Trägheit dennoch innerhalb einer Zeilenperiode eingeschwungen ist, so müßte man die Frequenz des Führungstakts um et­ wa eine Größenordnung höher wählen als die Zeilenfre­ quenz. Das hätte jedoch einen erhöhten Aufwand zur Er­ zeugung des Führungstakts zur Folge.

Es ist daher zweckmäßig, die analoge Regelspannung für den VCO 1 ohne signifikante Zeitverzögerung bereitzu­ stellen. Von mehreren möglichen Lösungswegen wurde einer gewählt, der mit wenigen zusätzlichen Standard-ICs auskommt und zu einer PLL 11 mit minimaler Ansprechverzögerung führt.

Um eine analoge Regelspannung für den VCO 1 zu erhal­ ten, wird das Ausgangssignal des Phasenkomparators 3 in ein zum Tastverhältnis proportionales Digitalsignal im 8-Bit-Format umgewandelt. Aus diesem erzeugt ein 8-Bit-Digital-Analog-Wandler 7 mit nachfolgendem Aus­ gangsverstärker 8 die Regelspannung.

Zur Bildung des 8-Bit-Digitalsignals wird ein Zähltakt benutzt, dessen Taktfrequenz gerade das 256fache der zum Phasenkomparator 3 geführten PLL-Subfrequenz be­ trägt. Der Zähltakt kommt von einer Anzapfung der zwi­ schen VCO-Ausgang und Phasenkomparator-Eingang liegen­ den Frequenzteilerkette 2, 2 a, 2 b und wird einem UND-Gatter 4 zugeführt, das ihn mit dem Ausgangssignal des Phasenkomparators 3 verknüpft. Während jedes Pha­ senvergleichs läßt das UND-Gatter 4 eine Anzahl Zähl­ taktimpulse passieren, die proportional zur Öffnungs­ zeit des Gatters und damit zur Phasendifferenz zwischen Führungstaktfrequenz und PLL-Subfrequenz ist.

Der Ausgang des UND-Gatters 4 liegt am Takteingang eines 8-Bit-Binärzählers 5, der vor jedem Phasenver­ gleich von einer Logikschaltung 9 auf Null gesetzt wird. Am 8-Bit-Parallelausgang des Zählers 5 steht nach dem Phasenvergleich der digitale Wert für die Phasen­ differenz im 8-Bit-Format zur Verfügung.

Jeder so gewonnene 8-Bit-Wert wird in einem Halteregi­ ster 6 (8-Bit-D-Flipflop) zwischengespeichert und von hier aus an den Digital-Analog-Wandler 7 übergeben. Der zwischengespeicherte Wert wird erst nach dem nächsten Phasenvergleich durch einen neuen Ausgangswert des Bi­ närzählers 5 ersetzt. Während einer ganzen Periode der PLL-Subfrequenzschwingung liegt also am Eingang des Di­ gital-Analog-Wandlers 7 ein konstanter 8-Bit-Wert, der jeweils zu Beginn jeder Periode aktualisiert wird.

Dem Digital-Analog-Wandler 7 ist ein Operationsverstär­ ker 8 nachgeschaltet, mit dessen Verstärkung der Regel­ spannungshub an die Spannungs-Frequenz-Charakteristik des VCO 1 angepaßt wird. Eine sprunghafte Frequenzände­ rung des Führungstaktes beantwortet die PLL 11 nach dem nächsten Phasenvergleich bei richtig bemessener Regel­ verstärkung mit einem aperiodischen Übergang in den neuen stationären Zustand. Der dabei auftretende Regel­ spannungshub verstellt die Schwingfrequenz des VCO 1 gerade so weit, daß die von der Frequenzteilerkette 2, 2 a, 2 b daraus erzeugte Subfrequenz der neuen Führungs­ taktfrequenz entspricht. Danach herrscht Gleichgewicht, und die PLL rastet ein.

Der Führungstakt soll die PLL 11 mit der Bewegung der Trommel 10 oder eines anderen endlosen, umlaufenden Fo­ toleiterträgers, vgl. Fig. 1, synchronisieren, d. h. seine Frequenz muß proportional zur Momentangeschwin­ digkeit der Trommel 10 sein. Um mit der PLL 11 sowohl Zeilen- als auch Pixelfrequenz zu erzeugen, ist die Frequenz des Führungstakts so gewählt, daß sie zur Zei­ lenfrequenz in einem durch Frequenzteiler realisierba­ ren Verhältnis steht. Sie soll nicht niedriger als die Zeilenfrequenz sein, um deren Nachführung nicht zu ver­ langsamen. Sie wesentlich höher als die Zeilenfrequenz zu wählen, würde erhöhten Aufwand bedingen, der im vor­ liegenden Falle aber keine weiteren Vorteile für die Belichtungssynchronisierung zur Folge hätte.

Daher wird als Frequenz für den Führungstakt die Zei­ lenfrequenz gewählt. Sie soll feinstufig einstellbar sein, um eine Justierung des Bildmaßstabs in Laufrich­ tung der Wiedergabe zu ermöglichen.

Ein Geschwindigkeitssensor 15, der später ausführlicher beschrieben wird, liefert ein Meßsignal für die Bewe­ gung der Trommel 10, woraus ein Takt mit geschwindig­ keitsproportionaler Frequenz erzeugt wird. Dieser kann jedoch nicht als Führungstakt dienen, da er nicht der benötigten Zeilenfrequenz entspricht. Daher wird die Frequenz des Meßtaktes in die des Führungstaktes umge­ setzt. Diese Umsetzung muß multiplikativ erfolgen, um die Proportionalität zu erhalten. Der Multiplikator muß stabil bleiben und außerdem feinstufig wählbar sein. Die Frequenzumsetzung muß so schnell ablaufen, daß der erzeugte Führungstakt den Frequenzänderungen des Meß­ signaltaktes praktisch unverzögert folgt.

Für eine reine Hardwareschaltung, die diese Forderungen erfüllt, ist einiger Aufwand nötig. Ein Multiprozes­ sorsystem 18 mit integrierten Timerfunktionen erledigt dagegen die benötigten Operationen auf einfache Weise.

Während des Hauptprogrammes liest der Mikroprozessor 18 u. a. einen 4-Bit-Codierschalter 17, mit dem der Multi­ plikator für die Frequenzumsetzung gewählt wird. Das Hauptprogramm wird ständig vom Meßtakt unterbrochen. Das zugeordnete Interruptprogramm liest aus einem Timer den aktuellen Wert für die Periodendauer des Meßtakts, setzt danach den Timer auf Null und läßt ihn weiterlau­ fen. Aus dem aktuellen Wert für die Meßtaktperiode be­ rechnet er danach mit dem gewählten Multiplikator den nächsten Wert für die Periodendauer des Führungstaktes und hinterlegt ihn zur Abholung.

Nebenher läuft ein Timer für die Erzeugung des Füh­ rungstakts. Er unterbricht das Hauptprogramm, sobald er abgelaufen ist. Sein Timer-Interruptprogramm lädt ihn mit dem für ihn hinterlegten Wert nach und startet ihn erneut. Daneben steuert es den Ausgang, an dem der Füh­ rungstakt für die PLL 11 zur Verfügung steht.

Um die Belichtungseinheit 19, 13 mit einer nicht gleichförmigen Bewegung der Trommel 10 synchronisieren zu können, muß dessen Geschwindigkeit relativ zur Bild­ zeilen-Belichtungszone 13 fortlaufend gemessen werden. Dabei ist bei feststehender Belichtungseinheit 19 die Umfangsgeschwindigkeit der Trommel 10 zu messen. Bei einer zylindrischen und zentrisch gelagerten Trommel 10 kann man wahlweise auch deren Winkelgeschwindigkeit messen.

Genauigkeit und Auflösungsvermögen der Meßanordnung 15 müssen so hoch sein, daß jede zwischen zwei aufeinan­ derfolgenden Bildzeilen mögliche Geschwindigkeitsände­ rung der Trommel 10 schnell genug erkannt und genau ge­ nug wiedergegeben werden kann. Hierfür gibt es ver­ schiedene Möglichkeiten.

In zwei dieser möglichen Meßanordnungen tastet jeweils ein feststehend zur Bildzeilen-Belichtungszone positi­ onierter Sensor 15 eine auf der Trommel 10 fest ange­ brachte und mit ihr mitlaufende Rasterspur 14 mit äqui­ distanten, hinreichend eng gerasterten Markierungen ab.

Er liefert ein Ausgangssignal mit einer zur Umfangsge­ schwindigkeit proportionalen Frequenz.

Bei der ersten dieser beiden möglichen Anordnungen be­ wegt sich ein auf der Trommel 10 mitlaufendes, remit­ tierendes Hell-Dunkel-Raster dicht hinter einem fest­ stehenden, aber transmissiven Referenzraster gleicher Teilung vorbei. Eine davor befindliche Leuchtdiode wirft einen Leuchtfleck auf die beiden Raster. Ein ebenfalls vor den beiden Rastern fest angeordneter, fo­ toelektrischer Reflexsensor beobachtet deren gegensei­ tige Überdeckung im Leuchtfleck. Gleichphasige Über­ deckung erzeugt ein Hellsignal, gegenphasige ein Dun­ kelsignal.

Bei der zweiten dieser beiden möglichen Anordnungen wird eine auf der Trommel 10 mitlaufende Magnetspur mit aufmagnetisiertem Raster von einem davor feststehenden Magnetkopf abgetastet.

In einer weiteren möglichen Meßanordnung 15 ist ein hochauflösender Geschwindigkeitsmesser bekannter Bauart mit der Drehachse der Trommel 10 verbunden und liefert ein Ausgangssignal mit einer zur Winkelgeschwindigkeit proportionalen Frequenz.

Für alle beschriebenen Meßanordnungen 15 ist eine nach­ folgende Ausgangsschaltung 16 notwendig, die das analo­ ge Ausgangssignal des jeweiligen Sensors 15 mittels Verstärker- bzw. Schaltstufen in das benötigte digitale Taktsignal umformt. Der so entstehende geschwindig­ keitsproportionale Meßtakt steht dem Mikroprozessor 18 in bereits beschriebener Weise für die Erzeugung des Führungstaktes zur Verfügung, welcher dann in der PLL 11 in beschriebener Weise in den zur Steuerung der Belichtungseinheit 19 erforderlichen Zeilentakt und Pi­ xeltakt umgewandelt wird.

Claims (10)

1. Elektrofotografischer Plotter mit einer eine Fotoleiterschicht aufweisenden, lichtempfindli­ chen Trommel oder einem gleichartigen umlaufen­ den Fotoleiterträger, die an einer Belichtungs­ station zur zeilenweisen Belichtung mit nur im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit vorbei­ bewegt wird, wobei die Belichtungsstation durch mittels einer Belichtungseinheit computerge­ steuerte, lichtaussendende, eine Zeile bildende Elemente (Pixels, Bits) gebildet wird, die in­ nerhalb der Zeile mit einer bestimmten Pixel­ frequenz erregt werden, und wobei die Zeilen nacheinander mit einer bestimmten Zeilenfre­ quenz belichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisierung der Zeilenfrequenz mit der Schwankungen unterworfenen Trommelgeschwin­ digkeit

• a) eine Meßvorrichtung (15, 14) zur fortlaufen­ den Messung der Relativgeschwindigkeit zwi­ schen Belichtungseinheit (19) und Trom­ mel (10) vorgesehen ist, die Meßsignale er­ zeugt, die in Meßsignaltakte mit geschwin­ digkeitsproportionaler Taktfrequenz umge­ setzt und an einen Mikroprozessor (18) abge­ geben werden,
• b) daß der Mikroprozessor (18) die Meßsignal­ takte in Führungstakte mit einer anderen, ebenfalls geschwindigkeitsproportionalen Taktfrequenz umwandelt und letztere an eine steuerbare Frequenzgeneratorschaltung (11), z. B. eine Phase-Locked-Lopp-Schaltung (PLL), leitet, und
• c) daß die Frequenzgeneratorschaltung (11) so­ wohl die Zeilen als auch die Pixelfrequenz entsprechend den Schwankungen der Trommelge­ schwindigkeit erzeugt und an die Belich­ tungseinheit (19) liefert.

2. Plotter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Relativgeschwindigkeitsmeßvorrich­ tung (14, 15) durch eine mit der Trommel (10) gemeinsam bewegbare bzw. drehbare, in Umfangs­ richtung verlaufende Rasterspur (14) mit äqui­ distanten Markierungen und einen feststehenden, die Rasterspur (14) abtastenden Sensor (15), der die Meßsignale mit zur Umfangsgeschwindig­ keit der Trommel (10) proportionaler Frequenz erzeugt, gebildet wird.

3. Plotter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rasterspur (14) durch ein Hell- Dunkel-Raster gebildet, das dicht hinter einem feststehenden, lichtdurchlässigen Refe­ renzraster gleicher Teilung bewegbar ist, daß eine Leuchtdiode zur Beleuchtung beider Raster vor denselben angeordnet ist und daß der als photoelektrisches Element ausgebildete Sen­ sor (15) im von den Rastern reflektierten Strahlengang der Leuchtdiode angeordnet ist.

4. Plotter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rasterspur (14) durch eine Magnet­ spur mit aufmagnetisiertem Raster gebildet wird, die durch einen feststehenden Magnetkopf abtastbar ist.

5. Plotter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß als Relativgeschwindigkeitsmeßvorrich­ tung ein Geschwindigkeitsmesser bekannter Bau­ art mit der Welle der Trommel (10) verbunden ist, durch den die Meßsignale mit zur Winkelge­ schwindigkeit der Trommel (10) proportionaler Frequenz erzeugbar sind.

6. Plotter nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schalt­ stufe (16) vorgesehen ist, der die Meßsignale zugeführt und durch die sie in digitale Meßsi­ gnaltakte umgeformt werden, welche in den an­ schließenden Mikroprozessor (18) eingebbar und dort in Führungstakte umsetzbar sind, deren Frequenz (Führungstaktfrequenz) gleich der Zei­ lenfrequenz oder einem Vielfachen der Zeilen­ frequenz ist.

7. Plotter nach den Ansprüchen 1 und 6 oder einem anderen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase-Locked-Loop- Schaltung (PLL 11) einen Phasenkomparator (3), einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO 1) und eine Kette von Frequenzteilerstufen (2 a, 2 b) aufweist, durch welche die Schwingfrequenz des Oszillators (1) auf eine Subfrequenz herun­ tergeteilt wird, und daß dem Phasenkompara­ tor (3) die Führungstaktfrequenz und die Sub­ frequenz zugeführt werden.

8. Plotter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Phasenkomparator (3) aus der Führungstaktfrequenz und der Subfrequenz ein Ausgangssignal erzeugbar ist, welches ein Tast­ verhältnis aufweist, das der Phasendifferenz zwischen der Führungstaktfrequenz und der Sub­ frequenz proportional ist, und daß das Aus­ gangssignal in eine analoge Fehlerspannung um­ formbar ist, durch welche der Oszillator (1) im Sinne einer Gegenkopplung nachregelbar ist.

9. Plotter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Oszillator (1) durch die Ausgangs­ spannung eines Digital-Analog-Wandlers (7) steuerbar ist, dssen digitaler Eingangswert proportional zur Phasendifferenz zwischen der Führungstaktfrequenz und der Subfrequenz ist und dessen Ausgangsverstärker (8) so dimensio­ niert ist, daß ein aperiodisches Einschwingen der PLL (11) erzielbar ist.

10. Plotter nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß dem Analog­ digital-Wandler (7) ein Binärzähler (5) vorge­ schaltet ist, durch den der Digitalwert für die Phasendifferenz gebildet wird, daß dem Binär­ zähler (5) bei einem jeden im Phasenkompara­ tor (3) durchgeführten Phasenvergleich eine der Phasendifferenz proportionale Anzahl von Zähl­ impulsen zugeführt wird, welche aus der Schwingfrequenz durch den Frequenzteiler (2 a) erzeugbar sind, und daß ein jeweiliger Zähler­ stand des Binärzählers (5) in einem Halteregi­ ster (6) zwischengespeichert und dem Digital- Analog-Wandler (7) übergebbar ist, bis nach dem Ende des darauffolgenden Phasenvergleichs ein neuer Digitalwert für die Phasendifferenz ge­ bildet wird.