DE4308462A1 - Anordnung zur Signalverarbeitung für Absolutwertsensoren mit periodischen Strukturen, insbesondere für Positions- und Winkelsensoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Signalverarbei­ tung für Absolutwertsensoren mit periodischen Strukturen, insbesondere für Positions- und Winkelsensoren, bei welcher in der periodischen Struktur mindestens einem Taster eine in mehrere Meßabschnitte unterteilte Meßfläche gegenüber­ liegt, wobei jeder Meßabschnitt eine Positionsmarkierung darstellt, die Eingänge der periodischen Sensorstruktur über eine Schaltereingangsgruppe zyklisch mit einer Signal­ quelle verbunden sind und die Ausgänge der periodischen Sensorstruktur mit einer Auswerteschaltung verknüpft sind.

Hochgenaue und langzeitstabile Sensoren zur präzisen Erfas­ sung geometrischer Größen beruhen auf dem Prinzip der Ab­ tastung von periodischen Strukturen, die als sehr stabiler Referenzmaßstab ausgelegt werden können.

Anwendung findet dieses Prinzip in inkrementalen bzw. ko­ dierten Weg-, Positions- oder Drehwinkelsensoren.

Es sind Anordnungen bekannt, die nach elektronischen Abfra­ geprinzipien arbeiten.

Die periodische Sensorstruktur wird dabei über einen Multi­ plexer zyklisch angesteuert, der wiederum von einem Oszil­ lator vorgegebener Amplitude erregt wird.

Abtaststeuersignale bewirken, daß der Multiplexer das Os­ zillatorsignal nacheinander nur auf jeweils eine Meßfläche schaltet.

Die informationstragenden Parameter sind dabei in der Signalamplitude verschlüsselt, welche aber gegen äußere Störsignaleinflüsse anfällig ist. Dadurch sind zusätzliche Maßnahmen zur Störsignalunterdrückung notwendig.

Für die Detektion von n Positionen sind genausoviele Schal­ ter und mindestens n elektrische Anschlüsse am sensorischen Element notwendig. Die Meßfläche selbst ist dabei in meh­ rere Meßabschnitte unterteilt.

Nachteilig ist, daß nach jedem beabsichtigten oder unbeab­ sichtigten Unterbrechen der Versorgungsspannung zunächst eine Nullposition angefahren werden muß, um die momentane absolute Position des Meßobjektes zum Zeitpunkt des Ein­ schaltens zu erfassen. Erst danach kann jede weitere Posi­ tionsänderung durch Zählen der vom Taster im Sensor über­ strichenen periodischen Markierungen des Sensorelementes erfaßt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Signalverarbeitung für Absolutwertsensoren mit periodi­ schen Strukturen zu schaffen, welche geometrische Größen in ein absolutes elektrisches Abbildsignal wandelt und höheren Störsignalanforderungen genügt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß minde­ stens ein Taster in Kombination mit je einem Meßabschnitt mindestens eine Schalteinheit für jede Meßposition bildet, zwischen die Ausgänge der periodischen Struktur und der Auswerteschaltung eine zyklisch schaltende Ausgangsschal­ tergruppe angeordnet ist, wobei jeweils die die gleiche Po­ sition repräsentierenden Schalteinheiten der periodischen Sensorstruktur eingangs- und/oder ausgangsseitig miteinan­ der verbunden sind.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Informa­ tion über den Absolutwert des sensorischen Parameters in der Sensorstruktur selbst verankert ist. Dadurch reduziert sich bei 2ⁿ zu erfassenden Positionen die Signalverarbei­ tung auf 2^n/2 Kanäle.

Dabei werden jeweils die die gleiche Position markierenden Ausgänge der periodischen Sensorstruktur gleichzeitig mit dem Komparator verbunden. Aus diesem Abbildsignal ist eine analoge Spannung oder ein analoger Strom ableitbar, die ge­ gebenenfalls über eine Zweidrahtleitung übertragen werden können.

Auch die Ableitung eines binären Signales ist leicht mög­ lich, indem der Ausgang eines Komparators mit dem ersten Eingang einer Kippschaltung verbunden ist, deren zweiter Eingang auf die Ausgangsschaltergruppe führt und der Aus­ gang der Kippschaltung mit einem Schieberegister verbunden ist, dessen Eingang auf die Signalquelle führt.

In einer Ausgestaltung ist ein Taktgenerator mit einem er­ sten, die Eingangsschaltergruppe steuernden Ringzähler ver­ bunden, welcher wiederum auf einen, die Ausgangsschalter­ gruppe schaltenden zweiten Ringzähler führt, der auf dem Reset-Eingang eines Flipflops liegt, dessen Set-Eingang mit dem Ausgang des Komparators verbunden ist und wobei das Schieberegister ebenfalls vom Taktgenerator getaktet wird.

Um definierte Verhältnisse nach Anlegen der Betriebsspan­ nung zu sichern, ist zwischen Taktgenerator und zweiten, die Ausgangsschaltergruppe steuernden Ringzähler eine Re­ setschaltung angeordnet.

Um Übersprecheffekte der sensorischen Schalter zu verhin­ dern, ist in einer Weiterbildung zwischen Ausgangsschalter­ gruppe und Komparator ein Bandfilter geschaltet.

Vorzugsweise besteht dieses Bandfilter aus einer Reihen­ schaltung eines Integrators und eines Differenzierers.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu, wobei zwei in den Figuren der Zeichnungen erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste sensorische Schalteranordnung,

Fig. 2 eine zweite sensorische Schalteranordnung,

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur digitalen Signalver­ arbeitung,

Fig. 4 Schaltungsanordnung und Signalverlauf zur Vermei­ dung von Übersprecheffekten,

Fig. 5 kapazitive Sensorstruktur.

In Fig. 1 und 2 sind zwei mögliche Varianten der periodi­ schen Sensorstruktur 3 dargestellt. Die Sensorstruktur 3 besteht aus einem oder mehreren Tastern, deren relative Lage zu einer Meßfläche mit Positionsmarkierungen durch das in seiner Position zu erfassende Meßobjekt verändert wird.

Taster und Positionsmarkierungen des Sensors bilden zusam­ men eine Kombination von Schaltern X_i.

Diese Schalter X_i werden von der zu erfassenden geometrischen Größe (Position, Abstand, Winkel usw.) beeinflußt und schalten ein Signal von einem bestimmten Eingang E_n auf einen bestimmten Ausgang O_n.

Es existieren genau n Schalterkombinationen, so daß die zu erfassende geometrische Größe in exakt n Stufen erfaßt wer­ den kann, indem an jeden Eingang der Sensorstruktur zyklisch ein Signal angelegt und gleichzeitig durch zykli­ sches Abtasten die Reaktion der Ausgänge beobachtet wird.

Gemäß Fig. 1 wird das Signal der Signalquelle 1 mittels ei­ ner elektronischen Schaltergruppe 2, vorzugsweise CMOS- Schalter, an die Eingänge E_n der Sensorstruktur zyklisch angelegt.

Die Ausgänge O_n werden über eine Ausgangsschaltergruppe ebenfalls zyklisch abgetastet. Ein Schalter X_i der Sen­ sorstruktur ist geschlossen, wenn der Taster einer Posi­ tionsmarkierung des Sensors gegenübersteht, anderenfalls ist er geöffnet.

Wird beim Abtasten mittels der Ein- und Ausgangsschalter­ gruppe 2 und 4 der periodischen Sensorstruktur 3 eine Schalterkombination gefunden, bei der alle Schalter X_i ge­ schlossen sind, detektiert ein Komparator 5 das Signal der Signalquelle 1, indem dieser seinen Zustand am Ausgang än­ dert.

Es existiert zwischen den Schalterstellungen der elektroni­ schen Schaltergruppen 2 und 4, der momentanen Taster-Posi­ tionsmarkierungspaarung X_i und dem Steuerwort, bestehend aus der Signalmenge

eine eindeutige, absolute Zuordnung. Somit ist es möglich, das absolute Abbildsignal der physikalischen Größe aus dem Steuerwort der elektronischen Schaltergruppe 2 und 4 und dem Ausgangssignal des Komparators 5 zu bilden.

Das Steuerwort für die elektronischen Schaltergruppen 2 und 4 wird gemäß Fig. 3 dadurch gebildet, daß ein Ringzähler 6 von einem Taktgenerator 12 Impulse empfängt. Die Ausgänge des Ringszählers 6 arbeiten als 1- aus n-Decoder, so daß mit diesen Ausgangssignalen die Schaltergruppe 2 zyklisch durchgeschaltet wird. Nach jedem Zyklus des Ringzählers 6 wird durch den Übertragimpuls vom Ringzähler 6 der zweite Ringzähler 7 angestoßen, der in der gleichen Art und Weise wie Ringzähler 6 an seinen Ausgängen reagiert und mit die­ sen die Schaltergruppe 4 ansteuert, wodurch die Ausgänge der sensorischen Struktur 3 zyklisch mit dem Komparator 5 verbunden werden.

Vom Taktgenerator 12 wird ein Schieberegister 9 getaktet, das von einem R-S-Flipflop 8 an seinem Dateneingang ange­ steuert wird. Dadurch werden Daten taktsynchron in das Schieberegister 9 geschoben, die vom Komparator 5 bestimmt sind.

Auf diese Art und Weise werden beginnend mit einem Steuer­ wortzyklus logische Einsen bzw. Nullen in das Schieberegi­ ster 9 geschoben bis eine Schalterkombination erreicht ist, mit der das Signal der Quelle 1 den Komparator 5 umschaltet und von diesem Zeitpunkt ab logische Nullen bzw. Einsen in das Schieberegister 9 gelangen. Dieser Vorgang wiederholt sich mit jedem Steuerwortzyklus, wodurch am Ausgang des Schieberegisters 9 ein pulsweitenmoduliertes Signal PWM entsteht, dessen Tastverhältnis direkt von der Position des sensorischen Tasters bestimmt wird.

Die Resetschaltung 11 stellt definierte Verhältnisse nach dem Anlegen der Betriebsspannung sicher.

Durch Übersprecheffekte der sensorischen Schalter kann es zu einem Signalverlauf bezüglich der Sensorposition kommen, der idealisiert in Fig. 4b dargestellt ist. Der Taster des Sensors besitzt die Position i. Am Komparator 5 kann das größte Signal S detektiert werden. Jedoch entsteht bei vor­ handenem Übersprechen an benachbarten Positionen (X_i-2, X_i-1, X_i+1 usw.) ebenfalls ein Signal, das sich vom Signal be­ züglich X_i in seiner Amplitude um dS unterscheidet.

Zur besseren Unterscheidung des Signales S in der Stellung X_i von Signalen benachbarter Positionen wird die in Fig. 4a abgebildete Schaltungsanordnung vorgeschlagen.

Der Integrator 13 unterdrückt Störsignale und bildet mit dem Differenzierer 14 ein Bandfilter. Bei geeigneter Generatorsignalwahl werden mit dieser Anordnung nur die für das gewählte Frequenzband interessanten Signale ausgewer­ tet.

Der Differenzierer 14 ermöglicht darüber hinaus eine exakte zeitliche Detektion des verschliffenen Signales (Fig. 4c) durch Differentiation, wie in Fig. 4d dargestellt. Der Kom­ parator 5 kann somit exakt zum Zeitpunkt der elektronischen Abtastung der mechanischen Stellung X_i des Tasters umschal­ ten.

Die Dynamik der elektronischen und mechanischen Komponenten sind so mit der Generatorsignaldynamik abgestimmt, daß keine nennenswerten Einflüsse durch Schaltungenauigkeiten der Elektronik auf die Genauigkeit des pulsweitenmodulier­ ten Signales PWM am Ausgang der Schaltung feststellbar sind.

Fig. 5 zeigt eine kapazitive Sensorstruktur, die der erfin­ dungsgemäßen Anordnung entspricht. Neben der kapazitiven Gestaltung sind aber auch Sensoren denkbar, die auf der Grundlage anderer Wirkprinzipien arbeiten.

In Fig. 5a sind die periodischen Strukturen dargestellt, welche abgetastet werden. Jede Struktur besteht aus acht kleinflächigen nebeneinander liegenden Elektroden 18, wobei jeweils 2 Elektroden mit der gleichen Signalleitung verbun­ den sind. Jeder Viererkombination von kleinflächigen Elek­ troden 18 ist eine großflächige Elektrode 15 zugeordnet. Die Strukturen sind annähernd symmetrisch angeordnet. Die räumlich versetzte Anordnung der ortsfesten Elektroden 18 dient dabei zur höheren Dämpfung des Übersprecheffektes.

Die Anordnung der Elektroden 18 und 15 ermöglicht die Re­ duzierung der Signalleitungen. Bei den vorliegenden acht Elektroden werden nur vier Leitungen benötigt. Die eindeu­ tige Zuordnung bei der Signalverarbeitung erfolgt über die Elektrode 15.

Die ortsfesten Elektroden 15 und 18, die auf einem Sub­ stratträger 19 angeordnet sind, werden von einem linear be­ weglichen Taster 20 überstrichen. Dieser setzt sich zusam­ men aus den den ortsfesten Elektroden 18 zugewandten Elek­ troden 17 und den äußeren Elektroden 16, welche den groß­ flächigen Elektroden 15 gegenüberstehen.

Die jeweils übereinanderstehenden ortsfesten Elektroden 15, 18 und Tasterelektroden 16, 17 üben eine Schalterfunktion aus. Es sind verschiedene Schalterkombinationen möglich, die alle eindeutig über die Elektroden 15 selektierbar sind.

Die beschriebene Anordnung arbeitet als Lineargeber, kann aber genausogut als Winkelgeber gestaltet werden.

Claims (6)

1. Anordnung zur Signalverarbeitung für Absolutwertsensoren mit periodischen Strukturen, insbesondere für Positions- und Winkelsensoren, bei welcher in der periodischen Struk­ tur mindestens einem Taster eine in mehrere Meßabschnitte unterteilte Meßfläche gegenüberliegt, wobei jeder Meßab­ schnitt eine Positionsmarkierung darstellt, die Eingänge der periodischen Sensorstruktur über eine Schaltereingangs­ gruppe zyklisch mit einer Signalquelle verbunden sind und die Ausgänge der periodischen Struktur mit einer Auswerte­ schaltung verknüpft sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• - mindestens ein Taster in Kombination mit je einem Meßabschnitt mindestens eine Schalteinheit für jede Meßposition (X_i) bildet,
• - zwischen die Ausgänge (O_n) der periodischen Struktur (3) und die Auswerteschaltung (5) eine zyklisch schaltende Ausgangsschaltergruppe (4) angeordnet ist,
• - wobei jeweils die die gleiche Position repräsen­ tierenden Schalteinheiten (X_i) der periodischen Sensorstruktur (3) eingangs- und/oder ausgangs­ seitig miteinander verbunden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines Komparators (5) mit dem ersten Eingang einer Kippschaltung (8) verbunden ist, deren zweiter Ein­ gang auf die Ausgangsschaltergruppe (4) führt und der Aus­ gang der Kippschaltung (8) mit einem Schieberegister (9) verbunden ist, dessen Eingang auf die Signalquelle (1) führt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgenerator (12) mit einem ersten, die Eingangsschaltergruppe (2) steuernden Ringzähler (6) ver­ bunden ist, der wiederum auf einen zweiten, die Ausgangs­ schaltergruppe (4) schaltenden Ringzähler (7) führt, wel­ cher auf dem Reset-Eingang eines Flip-Flops (8) liegt, des­ sen Set-Eingang mit dem Ausgang des Komparators (5) verbun­ den ist, wobei das Schieberegister (9) ebenfalls vom Taktgenerator (12) taktbar ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Resetschaltung (11) zwischen Taktgenerator (12) und den zweiten Ringzähler (7) geschaltet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ausgangsschaltergruppe (4) und Komparator (5) ein Bandfilter (13, 14) geschaltet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltergruppe (4) über einen Integrator (13) und einen sich anschließenden Differenzierer (14) mit dem Komparator (5) verbunden ist.