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Die
Erfindung betrifft die optischen Winkelcodierer, die logische Binärsignale
liefern, welche die Drehinkremente des Codierers darstellen. Diese
optischen Codierer werden nach Art von Potentiometern verwendet,
zum Beispiel für
die manuelle Steuerung von elektronischen Geräten, die auf einen Eingangsparameter
ansprechen, der kontinuierlich oder fast kontinuierlich variieren
kann, aber sie sind sehr viel zuverlässiger als die Potentiometer.
Bei einer Anwendung für
Luftfahrtausrüstungen
kann man typischerweise einen optischen Winkelcodierer verwenden,
um einem Autopilotrechner einen Höhen- oder Geschwindigkeitssollwert
anzuzeigen, den der Pilot auswählt,
indem er einen Steuerknopf betätigt,
der den Codierer dreht. Die Zuverlässigkeit des Codierers und
der von ihm gelieferten Informationen ist dann ein wesentliches
Element des Codierers.
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Man
möchte
präzise
und zuverlässige
Codierer herstellen, deren Betrieb gesichert ist, um zu ermöglichen,
dass ihre Basisfunktion selbst bei einem Defekt bestimmter sie bildender
Elemente gewährleistet
ist.
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Ein
optischer Winkelcodierer besteht typischerweise aus einer Scheibe,
die regelmäßige Markierungen
aufweist, wobei diese Scheibe von einem Steuerknopf (zum Beispiel
manuell) in Drehung versetzt wird. Eine fotoelektrische Zelle, die
vor der Scheibe befestigt ist, erfasst den Vorbeilauf der aufeinanderfolgenden
Markierungen, wenn der Steuerknopf die Scheibe dreht. Die Markierungen
sind typischerweise Öffnungen
in einer undurchsichtigen Scheibe, wobei eine Lumineszenzdiode auf
einer Seite der Scheibe und die fotoelektrische Zelle auf der anderen
Seite angeordnet ist.
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Jeder
Durchgang einer Markierung bildet beim Zählen der Drehung der Scheibe
ein Inkrement um eine Einheit. Die Winkelauflösung wird durch den Teilungswinkel
der regelmäßig auf
einem Scheibenumfang angeordneten Markierungen bestimmt. Um sowohl
Inkremente als auch Dekremente des Drehwinkels zu erfassen, wenn
man die Drehrichtung umkehrt, werden zwei fotoelektrische Zellen
vorgesehen, die physisch um eine ungerade Zahl von Viertelteilungen
untereinander beabstandet sind. So sind die logischen Zustände beleuchtet/nicht-beleuchtet der
zwei Zellen mit zwei Bits codiert, die nacheinander die vier aufeinanderfolgenden
Werte 00, 01, 11, 10 annehmen, wenn die Scheibe in eine Richtung dreht,
und die vier aufeinanderfolgenden Werte 00, 10, 11, 01 annehmen,
wenn die Scheibe in die andere Richtung dreht, so dass es einfach
ist, nicht nur das Auftreten eines Drehinkrements (Zustandsänderung
eines der Bits), sondern auch die Richtung des Inkrements (durch
Vergleich zwischen einem Zustand der Zellen und dem direkt vorhergehenden
Zustand) zu bestimmen.
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Um
die Zuverlässigkeit
der solche Codierer verwendenden Systeme zu erhöhen, insbesondere für Luftfahrtanwendungen,
wurde vorgeschlagen, den Codierer zu doppeln oder zumindest die
fotoelektrischen Zellen innerhalb des Codierers zu verdoppeln. Dies
ermöglicht
zum Teil, Defekte wie das Funktionsversagen einer Lumineszenzdiode
oder einer Erfassungsdiode zu erfassen, da man die von den zwei
Zellen gelieferten Zustände
vergleicht und die Inkrementierungs- oder Dekrementierungsinformation
nur validiert, wenn sie in gleicher Weise von den beiden Codierern
oder den beiden Gruppen von fotoelektrischen Zellen des Codierers
geliefert wird. Wenn die Informationen nicht gleich sind, schließt man daraus,
dass mindestens eine Zelle (Lumineszenzdiode oder Erfassungsdiode)
defekt ist, und man annulliert den Zählvorgang, indem ein Fehler-
oder Defektanzeigesignal angezeigt wird.
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Dieser
Vergleich der Signale der beiden Gruppe von Zellen hat sich aber
als schwierig herausgestellt, da die Positionierung der ersten Gruppe von
Zellen unbedingt gleich der Positionierung der zweiten Gruppe sein
muss: Während
die Verschiebung um eine ungerade Zahl von Teilungsvierteln der Markierungen
zwischen den beiden Zellen einer gleichen Gruppe geringfügig ungenau
sein kann, muss die Verschiebung zwischen den zwei Gruppen von Zellen
sehr genau ein Vielfaches des Teilungsabstands der Markierungen
sein.
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Wenn
dies nicht der Fall ist, kommt man in eine Situation, in der die
von den Zellen bestimmten Inkrementierungen oder Dekrementierungen
nicht genau im gleichen Moment stattfinden. Die Inkremente und Dekremente
werden zwar von den zwei Gruppen von Zellen erfasst, aber vielleicht
mit einer sehr geringfügigen
zeitlichen Verschiebung. Folglich wird es möglich, dass der Rechner, der
die Aufgabe hat, die den zwei Gruppen von Zellen zugeordneten Zähler abzufragen,
um die Übereinstimmung
der von diesen Zählern
angezeigten Angaben zu überprüfen, zu
einem gegebenen Zeitpunkt feststellt, dass die Angaben nicht gleich
sind, während
er, wenn er ganz kurz danach abgefragt hätte, gleiche Angaben vorgefunden
hätte.
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Um
dieses Problem zu lösen,
kann man eine Validierungsfrist des Vergleichs vorsehen, d.h., dass der
Rechner eine Fehleranzeige nur liefert, wenn dieser Fehler während einer
gewissen Zeit bestehen bleibt. Diese abzuwartende Zeit ist aber
schlecht bestimmt, da sie von der Drehgeschwindigkeit des Knopfes
abhängt.
Für eine
manuelle Steuerung wäre die
abzuwartende Zeit länger,
wenn der Benutzer den Knopf langsamer dreht. Man ist gezwungen,
die Defekt-Anzeige zum Beispiel um zwei Sekunden zu verzögern, was
nicht immer akzeptabel ist. Außerdem besteht
diese Methode darin, Defekte zu sehen, da der Rechner sie als potentielle
Defekte erfasst, sie aber während
einer gewissen Zeit als falsche Defekte zu betrachten, selbst wenn
es echte Defekte sind. Diese Lösung
ist nicht zufriedenstellend.
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Die
Erfindung schlägt
ein anderes Mittel vor, um die Zuverlässigkeit der vom doppelten
optischen winkelcodierer gelieferten Informationen zu überprüfen. Dieses
Mittel besteht hauptsächlich
darin, nicht die Zustände
der Zellen der zwei Gruppen von Zellen in einem gegebenen Zeitpunkt,
sondern die Folgen von mindestens vier aufeinanderfolgenden Zuständen zu
vergleichen, die von den zwei Gruppen von Zellen vor diesem Zeitpunkt
angenommen wurden, und die von den zwei Gruppen gelieferten Anzeigen zu
validieren, wenn die Folge für
eine Gruppe entweder gleich oder um höchstens einen Zustand vorwärts oder
rückwärts bezüglich der
Folge der anderen Gruppe phasenverschoben ist.
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Der
Codierer, der die Anwendung dieser Technik ermöglicht, ist ein doppelter optischer
inkrementaler Winkelcodierer, der mindestens eine Markierungen tragende
Scheibe und zwei Paare von Zellen zur Markierungserfassung aufweist,
wobei jedes Paar von Zellen einen logischen Zustand liefert, der aus
einem Paar von logischen Pegeln besteht, die die Bestimmung eines
Drehinkrements +1 oder –1
ermöglichen,
wenn die Scheibe sich dreht, wobei dieser Codierer dadurch gekennzeichnet
ist, dass er Mittel, um (im Prinzip periodisch, durch Abfrage) eine Folge
von vier aufeinanderfolgenden Zuständen S0, S1, S2, S3, die vom
ersten Paar von Zellen angenommen werden, mit einer Folge von vier
aufeinanderfolgenden Zuständen
S'0, S'1, S'2, S'3 zu vergleichen,
die vom zweiten Paar von Zellen angenommen werden, wobei die letzten
Zustände
S3 und S'3 dieser
Folgen die Zustände
sind, die in dem Zeitpunkt angenommen werden; in dem der Vergleich
durchgeführt
wird, und Mittel aufweist, um eine Anzeige des fehlerhaften Zählens zu
liefern, wenn die Folge S'0, S'1, S'2, S'3 nicht gleich S0,
S1, S2, S3 oder Sx, S0, S1, S2, oder S1, S2, S3, Sy ist, wobei Sx
einen vor dem ersten Paar liegenden Zustand (Zustand direkt vor der
Folge S0, S1, S2, S3) darstellt, und Sy ein derartiger möglicher
Zustand des ersten Paars ist, dass das Inkrement des Übergangs
von S3 nach Sy im Absolutwert nicht größer als 1 ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
ausführlichen
Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnung hervor. Es zeigen:
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1 schematisch
das Prinzip eines einfachen optischen Winkelcodierers des Stands
der Technik;
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2 die
möglichen
aufeinanderfolgenden logischen Zustände der Zellen eines Paars,
wenn die Scheibe sich dreht;
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3 das
Prinzip eines doppelten Codierers mit Überprüfung eines Wegs durch den anderen;
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4 ein
Diagramm der Entwicklungen der Zustände der zwei Paare von Zellen
des Codierers der 3 im Fall einer gleichmäßigen Drehung;
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5 und 6 Zeitdiagramme
der Entwicklung von Zuständen
der Paare von Zellen;
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7 den
Aufbau eines optischen Winkelcodierers gemäß der Erfindung.
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In 1 ist
schematisch das Prinzip eines einfachen optischen Winkelcodierers
dargestellt. Der Codierer hat einen Steuerknopf 10, der
manuell gedreht werden kann und eine flache Scheibe 12 antreibt,
die mit einem gleichmäßigen Teilungswinkel
P beabstandete Markierungen trägt;
diese Markierungen sind vorzugsweise Öffnungen in der Scheibe, die undurchsichtig
ist. Die Breite der Öffnungen
ist vorzugsweise gleich dem Abstand zwischen den Öffnungen,
also P/2, im interessantesten Fall, in dem der Codierer die Codierung
in Inkrementierung und in Dekrementierung erlaubt.
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Ein
Paar von Zellen zur optischen Erfassung C1, C2 wird verwendet, um
den Durchgang der Markierungen während
der Drehung der Scheibe zu erfassen. Diese Zellen C1, C2 haben zueinander
einen Abstand von einer ungeraden Anzahl von Halbabständen zwischen
Markierungen, d.h. einem ungeraden Vielfachen (2k + 1)P/4 des Viertels
des Teilungswinkels P, wobei k eine beliebige ganze Zahl ist. Wenn
die Markierungen Öffnungen
in der Scheibe sind, sieht man vorzugsweise vor, dass eine Elektrolumineszenzdiode
vor jeder Zelle auf der anderen Seite der Scheibe bezüglich der
Zelle angeordnet ist, so dass der Durchgang einer Öffnung vor
der Zelle die Zelle stark beleuchtet. Die Zelle liefert nach Verstärkung und
Spitzenbeschneidung in 2 sichtbare Rechtecksignale.
Die Zelle C1 des Paars von Zellen liefert während der gleichmäßigen Drehung
der Scheibe periodische Rechteckimpulse. Diese Rechteckimpulse haben
eine Periode T, wenn die Scheibe mit konstanter Geschwindigkeit
dreht. Die Zelle C2 des Paars liefert gleiche, aber aufgrund ihrer
physischen Verschiebung (2k + 1)P/4 bezüglich der Zelle C1 um π/2 oder 3π/2 phasenverschobene
Rechteckimpulse.
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Es
gibt vier mögliche
logische Zustände
für ein
Paar von Zellen, die, wenn die Scheibe sich in der Richtung dreht,
die den Rechteckimpulsen der 2 entspricht,
nacheinander sind:
Zustand A : Zelle C1 auf 0, Zelle C2 auf
0 : 00
Zustand B : Zelle C1 auf 1, Zelle C2 auf 0 : 10
Zustand
C : Zelle C1 auf 1, Zelle C2 auf 1 : 11
Zustand D : Zelle C1
auf 0, Zelle C2 auf 1 : 01
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Es
gibt keinen anderen möglichen
Zustand. Man geht nach dem Zustand D wieder in den Zustand A. Diese
Zustände
sind als solche nicht interessant; interessant ist der Übergang
von einem Zustand zum anderen: Die Übergänge von 00 auf 10, von 10 auf 11,
von 11 auf 01 und von 01 auf 00 entsprechen alle einem Inkrement
von +1, die Übergänge von
00 auf 01, von 01 auf 11, von 11 auf 10 und von 10 auf 00 entsprechen
alle einem Inkrement von –1,
d.h, einer Einheits-Drehung in umgekehrter Richtung.
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Ein
einfacher Decodierer 14 analysiert diese Übergänge, um
ein logisches Signal T zu liefern, das in Gegenwart einer effektiven
Drehung zwei mögliche logische
Werte hat, von denen der eine einem Inkrement +1 und der andere
einem Inkrement –1
entspricht. Das Signal T kann zwei Bits enthalten, von denen eines
angibt, dass es eine Drehung gibt, und das andere die Drehrichtung,
Inkrementierung oder Dekrementierung, angibt. Dieses Signal T wird
an einen Zähler
angelegt, der in Gegenwart einer Drehung vorwärts- oder rückwärts zählt.
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Der
Steuerknopf ist mit Indexierungskerben versehen, um zu vermeiden,
dass er in einer Stellung anhält,
in der eine Erfassungszelle weder ganz vor einer Markierung noch
ganz zwischen zwei Markierungen ist.
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Wenn
man die Zuverlässigkeit
mit einem doppelten Codierer verbessern möchte, der im Prinzip eine einzige
Scheibe, aber zwei Paare von unabhängigen Erfassungszellen anstelle
einer Zelle hat, liefert der Codierer dann ein Signal T und ein
Signal T', die die
aufeinanderfolgenden Inkremente oder Dekremente darstellen, die
ausgehend von jedem der Zellenpaare erfasst werden. Das zweite Paar
von Zellen C'1,
C'2 ist physisch
bezüglich
des ersten Paars (C1, C2) um eine ganze Zahl von Markierungsteilungen
der Scheibe verschoben und liefert folglich im gleichen Moment genau
die gleichen Zustandsübergänge.
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3 zeigt
den daraus entstehenden Codiereraufbau: Die von den Paaren von Zellen
stammenden Signale werden getrennt verarbeitet und führen zur
getrennten Berechnung der Inkremente T und T'. Diese Inkremente werden in einer Prüfschaltung 16 verglichen,
ehe sie an den Zähler
gesendet werden, der die Winkelstellung des Steuerknopfs bestimmt. Wenn
die Inkremente nicht gleich sind, heißt dass, das eines der Paare
von Zellen anormal arbeitet, und es wird ein Fehlersignal gesendet.
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Selbst
wenn die Zellen normal arbeiten, kann aber das zweite Paar von Zellen
aufgrund einer leichten mechanischen Verschiebung mit dem ersten Paar
nicht genau in Phase sein, die logischen Zustandsänderungen
der Zellen der zwei Paare sind dann nicht genau synchron. Daraus
folgt dass, wenn die Prüfung
der Gleichheit der Inkremente in dem Zeitpunkt erfolgt, in dem die
Paare von Zellen keine gleichen Anzeigen liefern, die Konsolidierungsschaltung
einen Fehler erfassen kann, obwohl es sich um einen sehr geringen
mechanischen Positionierungsfehler handelt.
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4 zeigt
die zeitliche Entwicklung der Zustandssignale, die von der Prüfung der
Signale abgeleitet werden, die von den Paaren von Zellen C1, C2 und
C'1, C'2 bei einer Drehung
geliefert werden. Das Signal Sn stellt den Zustand A oder B oder
C oder D des Paars von Zellen C1, C2 während einer Drehung dar, von
der angenommen wird, dass sie mit gleichmäßiger Geschwindigkeit erfolgt.
Die senkrechten Striche zeigen die genauen Zeitpunkte der Zustandsänderung.
Das Signal S'n stellt
den gleichen Zustand für
das Paar von Zellen C'1,
C'2 während der
gleichen Drehung dar. Wenn es eine physische Verschiebung gibt,
die nicht genau gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Teilung
der Markierungen zwischen den zwei Paaren von Zellen ist, treten
die Zeitpunkte der Zustandsänderung
der zwei Paare von Zellen nicht genau in den gleichen Zeitpunkten auf,
obwohl sie ganz kurz danach wieder gleiche Zustände haben. Im dargestellten
Fall verläuft die
Zeit nach rechts, das Paar von Zellen C'1, C'2
ist leicht bezüglich
des anderen Paars nach vorne phasenverschoben. Wenn die Drehung
in der anderen Richtung durchgeführt
würde,
wäre das
Paar von Zellen C'1, C'2 bezüglich des
Paars C1, C2 verzögert.
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Wenn
die Prüfschaltung 16 die
Gleichheit der Übergänge zwischen
T und T' in einem
Zeitpunkt abfragt, der sich in dieser kurzen Phasenverschiebung befindet
und nicht, während
die Zustände
Sn genau festgelegt und gleich sind, kann ein Fehler erfasst werden.
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Anstatt
eine Zeitkonstante zu erstellen, während der die erfassten Übergangsdifferenzen
unterdrückt
werden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
die vier letzten Zustände
der zwei Paare von Zellen zu beobachten und eine Validierung der
Inkrementierung oder Dekrementierung in Abhängigkeit von einem Vergleich
dieser Zustände
durchzuführen.
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Man
beobachtet folglich die Folge der Zustände, die von dem ersten Paar
von Zellen angenommen werden. S0, S1, S2 und S3 seien die letzten vier
Zustände,
wobei S3 der letzte Zustand ist, der dem Zustand entspricht, für den man
eine Validierung durch Vergleich mit dem anderen Paar von Zellen durchführen möchte.
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Wenn
die Zellen des zweiten Paars mechanisch perfekt in Phase mit denjenigen
des ersten Paars sind, ist die Folge der vier letzten Zustände S'0, S'1, S'2, S'3, die vom zweiten
Paar im gleichen Zeitpunkt angenommen werden (wobei S'3 der Zustand im
gleichen Zeitpunkt T ist), genau gleich der Folge S0, S1, S2, S3,
unabhängig
vom Zeitpunkt des Vergleichs. Dies ist die ideale Situation.
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Wenn
in einer Konfiguration wie derjenigen der 4 eine leichte
Phasenverschiebung stattfindet, ist die Situation für einen
beliebigen Vergleichszeitpunkt gleich, außer in dem Ausnahmefall, in
dem dieser Zeitpunkt sich in der kurzen Phasenverschiebung befindet,
in der die Zustände
der Paare von Zellen kurzzeitig unterschiedlich sind.
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Die 5 und 6 zeigen
eine Folge von Zuständen
Sx, S0, S1, S2, S3, Sy, die von den zwei Paaren von Zellen angenommen
werden, in zwei unterschiedlichen Konfigurationen der Phasenverschiebung
zwischen Zellen und in unterschiedlichen Beobachtungszeitpunkten
t0 in den beiden Konfigurationen, aber alle beide, während das
Paar von Zellen C1, C2 im Zustand S3 ist.
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5 zeigt
den Fall, in dem das Paar von Zellen C'1, C'2,
das den Zustand S' liefert,
ganz geringfügig
in der Phase voreilt, und der Beobachtungszeitpunkt t0 sich ausnahmsweise
ganz am Ende des Zustands S3 befindet, in einem Moment, in dem S' bereits von seinem
Wert S3 in einen neuen Wert Sy gekippt ist, während S dies aufgrund der leichten Phasenverschiebung
noch nicht getan hat. Der Wert Sy hängt selbstverständlich von
der Tatsache ab, ob die Drehung weitergeht oder anhält oder
sich umkehrt. Sy kann nur einen der drei folgenden Werte haben:
Sy = S3 (unterbrochene Drehung); oder Sy um ein Inkrement +1 von
S3 verschieden; oder Sy um ein Inkrement –1 von S3 verschieden.
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In
diesem Fall ist die Folge der vier letzten Zustände von S' vor dem Zeitpunkt t0 S1, S3, S3, Sy, während die
Folge der vier letzten Zustände
von S im gleichen Zeitpunkt S0, S1, S2, S3 ist.
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6 zeigt
den umgekehrten Fall, in dem das Paar von Zellen C'1, C'2 leicht bezüglich des Paars
C1, C2 verzögert
ist und der Beobachtungszeitpunkt t0 sich ausnahmsweise ganz am
Anfang des Zustands S3 befindet, während S' aufgrund der leichten Phasenverschiebung
noch nicht in diesen Zustand S3 gekippt ist.
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Die
Folge der letzten vier vom Paar von Zellen C'1, C'2
vor dem Beobachtungszeitpunkt t0 angenommenen Zustände ist
dann Sx, S0, S1, S2, während
die Folge der Zustände
S S0, S1, S2, S3 ist.
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Wenn
die beiden Paare von Zellen normal arbeiten, ist folglich die Folge
der vom zweiten Paar angenommenen Zustände für eine vom ersten Paar angenommene
Folge S0, S1, S2, S3:
- – im Allgemeinen S0, S1, S2,
S3, unabhängig
davon, ob es eine leichte Phasenverschiebung zwischen den Paaren
gibt,
- – ausnahmsweise
S1, S2, S3, Sy, aber in diesem Fall kann Sy sich nur um höchstens
ein positives oder negatives Inkrement von S3 unterscheiden;
- – oder
ausnahmsweise Sx, S0, S1, S2, wobei Sx der Zustand vor S0 ist und
sich ebenfalls von S0 nur um 0 oder +1 oder –1 unterscheiden kann.
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Man
sieht also erfindungsgemäß vor, dass die
Prüfschaltung 16 Mittel
aufweist, um in einem Zeitpunkt t0 die Folge von vier aufeinanderfolgenden Zuständen S0,
S1, S2, S3, die von dem ersten Paar von Zellen vor diesem Zeitpunkt
angenommen wurden, mit einer Folge von vier aufeinanderfolgenden Zuständen S'0, S'1, S'2, S'3 zu vergleichen,
die vom zweiten Paar von Zellen vor dem gleichen Zeitpunkt angenommen
wurden. Diese Schaltung liefert eine fehlerhafte Zählangabe,
wenn die Folge S'0,
S'1, S'2, S'3 nicht gleich S0,
S1, S2, S3 oder Sx, S0, S1, S2 oder S1, S2, S3, Sy ist, in denen
Sx sich von S0 nicht um mehr als eine Einheit unterscheiden kann
und Sy sich von S3 nicht um mehr als eine Einheit unterscheiden
kann.
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7 zeigt
den erfindungsgemäßen Codierer.
Eine Prüfschaltung 20,
die zur Prüfschaltung 16 hinzugefügt werden
oder diese ersetzen kann, empfängt
direkt die Zustände
der Paare von Zellen. Sie speichert systematisch mindestens die
vier letzten Zustände
jedes Paars von Zellen und validiert einen Übergang T für den Zähler nur, wenn die Folgen von vier
Zuständen
dem oben gesagten entsprechen; ansonsten sendet sie ein Fehlersignal.
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Um
zu prüfen,
ob die Folge von Zuständen, die
das zweite Paar annimmt, Sx, S0, S1, S2 ist, kann man als Wert von
Sx entweder den wahren Wert nehmen, der tatsächlich von dem Paar von Zellen
angenommen wurde, dann muss er aber zusätzlich zu den vier von dem
Paar von Zellen angenommenen Zuständen gespeichert werden: Man
speichert in diesem Fall fünf
aufeinanderfolgende Zustände.
Oder aber, man speichert den fünften
Zustand nicht, validiert den Übergang
aber nur, wenn Sx sich von S0 nicht mehr als um eine Einheit unterscheidet.