DE69217413T2

DE69217413T2 - Verfahren und Gerät zum Fühlen der Nähe eines Objekts unter Benutzung von Nahfeldeffekten

Info

Publication number: DE69217413T2
Application number: DE69217413T
Authority: DE
Inventors: George T Ruck; Marshall E Smith Jr; George D Wolff
Original assignee: Wolff Controls Corp
Current assignee: Wolff Controls Corp
Priority date: 1991-05-22
Filing date: 1992-05-21
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2012-05-22
Also published as: EP0515187A2; KR100246260B1; DE69217413D1; EP0515187B1; MX9202384A; JPH05187850A; AU1609792A; BR9201944A; ES2097875T3; US5633593A; CA2068098A1; EP0515187A3; KR920021968A; US5459405A

Description

Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung befassen sich allgemein mit einer Erfassungs- bzw. Abfühleinrichtung, einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Erfassen bzw. Erfühlen der Position eines Zielobjektes, wie z. B. eines Zahnrades, einer Vorrichtung zum Erfühlen des Zahnzwischenraumes und der Zahnspitzen eines Zahnrades, einer Vorrichtung zum Erfühlen der Nähe eines Gegenstandes, und einer Vorrichtung zum Installieren eines Sensors in einer Öffnung in der Wand einer Einrichtung.
Im Stand der Technik sind zahlreiche Sensoren bekannt, die auf verschiedene Parameter des Zielobjektes reagieren: diese elektromagnetischen Näherungssensoreinrichtungen, wie z. B. Hall-Effekt-Einrichtungen, Wiegand-Effekt-Einrichtungen, von Wirbelströmen gedämpfte Oszillatoren, etc. haben den generellen Nachteil, daß sie es erforderlich machen, daß das Zielobjekt aus einem eisernen oder magnetischen Material hergestellt ist und daß die Einrichtung sehr nahe an dem Zielobjekt angeordnet sein muß. Weiterhin können diese Einrichtungen nicht zwischen Gegenständen, die keine Zielobjekte sind und die sich in enger Nachbarschaft zu dem Zielobjekt bewegen, und dem Zielobjekt selbst unterscheiden. Andere elektromagnetische Näherungssensoren, wie z. B. Mikrowellennäherungssensoren, verwenden Radartechniken, wie z. B. den Dopplereffekt, um große Zielobjekte in großen Abständen von dem Sensor zu erfassen. Elektromagnetische Einrichtungen nach dem Stand der Technik sind nicht dafür ausgelegt, kleine Gegenstände bei kleinen Abständen zu erfassen, und sie sind sowohl voluminös als auch teuer.
Eine übliche Verwendung eines Näherungserfassungsschaltkreises verfolgt die Drehbewegung eines Zahnrades. Da jeder Zahnradzahn vor dem Näherungserfassungsschaltkreis vorbeiläuft, wird ein wechselndes Signal erzeugt. Die wechselnde Signalspannung ist am größten, wenn der Sensor sich unmittelbar vor der Stirnfläche eines Zahnradzahnes befindet und ist am niedrigsten, wenn er sich dem Zwischenraum zwischen Zahnradzähnen gegenüber befindet. Außerdem ist bei kleinen Toleranzen die Maximalspannung für jeden Zahn dieselbe, und die Minimalspannung ist für jedes Tal bzw. jeden Zwischenraum dieselbe. Daher liegt das Signal immer zwischen diesen beiden Werten.
Wenn das Zahnrad sich mit einer konstanten Geschwindigkeit dreht, so ist das Signal näherungsweise eine Sinuswelle. Der Näherungssensor hat einen eingestellten Bereich, innerhalb dessen Gegenstände seinen Ausgangswert beeinflussen. Wenn der Zahnradzahn oder der Zahnzwischenraum größer sind als der Einflußbereich des Sensors, so wird das von seiner Bewegung herrührende Signal die Tendenz haben, für eine gewisse Zeitdauer bei einem Maximalwert oder bei einem Minimalwert zu verbleiben. Außerdem wird, da die Signalwellenform bei diesen beiden Extrema relativ flach ist, jegliches elektromagnetisches Rauschen von der Umgebung des Sensors oder aus der Nähe der Sensorkomponenten selbst der Wellenform überlagert.
Das Ergebnis ist, daß die Maximal- und Minimalwerte nicht als Triggerpunkte geeignet sind, um in zuverlässiger Weise den Ausgangszustand der Signalbedingungsschaltung zu verändern. Dies liegt daran, daß jeder Peak (jede Spitze) der Rauschspannung bewirken könnte, daß die Signalbedingungsschaltung triggert. Auf dem Signal können jedoch viele dieser Peak-Spannungen vorhanden sein, was irgendeine beliebige Anzahl von Zustandswechseln für einen einzelnen Zahnradzahn bewirken würde. Der beste Punkt zum Triggern liegt irgendwo an einer Stelle in der Mitte zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert. Dies liegt daran, daß die Signalwellenform an dieser Stelle eine große Steigung hat. Dies stellt sicher, daß die Spannung wahrscheinlich immer nur einmal während des Überganges von dem Maximalwert zum Minimalwert den Grenzwert annimmt. Jegliches Rauschen, welches auf dem Signal aufsitzt, verändert sich in seinem Niveau sehr schnell als Folge davon, daß es auf einer großen Steigung aufsitzt. Falls irgendwelches Rauschen während dieser Zeit ein falsches Triggern bewirken würde, so wäre der Fehler, falls überhaupt vorhanden (ausgedrückt in Winkelgraden der Umdrehung), aufgrund der relativ kurzen Zeitdauer, während der das Signal an dem Triggerpunkt verbleibt, relativ klein. Dies ist der Punkt, bei welchem ein Zahnradzahn sich zur Hälfte über die Front des Sensors hinweg bewegt hat.
Eine weitere übliche Aufgabe für einen Näherungssensor ist das Messen des Öffnens und Schließens eines Ventils. Der Sensor wird normalerweise so angeordnet, daß das Ventil sich dem Sensor annähert, wenn es öffnet, und daß es sich von dem Sensor wegbewegt, wenn es sich schließt. Für diese Anwendung sollte der Signalbedingungsschaltkreis seinen Zustand ändern, wenn eine Strömung beginnt und wiederum dann, wenn die Strömung endet. Aufgrund von Trägheitskräften wird das Ventil nicht sofort vollständig geöffnet, sondern beginnt relativ langsam anzusteigen, erreicht seinen Spitzenwert und fällt in seine Ruheposition und kann dann ein oder mehrere Male nachfedern bzw. zurückspringen. Der optimale Grenzwertpunkt für diese Anwandlung liegt unmittelbar oberhalb des Signalwertes, den man erhält, wenn das Signal in seiner Ruheposition ist. Auch hier kann jedoch wieder ein Rauschen vorhanden sein und ein falsches Triggern bewirken und zum zweiten kann das Nachfedersignal bewirken, daß der Signalbedingungsschaltkreis jedesmal, wenn das Ventil zurückspringt, seinen Zustand verändert. Man kann verhindern, daß der Signalbedingungsschaltkreis durch das Rauschen und die Nachfedersignale getriggert wird, indem man den Grenzwert nach etwas oberhalb des Öffnungspunktes verlegt. Dies bereitet bei den meisten Anwendungen kein Problem, da nur wenig Strömung bzw. Durchfluß auftritt, bis das Ventil sich in einem nennenswerten Abstand von seinem Sitz befindet. Der optimale Grenzwert beträgt in diesem Fall näherungsweise 2 bis 10 % der gesamten Ventilbewegung.
Um das Signal in einen Rechteckwellenimpuls umzuwandeln, wird es üblicherweise in einem Komparator mit einer DC-Grenzspannung (Gleichspannung) verglichen. Wenn die Spannung des Signales größer ist als der DC-Grenzwert, so gibt der Komparator üblicherweise einen positiven Impuls aus. Wenn das Signal unter den Grenzwert zurückfällt, geht der Komparator in den Aus-Zustand mit einem Ausgangswert in der Nähe von 0 Volt zurück.
Durch die passende Auswahl der Grenzspannung kann man dafür sorgen, daß der Komparator schaltet, wenn sich das Zielobjekt bei einem bestimmten Prozentsatz des Abstandes zwischen seinen Minimal- und Maximalausschlägen befindet. Der entscheidende Punkt ist die Kenntnis der genauen Signalspannung an diesem Punkt.
Das Problem liegt darin, daß aufgrund von Herstellungstoleranzen, verschiedener Größen und Bewegungen des Zielobjektes und unterschiedlicher Installationen das Signal einen breiten Bereich von Spannungswerten annehmen kann. Die Installation bzw. Installationsbedingungen können unterschiedliche Abstände des Sensors zum Zielobjekt erforderlich machen, und mechanische Toleranzen können bedeuten, daß identische Zielobjekte in ähnlichen Mechanismen sich um unterschiedliche Beträge bewegen. Herstellungstoleranzen des Sensors können zu unterschiedlichen Verstärkungen und inneren Referenzspannungen führen, welche unterschiedliche Signalspannungen von jedem Näherungssensor sowohl bei den Minimal- als auch bei den Maximalauslenkungen identischer Zielobjekte bewirken können. Jegliche stationäre Zielobjekte im Einflußbereich des Näherungssensors tragen außerdem zusätzlich zu der Signalspannung bei.
Wegen dieser Faktoren kann ein Signalminimum und -maximum im Bereich von 4 bis 5 Volt liegen, ein anderes von 3 bis 4 Volt, wiederum ein anderes von 1 bis 1,5 Volt, etc. Aufgabe der Signalbedingungsschaltung ist es, den Unterschied zwischen den Maximal- und Minimalsignalspannungen festzustellen und einen gewissen Prozentsatz dieses Unterschiedes zu verwenden, um eine Grenzspannung zu erzeugen, und um so zu bewirken, daß der Komparator seinen Zustand zu dem passenden Zeitpunkt verändert.
Historisch hat es zwei generelle Methoden für die Lösung dieses Problems gegeben. Der analoge Ansatz versucht dieses Problem zu lösen, indem das Signal durch einen Kondensator hindurchgeschickt wird, um irgendeinen Versatz bzw. Gleichspannungsuntergrund auf 0 Volt zurückzusetzen (Dies bedeutet, daß ein Signal von 4 bis 5 Volt zu einem Signal zwischen 0 und 1 Volt wird, ein Signal von 3 bis 5 Volt zu einem Signal von 0 bis 2 Volt wird, etc.)
Das Problem bei der Hindurchleitung des Signales durch einen Kondensator liegt darin, daß der Kondensator in wirksamer Weise jedes Signal von dem Sensor abblockt, welches eine sehr niedrige Frequenz hat (wie es bei sich sehr langsam bewegenden Zielobjekten der Fall ist). Dies bedeutet, daß das analoge Verfahren nicht für die Erfassung der Geschwindigkeit 0 verwendet werden kann. Unterhalb einer gewissen Bewegungsrate ist der Sensor nicht in der Lage festzustellen, daß sich das Zielobjekt bewegt, da das Signal so nahe an einer gleichförmigen Gleichspannung liegt, daß es nicht durch den Kondensator hindurchgeleitet wird.
Es ist ein digitaler Ansatz betrieben worden, bei welchem das Signal von dem Zielobjekt in eine digitale Zahl umgewandelt wurde, in einem Speicher gespeichert wurde, und dann in eine analoge Spannung zurückverwandelt wurde, um sie als Grenzwert zu verwenden. Die Probleme bei diesem Ansatz sind die folgenden: Er erfordert für seine Verwirklichung eine sehr große Anzahl von Bauteilen, ist also komplex, relativ teuer und hat einen großen Platzbedarf. Das zweite Problem liegt darin, daß er an zwei Umwandlungsungenauigkeiten leidet: Wenn das Signal aus dem analogen in den digitalen Zustand umgewandelt wird und erneut, wenn es aus der digitalen zurück in die analoge Form umgewandelt wird. Die Lösung eines dieser beiden Probleme bewirkt eine Zunahme der Probleme, die durch die andere Bedingung bewirkt werden. Die Gesamtgenauigkeit kann nur verbessert werden, wenn die Zahl der Bauteile exponentiell zunimmt, und die Zahl der Bauteile kann nur vermindert werden, indem die Genauigkeit abnimmt.
Die veröffentlichte internationale Patentanmeldung WO-A-8 500 428 offenbart einen Metalldetektorschaltkreis, der einen Resonanzkreisoszillator aufweist, welcher in der Lage ist, Bewegung mit einer vorbestimmten Frequenz bzw. in einem vorbestimmten Frequenzbereich zu erfassen. Die Versorgungsspannung für den Oszillator wird von einem Rückkoppelungs-Korrekturschaltkreis abgeleitet, der eine Kompensation für stationäres Metall ebenso wie für Metall vorsieht, welches sich mit einer niedrigeren Frequenz an der Sensorspule vorüberbewegt. Die Amplitude des modulierten Signals von dem Oszillator bleibt in seinem Erfassungsbereich näherungsweise konstant.
Das US-Patent US-A-3 925 774 offenbart eine Sensorvorrichtung für die Erzeugung eines Alarmsignales unter Ansprechen auf die Bewegung einer Person oder eines Gegenstandes und auf der Basis des Prinzips des gestörten Feldes. Dementsprechend wird jegliche Bewegung innerhalb des Strahlungsfeldes als ein Audiosignal auf sehr niedrigem Niveau erfaßt, und es wird ein Alarmsignal erzeugt, wenn das Signal einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
Die veröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE-A-2 239 640 offenbart ein elektromagnetisches Alarmsystem für die Erfassung sich bewegender Gegenstände unter Verwendung einer Sende/Empfangs-Antenne.
Eine oder mehrere der Ausführungsformen der weiter unten genauer beschriebenen Ausführungsformen sehen eines oder mehrere der folgenden Merkmale vor:
Ein verbesserter Näherungssensor, der die Bewegung kleiner Zielobjekte erfaßt,
Erzeugen eines resultierenden Ausgangswertes aus dem Erfassen eines Ventils oder Zahnrades, welches ein Rechteckwellenimpuls ist, der seinen Zustand verändert, wenn die überwachte Signalspannung durch einen vorbestimmten Grenzwert hindurchläuft,
Erzeugen eines resultierenden Ausgangswertes von dem Erfassen eines Ventiles oder eines Zahnrades, der eine analoge Wellenform hat, die ihren niedrigsten Wert bei einer Spannung von näherungsweise 0 hat und deren Wert proportional zur Position eines Zielobjektes ist,
Erfassen bzw. Erfühlen der Position eines kleinen Zielobjektes, während die Position des kleinen Zielobjektes von der Position von Gegenständen unterschieden wird, die sich in enger Nachbarschaft zu dem Zielobjekt bewegen,
eine Vereinfachung der Herstellung eines Näherungssensors durch Anbringen einer äußeren Antenne unmittelbar auf einem Chipträger des Sensors,
eine Verpackung bzw. Umhüllung eines Sensors, welche in einfacher Weise an der Wand befestigt werden kann und leicht entfernt werden kann,
Anordnen eines Näherungssensors in einem kleinen Raum bzw. Volumen, welcher die Bewegung eines kleinen Zielobjektes erfassen kann,
Gewinnen der gewünschten Grenzspannung für ein Zielobjekt, welches sich mit irgendeiner Geschwindigkeit bis herab zur Geschwindigkeit Null bewegt, wobei dies ohne eine übermäßige Menge an Bauteilen geschieht,
Vereinfachen der Herstellung eines Sensors, der einen Halbleiterschaltkreis hat, indem der Schaltkreis mit einem Hüllmaterial umgeben wird, welches eine Antenne bildet, und/oder
Einsetzen einer Erfassungsvorrichtung in einen Keramikkegel, der an einem Metallrohr angebracht ist und Anformen des Rohres an einen elektrischen Leiter, um die Sensorvorrichtung an ihrem Platz zu befestigen, während man ermöglicht, daß die Länge des Sensors verändert wird, indem das Metallrohr entsprechend eingestellt wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erfassen von Positionen eines Zielobjektes, welches eine Oberfläche hat, vorgesehen, wobei die Vorrichtung aufweist:
Einrichtungen, die eine Impedanz haben, um Radiofrequenzenergie auf das Zielobjekt in einem Strahl abzustrahlen, der eine vorbestimmte Strahlweite hat, um die Oberfläche des Zielobjektes elektromagnetisch zu laden, so daß die Widerstandskomponente der Impedanz der Strahlungseinrichtung sich unter Ansprechen auf die Veränderungen der Position des Zielobjektes als Folge eines Nahfeldeffektes verändert,
Einrichtungen zum Erfassen der Veränderungen in der Widerstandskomponente der Impedanz der Strahlungseinrichtung, und
Einrichtungen zum Bereitstellen eines Signales, welches anzeigt, daß die Position des Zielobjektes sich verändert hat, unter Ansprechen auf die Änderungen in der Widerstandskomponente der erfaßten Impedanz.
Vorzugweise werden alle Erfassungs- und Signalbedingungsbauteile auf einem einzelnen, integrierten Schaltkreis angeordnet, der das Packen bzw. Anordnen in einer sehr kleinen und preiswerten Einrichtung erlaubt. Auf diese Weise können kleine Hochfrequenzeinrichtungen (die für die Nahbereichserfassung von kleinen Zielobjekten erforderlich sind) in einfacher Weise integriert werden. Der Schaltkreis wird entweder auf einem Siliciumsubstrat mit dielektrischer Isolation (wie z. B. SIMOX, hergestellt von der IBIS Technology Corp., Danvers, Massachusets), um einen Betrieb bei hohen Temperaturen zu gewährleisten, oder in einem Galliumarsenidsubstrat, um einen Betrieb bei hohen Frequenzen zu gewährleisten, um kleinere Zielobjekte zu erreichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt für das Erfassen einer Position eines Zielobjektes, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Abstrahlen von Radiofrequenzenergie in einem Strahl, der eine vorbestimmte Strahlweite hat, und zwar mit einer Antenne, die eine Impedanz hat, indem ein Radiofrequenzsignal an dieser Antenne bereitgestellt wird, so daß das Signal abgestrahlt bzw. reflektiert wird und eine Amplitude hat, die proportional zu der Impedanz der Antenne ist,
Bewegen eines Gegenstandes ausreichend nah an der Antenne, um die Oberfläche des Objektes elektromagnetisch aufzuladen, so daß die Widerstandskomponente der Impedanz der Antenne sich mit Veränderungen in der Position des Objektes als Folge eines Nahfeldeffektes verändert,
Erfassen der Veränderung in der Impedanz der Antenne unter Ansprechen auf Veränderungen in der Position des Objektes, indem Veränderungen in der Amplitude des Radiofrequenzsignales erfaßt werden, und
Bereitstellen eines Signales unter Ansprechen auf die Veränderungen in der Impedanz der Antenne, wodurch angezeigt wird, daß sich die Position des Objektes verändert hat.
Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Beispielen unter Bezug auf die zugehörigen Figuren beschrieben, von denen:
Fig. 1 ein vereinfachtes, schematisches Diagramm des Schaltkreises ist,
Fig. 2a eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht von oben auf die Kegelantennenversion der Sensorbauteile ist, wie sie in einer Umhüllungseinrichtung angeordnet sind, wobei der Umriß der Umhüllungseinrichtung durch die gepunktete Linie wiedergegeben wird,
Fig. 2b eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht des Sensors ist, mit einem Schnitt entlang der Linien 2b-2b in Fig. 2a,
Fig. 3 eine im Schnitt dargestellte Ansicht von oben auf eine alternative Ausführungsform des in Fig. 2a dargestellten Sensors ist, wobei die verwendete Metallplatte als eine Längsstrahlerantenne verwendet wird,
Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht der montierten Sensorspitze ist,
Fig. 5 den montierten Sensor in der Wand eines Gehäuses installiert zeigt,
Fig. 6 eine alternative Ausführungsform der in Fig. 1 dargestellten, das Signal bereitstellenden Einrichtung ist, die ein Signal von dem in Fig. 2a dargestellten Sensor aufarbeitet und ein Ausgangssignal erzeugt, welches beim Erfassen der Position eines Zielobjektes verwendet wird, welches sich bis herab zu Geschwindigkeit Null bewegt,
Fig. 7 eine alternative Ausführungsform der in Fig. 1 dargestellten Signalaufbereitungseinrichtung zeigt, welche ein Signal von dem in Fig. 2a dargestellten Sensor aufbereitet und einen Ausgangsimpuls erzeugt, der bei der Erfassung der Position eines Zielobjektes verwendet wird, welches sich mit Geschwindigkeiten oberhalb der Geschwindigkeit Null bewegt.
Gemäß Fig. 1 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm der Hauptkomponenten 10 des Sensorschaltkreises dargestellt, einschließlich einer Strahlungseinrichtung 12, einer Erfassungseinrichtung 14 und einer Signalbereitstellungseinrichtung 16. Die Strahlungseinrichtung 12 schließt einen Oszillator 22 ein, der Radiofrequenzenergie erzeugt. Der Oszillator 22 kann irgendein Oszillator für Millimeterwellen nach dem Stand der Technik sein, jedoch ist die bevorzugte Ausführungsform eine Lawinen-Laufzeitdiode (IMPATT-Diode), da sie in einfacher Weise in Silizium realisiert werden kann und bei hoher Frequenz und Temperatur arbeitet. Der Oszillator 22 kann aus mehreren ähnlichen Einrichtungen bestehen, die daraufhin optimiert sind, daß sie in verschiedenen Temperaturbereichen bei Radiofrequenzen wirksam sind. Der Oszillator 22 kann auch Leistungsschaltkreise aufweisen, die automatisch eine Temperatur- oder Frequenzverschiebung im Ausgangsniveau des Oszillators 22 kompensieren. Diese verschiedenen Oszillatoren können auch automatisch in den Schaltkreis umgeschaltet werden, wenn sich die Temperatur verändert. Beispiele für den Oszillator 22 können Elektronenübertragungseinrichtungen, IMPATT-Dioden, gesteuerte Lawinenlaufzeitdioden mit lokalisiertem Plasma, Tunneldioden, Feldeffekttransistoren, bipolare Transistoren, Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit oder irgendeinen anderen Festkörperoszillator umfassen. Viele Beispiele von IMPATT-Oszillatoren, die man in monolithischen Schaltkreisen erhalten kann, sind im Stand der Technik wohlbekannt und sind aus IMPATT-Dioden zusammengesetzt, die in planarer Ausgestaltung hergestellt werden und von einem monolithischen Ringinduktor oder anderen erforderlichen Elementen umgeben sind. Beispiele dafür, wie diese IMPATT- Dioden hergestellt und ausgestaltet werden, sind in dem Kapitel über "Siliziumeinrichtungen für Millimeterwellen" von P. Russer in Vacuum, Band 41, Nr.4-6, Seiten 1033-1037 (1990) und in den darin zitierten Quellen beschrieben, veröffentlicht von Pergamon Press.
Das Energieniveau des Oszillators 22 wird niedrig gehalten (unter 500 mW Gesamtenergie), um die Wärmeerzeugung zu vermindern und dadurch die Lebensdauer der Schaltkreisbestandteile zu vergrößern. Die Frequenz des Oszillators 22 liegt vorzugsweise in dem Bereich von 50 bis 150 GHz und wird so ausgewählt, daß die Wellenlänge der Radiofrequenzenergie, die von der Antenne 28 ausgesandt wird, weniger ist als der kleinste Abstanf oder gleich dem kleinsten Abstand auf der Vorderfläche eines Zielobjektes 30 ist. Ein solches Zielobjekt ist ein Zahnrad 31 mit einem Zahnzwischenraum 31a und einem Zahnradzahn 31b.
Die Strahlungseinrichtung 12 umfaßt auch einen Modulator 20 und einen Richtungskoppler 24. Das Ausgangssignal von dem Oszillator 22 wird durch den Modulator 20 moduliert. Die Modulationsfrequenz ist vorzugsweise größer als die Wechselfrequenz der Bewegung des Zielobjektes 30 und wird so ausgewählt, daß niederfrequentes Rauschen, welches durch Schaltkreisbauteile erzeugt wird, eliminiert wird. Das Modulieren des Ausgangssignales des Oszillators 22 auf ein Taktverhältnis bzw. einen Arbeitszyklus von 50/50 oder weniger vermindert die erzeugte Wärme und reduziert die Leistungsanforderungen an den Sensor. Das modulierte Radiofrequenzausgangssignal wird dann durch den Ausgangsanschluß des Richtungskopplers 24 zu der Antenneneinrichtung 28 geleitet, die durch einen Bezugspunkt 29 abstrahlt. Die Antenne 28 ist durch leitfähiges Epoxid mit dem Richtungskoppler 24 über die Unterlage 26 verbunden.
Die Antenne 28 sendet dann das modulierte Radiofrequenzsignal durch einen Spalt zwischen der Antenne 28 und einem Gegenstand oder Zielobjekt 30. Das Radiofrequenzsignal lädt die Oberfläche des Zielobjektes 30 auf. Die Menge an Energie, die in dem reflektierten, modulierten Radiofrequenzsignal enthalten ist, hängt von der Zusammensetzung des Zielobjektes 30 und von dem Abstand zwischen dem Zielobjekt 30 und der Antenne 28 ab. Vorzugsweise sollte das Zielobjekt 30 ein elektrischer Leiter, ein Halbleiter oder ein Eisenmaterial sein. Man erkennt, daß die Impedanz der Antenne 28 sich als Funktion des Abstandes des Zielobjektes 30 zu der Antenne 28 verändert. Das modulierte Radiofrequenzsignal wird teilweise von der Antenne 28 zurück in den Richtungskoppler 24 reflektiert. Aufgrund der Richteigenschaft des Richtungskopplers 24 geht der größte Teil dieser Energie nicht zurück in den Oszillator 22 sondern wird der Erfassungseinrichtung 14 zugeführt.
Die Erfassungseinrichtung 14 schließt einen Detektor 32 und einen Tiefpaßfilter 34 ein. Der Detektor 32 bewirkt eine Gleichrichtung der Wechselspannung von dem Richtungskoppler 24 zu einem Gleichspannungssignal, welches direkt proportional zu dem Abstand des Zielobjektes 30 zur Antenne 28 ist. Der Tiefpaßfilter 34 läßt nur das vorbestimmte Niederfrequenzsignal hindurch, welches proportional zu dem Abstand von dem Zielobjekt 30 zu der Antenne 28 ist und blockiert das Hochfrequenzradiosignal von dem Oszillator 22 und das Modulationssignal von dem Modulator 20. Das Gleichspannungssignal wird dann zu der Signalbereitstellungseinrichtung 16 geleitet.
Der Ausgang des Signalaufbereiters 38 ist mit einem Stromregulierungsnetzwerk 44 verbunden, welches aus der Transistorstufe 46 und dem Ausgangswiderstand 48 besteht. Das Stromregulierungsnetzwerk 44 kann auch aus einem Multiplexschaltkreis bestehen, der im Stand der Technik wohlbekannt ist, oder der später noch definiert werden kann. Dieses Netzwerk wird parallel zu dem Sensor und in Reihe mit der Stromversorgung durch einen externen Stromerfassungswiderstand 20 angeordnet. Das Stromregulierungsnetzwerk 44 bewirkt, daß ein Stromsignal durch den externen Widerstand 60 überbrückt wird, während das Zielobjekt durch seinen Bewegungsbereich hindurchläuft und, wie durch den Signalaufbereiter festgelegt wird, entweder ein analoges Signal ist, das proportional zu der Position des Zielobjektes ist, oder ansonsten ein digitaler Impuls ist, der schaltet, während das Zielobjekt durch eine vorbestimmte Position hindurchläuft. Dieser Strom bewirkt, daß sich ein Spannungsabfall über dem externen Widerstand 60 ändert. Eine externe Spannungsüberwachungsausrüstung erfaßt dann diese Spannungsänderung, um die Position des Zielobjektes 30 zu bestimmen. Die Sensorkomponenten 10 sind mit dem leitfähigen Epoxid an den Unterlagen bzw. Schichten 50 und 52 mit Ausgangsdrähten 54 bzw. 56 verbunden, die heraus durch den Sensoranschluß 58 zu den externen Stromversorgungs- und Signalüberwachungsschaltkreisen verlaufen. Der Sensoranschluß 58 besteht aus zwei elektrischen Verbindungselementen vom Einstecktyp.
Gemäß den Figuren 2a und 2b ist die konische Antennensensorvorrichtung 74 dargestellt, welche die oben beschriebenen Hauptschaltkreiskomponenten einschließt, die auf dem Chip 62 ausgebildet sind. Der Chip 62 ist mit einem leitfähigen Epoxid an den Unterlagen 50 und 52 mit Ausgangsdrähten 54 bzw. 56 verbunden. Die Drähte 54 und 56 sind am Ende abgeflacht, um einen größeren Oberflächenbereich für den Kontakt mit den Unterlagen 50 und 52 bereitzustellen, um die Festigkeit der Verbindung zu erhöhen. Der Chip 62 ist in ein Kapselmaterial 64 eingeschlossen, welches vorzugsweise dasselbe Material ist, welches beim Formen der dielektrischen Kegelantenne 28a verwendet wird. Der Chip 62 und seine zugehörigen Bauteile können also in einem Formungsvorgang eingekapselt werden, wodurch die Erfassungsvorrichtung 74 und 76, wie sie in den Fig. 2a, 2b und in Fig. 3 dargestellt ist, gebildet wird. Es versteht sich, daß es vorteilhaft sein kann, einige der Bestandteile von dem Aufbau des Chips 62 zu entfernen und die entfernten Komponenten, wie z. B. einen (nicht dargestellten) Resonator in dem Oszillator 22 mit dem Aufbau der Antenne 28, zu kombinieren.
Für die Antenne 28 gibt es zwei bevorzugte Ausführungsformen. Die erste ist die kegelförmige Antennenerfassungsvorrichtung 74, welche einen Modenwandlerring 66 verwendet, der mit einer dielektrischen Kegelantenne 28a verbunden ist. Der Modenwandlerring 66 ist an dem Richtungskoppler 24 angebracht, und zwar über einen Metallstreifen 68, der mit leitfähigem Epoxid an einer Verbindungsunterlage 26 angeheftet ist und an seinem abgelegenen Ende an dem Modenwandlerring 66.
Die zweite Ausführungsform ist eine Erfassungsvorrichtung 76 mit Längsstrahlerantenne, die eine Metallplatte verwendet, welche eine Längsstrahlerantenne 28b bildet. Die Auswahl der Antenne 28 (a oder b) hängt von der Größe des zu erfassenden Zielobjektes ab und von Einschränkungen, die bezüglich der Länge des Sensors bestehen. Die dielektrische Kegelantenne 28a hat eine schmalere Strahlbreite und kann daher ein kleineres Zielobjekt erfassen, ist jedoch beträchtlich länger als die Längsstrahlerantenne 28b. Die Ausgangsdrähte 54 und 56, der Modenwandlerring 66 und die Längsstrahlerantenne 28b sind über ein leitfähiges Epoxid an dem Chip 62 angebracht.
Gemäß Fig. 4 ist eine Erfassungsvorrichtung 64, wie sie in den Fig. 2a und 2b dargestellt ist, in ein Edelstahlrohr 80 eingesetzt, um einen Sensor 86 zu bilden. Wie in Fig. 4 dargestellt, ist das Ende des Edelstahlrohres 80 mit einer Keramikkappe 84 verschlossen, die an das Ende des Edelstahlrohres 80 an dem Ringbereich 82 hart angelötet ist und so eine hermetisch dichte Verbindung bildet. Auf diese Weise sind alle Sensorkomponenten 10 von Verunreinigungen abgeschirmt, die in der erfaßten Umgebung vorhanden sein mögen. Die keramische Kappe 84 ist für Mikrowellen- und Millimeterwellensignale durchlässig.
Gemäß Fig. 5 ist das Edelstahlrohr 80 in einen elektrischen Anschlußkorpus 88 eingeformt bzw. eingegossen. Ausgangsdrähte 54 und 56 (Fig. 4) sind mit (nicht sichtbaren) Anschlußblättern 58 in dem elektrischen Anschlußkorpus 88 verbunden, vorzugsweise unter Verwendung von im Stand der Technik bekannten Schweißtechniken. Spiralförmige Widerhaken 96 sind während des Formungs- bzw. Gießvorganges oberhalb des oberen Endabschnittes des Edelstahlrohres 80 gebildet, so daß sie ein einstückiges Teil des Anschlußkorpus 88 bilden. Ein zylindrischer Abschnitt 90 wird während des Gießvorganges zwischen den spiralförmigen Widerhaken 86 und dem Anschlußkorpus 88 gebildet. Das Gießmaterial tritt auch in das Edelstahlrohr 80 ein und sichert die Erfassungsvorrichtung 74. Ein synthetischer Gummistopfen 92 oder irgendein Stopfen, der federnd nachgiebiges Material verwendet, ist in einer Öffnung 104 in der Gehäusewand 102 in einer Position angeordnet, um das sich bewegende Zielobjekt zu erfassen.
Der Sensor 86 wird folgendermaßen installiert. Zunächst wird eine einfache Öffnung 104 in die Gehäusewand 102 gebohrt. In diese Öffnung 104 wird der Gummistopfen 92 bis zu dem Punkt eingesetzt, in welcher seine Schulter 106 auf der Wand 102 aufsitzt. Am Ende des Abschnittes des Gummistopfens 94, welcher in die Wand 102 eingesetzt werden soll, ist ein konischer Abschnitt 98 mit einer kleinen Schulter 100 vorgesehen. Der konische Abschnitt 98 ist derart angeordnet, daß nach dem Einsetzen des Stopfens 92 die kleine Schulter 100 sich in Querrichtung über den Durchmesser des Loches in der Wand 102 ausdehnt und dadurch den Stopfen 92 in dem Loch arretiert und verhindert, daß er herausgezogen wird.
Nachdem der Gummistopfen 92 in das Loch eingesetzt worden ist, wird der gesamte Sensoraufbau in die zentrale Öffnung 94 in dem Stopfen 92 eingesetzt. Der Durchmesser der zentralen Öffnung 94 in dem Stopfen 92 wird so ausgewählt, daß die Seiten der zentralen Öffnung 94 mit den Widerhaken 96 und dem zylindrischen Abschnitt 90 des Sensors 86 in Preßeingriff treten. Durch diese Preßpassung dehnt sich der Gummistopfen 92 aus, wenn der Sensor 86 eingesetzt wird und sichert damit den Stopfen 92 und den Sensoraufbau in der Öffnung 104 der Gehäusewand 102. Der oben beschriebene Einsetzvorgang dichtet die Öffnung 104 gegen Fluide ab, die in der zu erfassenden Umgebung vorhanden sind, so daß diese nicht durch ein Leck in der Wand 102 austreten, und auch gegen eine Verunreinigung, die außerhalb vorhanden sein mag.
Um die Abdichtung zwischen dem Gummistopfen 92 und dem Sensor 86 zu verbessern, ist der zylindrische Abschnitt 96 vorgesehen, so daß jegliche Fluide, die zwischen dem Gummistopfen 92 und den Widerhaken 96 eintreten mögen, nicht durch die Öffnung 94 hindurchtreten können.
Während der Sensor 86 einfach durch Einsetzen desselben in die Öffnung 94 des Gummistopfens 92 installiert werden kann, kann er wegen der Widerhaken 96 nicht auf dieselbe Art und Weise entfernt werden, sondern der Sensor 86 muß durch Herausschrauben entfernt werden, wodurch eine Sicherheit gegen ein zufälliges Herausziehen gewährleistet wird.
Alle elektronischen Bauteile mit Ausnahme des Modenwandlerringes 66 (falls dieser verwendet wird) und der Antenne 28 (a oder b) sind auf demselben monolithischen integrierten Schaltkreis in einer kompakten elektronischen Anordnung bzw. Packung auf dem Chip 62 aufgebaut. Der integrierte Schaltkreis schließt ein Siliciumsubstrat mit einer dielektrischen Isolation ein, die vorzugsweise aus SIMOX besteht, um einen Betrieb bei hohen Temperaturen bereitzustellen, oder aus Galliumarsenid, um einen Betrieb mit hoher Frequenz bereitzustellen.
Gemäß den Fig. 1 und 6 sind bevorzugte Signalaufbereitungseinrichtungen 38 (Fig. 1) dargestellt, die einen Eingangsanschluß 40 (Fig. 6) und einen Ausgangsanschluß 42 haben. Der Eingangsanschluß 40 ist mit einer Erfassungseinrichtung 14 (Fig. 1) verbunden. Die Signalaufbereitungseinrichtung 38 legt angemessene hohe und niedrige Spannungen an den Grenzwertauswahlwiderständen R&sub5;&sub0;&sub0;&sub2;, R&sub5;&sub0;&sub0;&sub4; und R&sub5;&sub0;&sub0;&sub6; an, indem sie an zwei Busleitungen angeordnet werden, dem Bus Hi 200 und dem Bus Lo 300. Die Signalaufbereitungseinrichtung 38 umfaßt eine Mehrzahl von Komparatoren U&sub1;&sub0;&sub0;-U&sub1;&sub0;&sub8;, die über Logikelemente 2000-2008, Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub0;-U&sub6;&sub0;&sub8; und Bustreiber 4000-4008 verbunden sind. Die Logikelemente 2000-2008 schließen Inverter U&sub2;&sub0;&sub0;- U&sub2;&sub0;&sub6;, UND-Gatter U&sub3;&sub0;&sub2;-U&sub3;&sub0;&sub8;, U&sub4;&sub0;&sub2;-U&sub4;&sub0;&sub8; und U&sub5;&sub0;&sub2;-U&sub5;&sub0;&sub8; sowie Dioden D&sub2;&sub0;&sub2;-D&sub2;&sub0;&sub8;, D&sub3;&sub0;&sub2;-D&sub3;&sub0;&sub6;, D&sub4;&sub0;&sub2;-D&sub4;&sub0;&sub6;, D&sub5;&sub0;&sub0;-D&sub5;&sub0;&sub6;, D&sub6;&sub0;&sub2;-D&sub6;&sub0;&sub6; und D&sub7;&sub0;&sub2;-D&sub7;&sub0;&sub8; ein.
Die Signalaufbereitungseinrichtung 38 vergleicht das Signal an dem Eingangsanschluß 40 mit der an jeder Busleitung (200, 300) schon vorhandenen Spannung und schaltet die Busspannung je nach dem Bedarf höher oder tiefer, bis die Busleitung Hi 200 mit der höchsten Signalspannung an dem Eingangsanschluß 40 zusammenpaßt und die Spannung an dem Bus Lo 300 mit der niedrigsten Signalspannung an dem Eingangsanschluß 40 zusammenpaßt. Der Betrieb der Signalaufbereitungseinrichtung 38 ist folgendermaßen:
Das Signal von der Erfassungseinrichtung 14 an dem Eingangsanschluß 40 wird an dem " + "-Eingang einer Reihe von Komparatoren (U&sub1;&sub0;&sub0;-U&sub1;&sub0;&sub8;) angelegt. Dieses Signal wird als Eingangssignal bezeichnet. An jedem Grenzwerteingang "-" dieser Komparatoren (U&sub1;&sub0;&sub0;-U&sub1;&sub0;&sub8;) liegt eine Spannung, die von einem Spannungsteilernetzwerk 1000 abgenommen wird, welches eine Reihe von Dioden (D&sub1;&sub0;&sub0;-D&sub1;&sub1;&sub2;) einschließt. Diese Dioden sind durch eine positive Spannung von VCC über den Widerstand R&sub1;&sub0;&sub0;&sub0; vorgespannt. An jeder Diode liegt, wenn sie vorgespannt ist, eine Spannung von etwa 0,7 Volt. Die Grenzspannung an jedem Komparator (U&sub1;&sub0;&sub0;-U&sub1;&sub0;&sub8;) ist daher um etwa 0,7 Volt höher als bei demjenigen darunter. Im Ergebnis ist jeder Komparator (U&sub1;&sub0;&sub0;-U&sub1;&sub0;&sub8;) an (Ausgangswert hoch), wenn die Spannung des Eingangssignales höher ist als seine Grenzwertspannung. Alle Komparatoren, die eine Grenzwertspannung unter der Signalspannung haben, sind an und all jene Komparatoren, die eine Grenzwertspannung haben, die über dieser Eingangssignalspannung liegen, sind aus. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung 3,75 Volt wäre, so wären der Komparator U&sub1;&sub0;&sub4; und alle Komparatoren darunter (U&sub1;&sub0;&sub6; und U&sub1;&sub0;&sub8;) an und alle Komparatoren darüber (U&sub1;&sub0;&sub0; und U&sub1;&sub0;&sub2;) wären aus.
Der Ausgang jedes Komparators (U&sub1;&sub0;&sub0;-U&sub1;&sub0;&sub8;) verläuft zu Logikelementen 2000- 2008. Ein Ausgang verläuft direkt in ein UND-Gatter (U&sub3;&sub0;&sub2;-U&sub3;&sub0;&sub8;) in einem der Logikelemente und der andere verläuft zu einem Inverter (U&sub2;&sub0;&sub0;-U&sub2;&sub0;&sub6;), dann in einen Eingang eines UND-Gatters darunter (U&sub3;&sub0;&sub2;-U&sub3;&sub0;&sub8;) in ein anderes der Logikelemente. Der Ausgang des Komparators U&sub1;&sub0;&sub0; verläuft direkt durch das Logikelement 2000 zu dem Flip-Flop U&sub6;&sub0;&sub0;. An nur einem Punkt sind beide Eingänge zu irgendeinem der UND-Gatter (U&sub3;&sub0;&sub2;- U&sub3;&sub0;&sub8;) hoch. Dies sind die Eingänge desjenigen UND-Gatters, welches an dem Komparator angeschlossen ist mit einem Eingangssignal, welches höher als der Grenzspannungswert des Komparators ist, jedoch niedriger als die Grenzwertspannung des Komparators darüber. Der Komparator, der den unteren Eingang des UND-Gatters versorgt, liefert eine hohe Spannung (ein) und der Komparator darüber ist aus, liefert also einen niedrigen Zustand für den Inverter (U&sub2;&sub0;&sub0;-U&sub2;&sub0;&sub6;) darunter, so daß dieser seinerseits dem UND- Gatter darunter einen hohen Zustand liefert.
Für das obige Beispiel ist bei einem Signal von 3,75 Volt der Komparator U&sub1;&sub0;&sub4; an, U&sub1;&sub0;&sub2; ist aus, und das UND-Gatter 304 ist an. Kein anderes UND-Gatter (U&sub3;&sub0;&sub2;-U&sub3;&sub0;&sub8;) ist an. Alle Komparatoren (U&sub1;&sub0;&sub4;, U&sub1;&sub0;&sub6; und U&sub1;&sub0;&sub8;) unter dem Komparator U&sub1;&sub0;&sub2; sind an und geben einen hohen Zustand bzw. ein hohes Signal an den Inverter darunter (U&sub2;&sub0;&sub4; und U&sub2;&sub0;&sub6;), welcher einen niedrigen Zustand bzw. ein niedriges Signal an den UND-Gattern (U&sub3;&sub0;&sub6; und U&sub3;&sub0;&sub8;) darunter anlegt. Keiner der Komparatoren U&sub1;&sub0;&sub0;-U&sub1;&sub0;&sub8; oberhalb des Komparators U&sub1;&sub0;&sub4; ist an, was dem UND-Gatter U&sub3;&sub0;&sub2; oder dem Flip-Flop U&sub6;&sub0;&sub0;, der direkt an dem Ausgang des Komparators U&sub1;&sub0;&sub0; angeschlossen ist, einen niedrigen Zustand bzw. ein niedriges Signal liefert.
Der Komparator U&sub7;&sub0;&sub0;&sub0; vergleicht die Signalspannung am Eingang 40 und geht in einen hohen Zustand, wenn die Signalspannung höher ist als die Spannung an dem Bus Hi 200. Der Ausgang des Komparators U&sub7;&sub0;&sub0;&sub0; ist mit den UND-Gattern U&sub4;&sub0;&sub2;-U&sub4;&sub0;&sub8; verbunden. Der Ausgang jedes UND-Gatters, welches in der Reihe von UND-Gattern (U&sub3;&sub0;&sub2;- U&sub3;&sub0;&sub8;) an ist, wird über Steuerdioden D&sub2;&sub0;&sub2;-D&sub2;&sub0;&sub8; ebenfalls an den UND-Gattern U&sub4;&sub0;&sub2;-U&sub4;&sub0;&sub8; angelegt. Der Ausgang der UND-Gatter U&sub4;&sub0;&sub2;-U&sub4;&sub0;&sub8; wird dann durch Leit- bzw. Steuerdioden D&sub3;&sub0;&sub2;-D&sub3;&sub0;&sub8; an den UND-Gattern U&sub4;&sub0;&sub2;-U&sub4;&sub0;&sub8; oben angelegt, ebenso wie über Steuerdioden D&sub8;&sub0;&sub0;-D&sub8;&sub0;&sub8; an dem Rückstelleingang des Flip-Flops (U&sub6;&sub0;&sub0;-U&sub6;&sub0;&sub8;) darüber. Wenn die Signalspannung am Eingang 40 größer ist als die Spannung an dem Bus Hi 200, stellt eines der Logikelemente 2000-2008 alle Flip-Flops (U&sub6;&sub0;&sub0;-U&sub6;&sub0;&sub5;) darüber zurück.
Der Komparator U&sub6;&sub0;&sub0;&sub0; vergleicht die Signalspannung am Eingang 40 und geht in einen hohen Ein-Zustand, wenn die Signalspannung niedriger ist als die Spannung auf dem Bus Lo 300. Der Ausgang des Komparators U&sub6;&sub0;&sub0;&sub0; wird mit UND-Gattern U&sub5;&sub0;&sub2;-U&sub5;&sub0;&sub8; verbunden. Der Ausgang jedes UND-Gatters, welches in der Reihe von UND-Gattern (U&sub3;&sub0;&sub2;-U&sub3;&sub0;&sub8;) an ist, wird außerdem über Steuerdioden D&sub4;&sub0;&sub2;-D&sub4;&sub0;&sub6; an UND-Gattern U&sub5;&sub0;&sub2;- U&sub5;&sub0;&sub8; angelegt. Der Ausgang des Komparators U&sub1;&sub0;&sub0; wird direkt mit dem UND-Gatter U&sub5;&sub0;&sub2; verbunden und mit dem Einstelleingang des Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub0;. Der Ausgang der UND-Gatter U&sub5;&sub0;&sub2;-U&sub5;&sub0;&sub8; wird dann über Steuerdioden D&sub6;&sub0;&sub2;-D&sub6;&sub0;&sub8; an UND-Gattern U&sub5;&sub0;&sub2;-U&sub5;&sub0;&sub8; darunter angelegt ebenso wie über Steuerdioden D&sub7;&sub0;&sub2;-D&sub7;&sub0;&sub8; an dem Rückstelleingang des Flip-Flops (U&sub6;&sub0;&sub0;-U&sub6;&sub0;&sub8;) darunter. Wenn die Signalspannung an dem Eingang 40 weniger beträgt als die Spannung an dem Bus Lo 300, stellt eines der Logikelemente 2000-2008 alle Flip- Flops (U&sub6;&sub0;&sub0;-U&sub6;&sub0;&sub8;) darunter zurück.
Einer der beiden Komparatoren U&sub7;&sub0;&sub0;&sub0; oder U&sub6;&sub0;&sub0;&sub0; ist an, wenn das Eingangssignal sich oberhalb oder unterhalb seines angemessenen Busspannungsniveaus befindet. Für das obige Beispiel mit einer Signalspannung von 3,75 Volt und unter Annahme einer Bus Hi 200-Spannung von 2,1 Volt ist der Komparator U&sub1;&sub0;&sub4; an, der Komparator U&sub1;&sub0;&sub2; ist aus, das UND-Gatter U&sub3;&sub0;&sub4; ist an, der Komparator U&sub7;&sub0;&sub0;&sub0; ist an und die UND-Gatter U&sub4;&sub0;&sub4; und U&sub4;&sub0;&sub2; sind an. Unter der Annahme einer Bus Lo 300-Spannung von 4,5 Volt ist der Komparator U&sub1;&sub0;&sub4; an, der Komparator U&sub1;&sub0;&sub2; ist aus, das UND-Gatter U&sub3;&sub0;&sub4; ist an, der Komparator U&sub6;&sub0;&sub0;&sub0; ist an und die UND-Gatter U&sub5;&sub0;&sub6; und U&sub5;&sub0;&sub8; sind an. Im Ergebnis wird nur das Flip-Flop U&sub6;&sub0;&sub4; gesetzt, während alle anderen Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub0;, U&sub6;&sub0;&sub2;, U&sub6;&sub0;&sub4; und U&sub6;&sub0;&sub8; in den Aus-Zustand zurückgesetzt sind.
An dem Q-Ausgang jedes Flip-Flops (U&sub6;&sub0;&sub0;-U&sub6;&sub0;&sub8;) ist der Kontrolleingang für die Bustreiber 4000-4008 angebracht, die jeweils einen Satz von Analogschaltern Q&sub2;&sub0;&sub0;-Q&sub2;&sub0;&sub8; haben, deren Ausgänge an dem Bus Hi 200 angebracht sind, und einen Satz von Analogschaltern Q&sub3;&sub0;&sub0;-Q&sub3;&sub0;&sub8; haben, deren Ausgänge an dem Bus Lo 300 über Dioden D&sub9;&sub0;&sub0;-D&sub9;&sub0;&sub8; angebracht sind. Vorzugsweise schließen die Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub0;-Q&sub2;&sub0;&sub8; NPN-Transistoren ein. Der Steuereingang für die Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub0;-Q&sub2;&sub0;&sub8; und die Analogschalter Q&sub3;&sub0;&sub0;- Q&sub3;&sub0;&sub8; bestehen aus den Widerständen R&sub2;&sub0;&sub0;-R&sub2;&sub0;&sub8; bzw. den Widerständen R&sub3;&sub0;&sub0;-R&sub3;&sub0;&sub8;. Die Spannung, die durch die Analogschalter eingeschaltet wird, wird an dem Kollektor angelegt und wird mit dem Spannungsteilernetzwerk 5000 am oberen Ende des Widerstandes R&sub5;&sub0;&sub0;&sub2; oder am unteren Ende des Widerstandes R&sub5;&sub0;&sub0;&sub6; angeschlossen, entsprechend dem höchsten oder dem niedrigsten Signalniveau, wie es durch den passenden Komparator U&sub1;&sub0;&sub0;-U&sub1;&sub0;&sub8; erfaßt wird. Wenn der Ausgang des passenden Flip-Flops, U&sub6;&sub0;&sub0;- U&sub6;&sub0;&sub8; in den hohen Zustand geht, wird ein Analogschalter in der Gruppe Q&sub2;&sub0;&sub0;-Q&sub2;&sub0;&sub8; und der entsprechende Schalter in der Gruppe Q&sub3;&sub0;&sub0;-Q&sub3;&sub0;&sub8;, die an jedem Bus angebracht sind, eingeschaltet, so daß die Kollektorspannung an dem Bus angelegt wird.
Der Rückstellschaltkreis 3000, der aus R&sub3;&sub0;&sub0;&sub2;&sub1; C&sub3;&sub0;&sub0;&sub2;, Q&sub3;&sub0;&sub0;&sub2; und R&sub3;&sub0;&sub0;&sub4; zusammengesetzt ist, legt zusammen mit den Steuerdioden D&sub8;&sub0;&sub0;-D&sub8;&sub0;&sub8; einen hohen Zustand für eine kurze Zeit an die Rückstelleingänge aller Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub0;-U&sub6;&sub0;&sub8;, wenn die Stromversorgung für die Signalaufbereitsungseinrichtung 38 anfänglich eingeschaltet wird. Dies funktioniert folgendermaßen: Die VCC-Spannung wird an dem R&sub3;&sub0;&sub0;&sub2; angelegt und läßt einen Strom durch den Kondensator C&sub3;&sub0;&sub0;&sub2; fließen. Anfänglich gibt es keinen Spannungsabfall an dem Kondensator C&sub3;&sub0;&sub0;&sub2;, so daß eine niedrige Spannung an der Basis des Transistors Q&sub3;&sub0;&sub0;&sub2; angelegt wird. Dies schaltet den Transistor Q&sub3;&sub0;&sub0;&sub2; ein und erlaubt es, daß die Spannung VCC an seinem Emitter aufgebracht wird. Diese Spannung VCC wird über die Steuerdioden D&sub8;&sub0;&sub0;-D&sub8;&sub0;&sub8; an den Rückstelleingängen der Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub0;-U&sub6;&sub0;&sub8; angelegt und dient dazu, alle Q-Ausgänge auf einen niedrigen Wert zu setzen. Nach einer gewissen Zeit, die durch die Zeitkonstante des Widerstandes R&sub3;&sub0;&sub0;&sub2; und des Kondensators C&sub3;&sub0;&sub0;&sub2; festgelegt wird, wird die Spannung an dem Kondensator C&sub3;&sub0;&sub0;&sub2; hoch genug, um den Transistor Q&sub3;&sub0;&sub0;&sub2; umgekehrt vorzuspannen und den hohen Zustand von seinem Emitter zu entfernen. Dies erlaubt es dann den Logikelementen 2000-2008, den Zustand der Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub0;- U&sub6;&sub0;&sub8; zu steuern. Dies stellt sicher, daß während des anfänglichen Starts keines der Flip- Flops U&sub6;&sub0;&sub0;-U&sub6;&sub0;&sub8; an ist, bis man zuläßt, daß die Spannungsniveaus ihre wahren Betriebszustände annehmen, wodurch ein Verriegelungszustand verhindert wird.
Der Widerstand R&sub1;&sub0;&sub0;&sub0; dient dazu, während der anfänglichen Rückstellung die Spannung des Busses Hi 200 auf einen niedrigen Wert zu bringen und dient auch dazu, bei der Vorwärtsvorspannung der Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub0;-Q&sub2;&sub0;&sub8; zu helfen. Der Widerstand R&sub2;&sub0;&sub0;&sub0; bringt während des anfänglichen Rückstellens den Bus Lo 300 in einen hohen Zustand und hilft auch bei der Vorwärtsvorspannung der Dioden D&sub9;&sub0;&sub0;-D&sub9;&sub0;&sub8;. Der Widerstand R&sub1;&sub0;&sub0;&sub0;, in Verbindung mit den Basis-Emitterübergängen der Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub0;- Q&sub2;&sub0;&sub8;, dient dazu, eine Vorspannung bereitzustellen, die es im Ergebnis erlaubt, daß der Bus Hi 200 nur die höchste Spannung der Analogschalter auswählt, unabhängig davon, wie viele Analogschalter eingeschaltet sind. Dies geschieht deshalb, da, falls irgendwelche zwei Analogschalter eingeschaltet sein sollten, die von dem Analogschalter mit dem niedrigeren Spannungsniveau angelegte Spannung einen niedrigeren Wert hätte als die von dem darüber befindlichen Analogschalter angelegte Spannung. Diese niedrigere Spannung hätte die Tendenz, den Schalter darüber einzuschalten, da der Basis-Emitterübergang noch mehr vorgespannt werden würde. Dieses stellt sicher, daß die höhere Spannung an dem Bus Hi 200 angelegt wird. Diese höhere Spannung spannt ihrerseits alle Basis-Emitterübergänge der Analogschalter darunter in umgekehrter Richtung vor. Der Widerstand R&sub1;&sub0;&sub0;&sub0; stellt einen Pfad für den Vorspannstrom nach Masse bereit, welcher durch den passenden Basis-Emitterübergang der Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub0;-Q&sub2;&sub0;&sub8; verläuft und ermöglicht, daß er einschaltet.
Eine ähnliche Situation tritt an dem Bus Lo 300 auf, jedoch sind Dioden D&sub9;&sub0;&sub0;-D&sub9;&sub0;&sub8; die passenden Vorspannübergänge. Dies ermöglichst es, daß die Spannung an dem Bus Lo 300 die niedrigste wird, die von einem der Analogschalter Q&sub3;&sub0;&sub0;-Q&sub3;&sub0;&sub8; eingeschaltet wird. Dies erlaubt wiederum, daß irgendeine Anzahl der Analogschalter eingeschaltet ist, wobei der Analogschalter, welcher den niedrigsten Wert von diesen hat, mit dem Bus Lo 300 verbunden bzw. an diesem angelegt wird. Dies geschieht folgendermaßen: Sollten irgendwelche zwei Analogschalter Q&sub3;&sub0;&sub0;-Q&sub3;&sub0;&sub8; eingeschaltet sein, so spannt der Analogschalter mit der niedrigeren angelegten Spannung alle Dioden D&sub9;&sub0;&sub0;-D&sub9;&sub0;&sub8; darüber in umgekehrter Richtung vor, was sie im Ergebnis ausschaltet und nicht erlaubt, daß die höhere Spannung an den Bus Lo 300 weitergeleitet wird. Sollte irgendein höherer Analogschalter Q&sub3;&sub0;&sub0;-Q&sub3;&sub0;&sub8; eingeschaltet sein, so spannt der Analogschalter Q&sub3;&sub0;&sub0;-Q&sub3;&sub0;&sub8; alle Dioden D&sub9;&sub0;&sub0;-D&sub9;&sub0;&sub8; darunter in Vorwärtsrichtung vor und erlaubt, daß deren Spannung an dem Bus Lo 300 angelegt wird.
Ein beispielhafter Betrieb der Signalaufbereitungseinrichtung 38 ist der folgende: Wenn die Signalaufbereitseinrichtung 38 anfänglich eingeschaltet wird, setzt der Rückstellschaltkreis 3000 alle Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub0;-U&sub6;&sub0;&sub8; zurück, so daß also keiner der Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub0;-Q&sub2;&sub0;&sub8; oder Q&sub3;&sub0;&sub0;-Q&sub3;&sub0;&sub8; eingeschaltet ist, um Spannung an dem Bus Hi 200 oder dem Bus Lo 300 anzulegen. Der Widerstand R&sub1;&sub0;&sub0;&sub0; stellt einen Pfad nach Masse bereit, um den Bus Hi 200 auf einen niedrigen Wert (0 Volt) herabzuziehen, und der Widerstand R&sub2;&sub0;&sub0;&sub0; stellt eine positive Vorspannung bereit, um den Bus Lo 300 auf einen hohen Wert (VCC - die zum Zwecke der Veranschaulichung mit 5,0 Volt angenommen werden kann) zu ziehen. Es sei nun angenommen, daß das Eingangssignal des Eingangsanschlusses 40 die Form einer Sinuswelle hat, die von 3,75 Volt auf 4,5 Volt steigt, dann auf 2,6 Volt herabfällt und daraufhin zwischen 4,5 Volt und 2,6 Volt oszilliert. Die anfänglichen 3,75 Volt schalten den Komparator U&sub1;&sub0;&sub4; ein, schalten den Komparator U&sub1;&sub0;&sub0; und den Komparator U&sub1;&sub0;&sub2; aus. Der niedrige Zustand an dem Ausgang des Komparators U&sub1;&sub0;&sub0; wird an dem Einstelleingang des Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub0; angebracht und erlaubt diesem, in seinem Resetzustand zu bleiben, wobei eine niedrige Spannung an den Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub0; und Q&sub3;&sub0;&sub0; angelegt wird, was verhindert, daß sie ihre Spannungen an dem Bus Hi 200 und dem Bus Lo 300 anlegen. Der Komparator U&sub1;&sub0;&sub2; führt dem UND-Gatter U&sub3;&sub0;&sub2; einen niedrigen Zustand zu, welches einen niedrigen Zustand dem Einstelleingang des Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub2; zuführt, welches seinen Ausgang Q niedrig hält und damit die Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub2; und Q&sub3;&sub0;&sub2; ausschaltet. Der Invertierer U&sub2;&sub0;&sub2; verändert den niedrigen Zustand von dem Komparator U&sub1;&sub0;&sub2; in einen hohen Zustand und legt ihn an dem oberen Eingang des UND-Gatters U&sub3;&sub0;&sub4; an. Dieser Eingang und der hohe Zustand von dem Komparator U&sub1;&sub0;&sub4; bewirken, daß der Ausgang des UND-Gatters U&sub3;&sub0;&sub4; in einen hohen Zustand geht. Die 3,75 Volt sind höher als das Spannungsniveau an dem Bus Hi 200, so daß der Komparator U&sub7;&sub0;&sub0;&sub0; eingeschaltet ist bzw. wird. Hierdurch wird ein hoher Zustand an dem linken Eingang der UND-Gatter U&sub4;&sub0;&sub2;-U&sub4;&sub0;&sub8; angelegt. Der an dem rechten Eingang des UND-Gatters U&sub4;&sub0;&sub4; von dem UND-Gatter U&sub3;&sub0;&sub4; durch die Steuerdiode D&sub2;&sub0;&sub4; angelegte hohe Zustand bringt das UND-Gatter U&sub4;&sub0;&sub4; in einen Ein-Zustand. Hierdurch wird ein hoher Zustand an dem rechten Eingang des UND-Gatters U&sub4;&sub0;&sub2; durch die Steuerdiode D&sub3;&sub0;&sub2; angelegt, die mit dem hohen Zustand an ihrem linken Eingang bewirkt, daß ihr Ausgang in einen hohen Zustand geht. Der hohe Zustand von dem UND-Gatter U&sub4;&sub0;&sub4; wird über die Steuerdiode D&sub5;&sub0;&sub2; an dem Rückstelleingang des Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub2; angelegt, was bewirkt, daß sein Q-Ausgang in den niedrigen Zustand geht und die Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub2; und Q&sub3;&sub0;&sub2; ausschaltet. Der hohe Zustand von dem UND-Gatter U&sub4;&sub0;&sub2; wird über die Steuerdiode D&sub5;&sub0;&sub0; an den Rückstelleingang des Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub0; gelegt, was bewirkt, daß dessen Q-Ausgang in den niedrigen Zustand geht und die Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub0; und Q&sub3;&sub0;&sub0; ausschaltet. Der hohe Zustand des UND-Gatters U&sub3;&sub0;&sub4; wird direkt an dem Einstelleingang des Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub4; angebracht, was bewirkt, daß sein Q-Ausgang in den hohen Zustand geht. Dies spannt die Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub4; und Q&sub3;&sub0;&sub4; in Vorwärtsrichtung vor, wodurch die 3,5 Volt am oberen Ende der Spannungsteilerdiode D&sub1;&sub0;&sub4; sowohl an dem Bus Hi 200 als auch an der Kathode der Bustreiberdiode D&sub9;&sub0;&sub4; angelegt werden. Da die Spannung an dem Bus Lo 300 höher (VCC, eingestellt durch den Widerstand R&sub2;&sub0;&sub0;&sub0;) als die 3,5 Volt ist, ist die Diode D&sub9;&sub0;&sub4; vorwärts vorgespannt, was es ermöglicht, daß die 3,5 Volt an dem Bus Lo 300 angelegt werden. Diese 3,5 Volt sind niedriger als das 3,75 Volt Eingangssignal an dem Anschluß 40, so daß der Komparator U&sub6;&sub0;&sub0;&sub0; ausgeschaltet wird. Dies legt einen niedrigeren Zustand an dem rechten Eingang der UND-Gatter U&sub5;&sub0;&sub2;-U&sub5;&sub0;&sub8; an, wodurch ein niedriger Zustand über die Dioden D&sub7;&sub0;&sub2;-D&sub7;&sub0;&sub8; an den Rückstelleingängen der Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub2;-U&sub6;&sub0;&sub8; angelegt wird. Der Einstelleingang der Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub0;-U&sub6;&sub0;&sub8; hat eine Prioritätswirkung auf die Betriebsweise der Einrichtung im Vergleich zu dem Rückstelleingang. Wenn beide Eingänge, der Einstell- und der Rückstelleingang hoch sind, so setzt sich der Einstelleingang durch und bringt den Ausgang Q in den hohen Zustand. Durch diesen Vorgang werden die 3,5 Volt sowohl an dem Bus Hi 200 als auch an dem Bus Lo 300 angelegt.
Das Signal steigt nun an, bis es 4,2 Volt erreicht bzw. übersteigt, wo es zu diesem Zeitpunkt der Vorgang des Einstellens der Spannung des Busses Hi 200 wiederum auftritt, jedoch nur für die Reihe von Gattern, die alle Flip-Flops abschalten, welche eine Grenzwertspannung oberhalb des Spannungsniveaus des Eingangssignales haben. In dem vorstehenden Beispiel wird der Komparator U&sub1;&sub0;&sub2; eingeschaltet, der Komparator U&sub1;&sub0;&sub0; ist aus, das UND-Gatter U&sub3;&sub0;&sub2; ist ein, der Komparator U&sub7;&sub0;&sub0;&sub0; schaltet das UND-Gatter U&sub4;&sub0;&sub2; ein und der Flip-Flop U&sub6;&sub0;&sub0; wird ausgeschaltet. Der Flip-Flop U&sub6;&sub0;&sub2; wird eingeschaltet und schaltet in ähnlicher Weise die Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub2; und Q&sub3;&sub0;&sub2; ein. Dadurch werden 4,2 Volt an dem Bus Hi 200 angelegt. Die 4,2 Volt werden auch an der Kathode der Diode D&sub9;&sub0;&sub2; angelegt. Der Flip-Flop U&sub6;&sub0;&sub4; bleibt eingeschaltet, da kein logisches Element 2000- 2008 seine Rückstellung bewirkt hat. Dadurch werden die Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub4; und Q&sub3;&sub0;&sub4; eingeschaltet gehalten und es wird versucht, 3,5 Volt an dem Bus Hi 200 und dem Bus Lo 300 anzulegen. Diese 3,5 Volt sind niedriger als die 4,2 Volt, die durch den Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub2; angelegt werden, und dienen daher dazu, den Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub2; in Vorwärtsrichtung vorzuspannen. Dies ermöglicht es, daß der Bus Hi 200 auf 4,2 Volt steigt. Diese 4,2 Volt sind höher als die an dem Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub4; angelegten 3,5 Volt, was bewirkt, daß er in umgekehrter Richtung vorgespannt wird, so daß er daran gehindert wird, seine 3,5 Volt an dem Bus Hi 200 anzulegen. Die Diode D&sub9;&sub0;&sub4; hat 3,5 Volt an ihrer Kathode und 4,2 Volt an ihrer Anode. Dadurch wird sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt und erlaubt, daß der Analogschalter Q&sub3;&sub0;&sub4; 3,5 Volt auf den Bus Lo 300 schaltet. Auf diese Weise nimmt der Bus Hi 200 die höhere der zwei Spannungen (4,2 Volt) an und der Bus Lo 300 nimmt die niedrigere Spannung (3,5 Volt) an. Es gibt keine Veränderung, bis das Signal seinen Spitzenwert erreicht und dann zu fallen beginnt. Der Bus Lo 300 wird niemals wieder einen höheren Wert als das Spannungsniveau des Busses Hi 200 erreichen. Wenn das Spannungsniveau des Eingangssignales zu fallen beginnt, verändern die Komparatoren U&sub1;&sub0;&sub0; und U&sub1;&sub0;&sub2; erneut ihren Zustand, da jedoch der Komparator U&sub7;&sub0;&sub0; ausgeschaltet ist, verändern die Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub0;-U&sub6;&sub0;&sub8; ihren Zustand nicht. Wenn das Signal wieder unter 3,5 Volt fällt, ist das Signal nunmehr niedriger als die Spannung des Busses Lo 300, was dazu führt, daß der Komparator U&sub6;&sub0;&sub0;&sub0; eingeschaltet wird. Der Komparator U&sub1;&sub0;&sub6; wird ebenfalls eingeschaltet und der Komparator U&sub1;&sub0;&sub4; wird ausgeschaltet. Dieses schaltet wiederum das UND-Gatter U&sub3;&sub0;&sub6; ein. Der Komparator U&sub7;&sub0;&sub0;&sub0; ist aus und schaltet alle UND-Gatter U&sub4;&sub0;&sub2;-U&sub4;&sub0;&sub8; aus, so daß keines der Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub0;-U&sub6;&sub0;&sub8; oberhalb des Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub6; zurückgestellt wird. Die Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub2; und U&sub6;&sub0;&sub4;, die durch das obige steigende Signalniveau eingeschaltet bzw. gesetzt worden sind, bleiben in dem gesetzten Zustand und die Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub2;, Q&sub3;&sub0;&sub2;, Q&sub2;&sub0;&sub4; und Q&sub3;&sub0;&sub4; bleiben ein.
Der Ausgang des UND-Gatters U&sub3;&sub0;&sub6; wird an dem Einstelleingang des Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub6; angelegt und bewirkt, daß dessen Q-Ausgang die Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub6; und Q&sub3;&sub0;&sub6; einschaltet. Der Bus Hi 200 hat nunmehr drei eingeschaltete Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub2;, Q&sub2;&sub0;&sub4; und Q&sub2;&sub0;&sub6;, jedoch sind die durch den Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub6; angelegten 2,8 Volt die niedrigsten der drei und spannen beide Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub2; und Q&sub2;&sub0;&sub4; darüber in Vorwärtsrichtung vor. Der Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub4; spannt auch den Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub2; darüber in Vorwärtsrichtung vor. Dies ermöglicht es, daß der Bus Hi 200 die höchste der drei Spannungen, 4,2 Volt, behält. Diese Spannung ist wiederum höher als die Kollektorspannungen der Analogschalter Q&sub2;&sub0;&sub4; und Q&sub2;&sub0;&sub6; unten, was bewirkt, daß sie ausgeschaltet werden.
Der Analogschalter Q&sub3;&sub0;&sub6; legt 2,8 Volt an der Kathode der Diode D&sub9;&sub0;&sub6; an. Da die Analogschalter Q&sub3;&sub0;&sub2; und Q&sub3;&sub0;&sub4; ebenfalls eingeschaltet sind, versuchen sie, ihre Spannungen (3,5 Volt und 4,2 Volt) an dem Bus Lo 300 anzulegen. Diese Spannungen sind beide höher als die Spannung an der Kathode der Diode D&sub9;&sub0;&sub6;, was bewirkt, daß sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird und es zuläßt, daß die 2,8 Volt an dem Bus Lo 300 angelegt werden. Diese 2,8 Volt sind niedriger als die Spannungen an den Kathoden der Dioden D&sub9;&sub0;&sub2; und D&sub9;&sub0;&sub4;, was diese ausschaltet und ihre Spannungen von dem Bus Lo 300 wegnimmt. Dies erlaubt es dem Bus Lo 300, daß er den niedrigsten Wert annimmt, unabhängig davon, wie viele Flip-Flops U&sub6;&sub0;&sub0;-U&sub6;&sub0;&sub8; eingeschaltet sind.
Das Eingangssignal oszilliert weiterhin von seinem höchsten zu seinem niedrigsten Wert, da es jedoch nie über 4,2 Volt hinausgeht, bleibt der Komparator U&sub7;&sub0;&sub0;&sub0; ausgeschaltet und die Spannung des Busses Hi 200 bleibt bei 4,2 Volt. In ähnlicher Weise bleibt, da die Spannung nie unter 2,8 Volt geht, der Komparator U&sub6;&sub0;&sub0;&sub0; ausgeschaltet und die Spannung des Busses Lo 300 bleibt bei 2,8 Volt.
Die Spannung des Busses Hi 200 wird über einen Puffer U&sub1;&sub0;&sub0;&sub0; an dem oberen Ende des Spannungsteilernetzwerkes 5000 angelegt. Die Spannung des Busses Lo 300 wird durch den Puffer U&sub2;&sub0;&sub0;&sub0; am unteren Ende des Spannungsteilernetzwerkes 5000 angelegt. Der Schalter 6000 wählt den angemessenen Prozentsatz des Grenzwertes. Die Spannung des 50 %-Signales wird ausgewählt durch Verbinden des oberen Einganges des Schalters und das Niveau des kleinen Prozentwertes wird ausgewählt durch Verbinden mit dem unteren Eingang. Der gewählte Ausgang des Spannungsteilernetzwerkes 5000 wird an dem Grenzwerteingang des Komparators U&sub8;&sub0;&sub0;&sub0; angelegt und das Eingangssignal wird an dem Signaleingang angelegt. Der Komparator U&sub8;&sub0;&sub0;&sub0; schaltet seinen Zustand um, wenn das Signal durch die passende Spannung hindurchläuft. Der Ausgang des Komparators U&sub8;&sub0;&sub0;&sub0; ist ein digitaler Impuls und wird an dem oberen Ende des Schalters 6000 angelegt. Die Spannung am Boden bzw. Grund des Spannungsteilernetzwerkes 5000, welche dem niedrigsten Spannungsniveau des Eingangssignales entspricht, wird an einem Eingang des Verstärkers U&sub9;&sub0;&sub0;&sub0; angelegt. Das Eingangssignal wird an dem anderen Eingang angelegt. Dieses dient dazu, jeglichen Offset bzw. Nullpunktverschiebung des Eingangssignals auf 0 Volt herabzusetzen. Der Ausgang des Verstärkers U&sub9;&sub0;&sub0;&sub0; ist von einer analogen Wellenform, die zu der Position des Zielobjektes 30 proportional ist (Fig. 1). Der Ausgang des Verstärkers U&sub9;&sub0;&sub0;&sub0; wird am Grund bzw. unteren Ende des Schalters 6002 angelegt. Abhängig von der gewünschten Betriebsweise wird einer dieser Ausgänge (analog oder digital) durch eine Maskierung oder andere Einrichtungen an dem Schalter 6002 angeschlossen und wird dann mit dem Stromregler 44 verbunden (Fig. 1).
Zwei Verzögerungsnetzwerke, die aus dem Widerstand R&sub6;&sub0;&sub0;&sub0; und dem Kondensator C&sub6;&sub0;&sub0;&sub0; sowie dem Widerstand R&sub7;&sub0;&sub0;&sub0; und dem Kondensator C&sub7;&sub0;&sub0;&sub0; bestehen, sind vorgesehen, um zu verhindern, daß die Signalaufbereitungseinrichtung 38 oszilliert. Wenn die Signalaufbereitungseinrichtung 38 zu schnell auf das Eingangssignal anspricht, kann die Signalaufbereitungseinrichtung 38 ihren Zustand beliebig oft verändern. Dieser fluktuierende Zustand tritt auf, indem die Spannung des Busses Lo 300 oder des Busses Hi 200 sich auf einen Wert verändert, das Signal mit diesem Wert verglichen wird und dann die Spannung des Busses Lo 300 oder des Busses Hi 200 viele Male schnell geschaltet wird, bis das Signal sich um einen nennenswerten Betrag verändert hat. Diese beide Verzögerungsnetzwerke verlangsamen auch das Ansprechen der Signalaufbereitungseinrichtung 38 und ermöglichen, daß sie nur auf relativ langsam bewegende Zielobjekte anspricht. Ein die Geschwindigkeit reduzierender Kondensator C&sub1;&sub0;&sub0; verbindet den Eingangsanschluß 40 mit Masse für sich schnell verändernde Eingangssignale. Dieser Kondensator C&sub1;&sub0;&sub0; wirkt zusammen mit den Verzögerungsnetzwerken R&sub6;&sub0;&sub0;&sub0;, C&sub6;&sub0;&sub0;&sub0;, R&sub7;&sub0;&sub0;&sub0; und C&sub7;&sub0;&sub0;&sub0;, daß die Signalaufbereitungseinrichtung 38 durch sich schnell verändernde Rauschsignale unbeeinflußt bleibt.
Zwei Spannungsabfalldioden D&sub1;&sub0;&sub0;&sub0; und D&sub2;&sub0;&sub0;&sub0; dienen der Kompensation von Verlusten der Schaltkreisspannung. Die Diode D&sub2;&sub0;&sub0;&sub0; stellt sicher, daß der Bus Lo 300 immer auf einem niedrigeren Niveau ist als das Spannungsniveau des Eingangssignales, selbst wenn die Stufen des Spannungsteilernetzwerkes 1000 nicht die passende Auswahl der Spannung erlauben. Dies stellt sicher, daß die niedrigste Grenzwertanzapfspannung immer einen höheren Wert hat als der niedrigste Wert des Signales. Dies stellt sicher, daß der Ausgangskomparator U&sub6;&sub0;&sub0;&sub0; immer schaltet. Die Diode D&sub1;&sub0;&sub0;&sub0; stellt sicher, daß der Bus Hi 200 immer auf einem höheren Spannungsniveau ist als das Spannungsniveau des Eingangssignals, selbst wenn die Stufen des Spannungsteilernetzwerkes 1000 die passende Auswahl einer Spannung nicht erlauben. Dies stellt sicher, daß die höchste Grenzwertanzapfspannung immer einen niedrigeren Wert hat als der höchste Wert des Signals. Dies stellt sicher, daß der Ausgangskomparator U&sub7;&sub0;&sub0;&sub0; immer schaltet.
Die Signalaufbereitungseinrichtung 38 ist mit nur 5 Spannungsanzapfungen, 2,1 V; 2,8 V; 3,5 V; 4,2 V und 4,9 V dargestellt. Andere Anwendungen können unterschiedliche Anzahlen von Anschlüssen und unterschiedliche Werte für diese Spannungen erfordern. Auch unterschiedliche Spannungsnetzwerke 1000 können verwendet werden, um diese Spannungen zu erhalten. Alle Analogschaltertransistoren sind als bipolare Transistoren dargestellt, jedoch kann irgendeine Einrichtung verwendet werden, vorausgesetzt, sie leitet den passenden Wert weiter und vorausgesetzt, daß die Auswahl der Bus-Spannung mit dem höchsten oder niedrigsten Wert von irgendeiner Vielzahl von Werten aufrechterhalten wird. Diese Signalaufbereitungseinrichtung 38 kann auf einem einzelnen, monolithischen Schaltkreis als integraler Teil eines Sensors hergestellt werden, kann auf einem einzelnen monolithischen Schaltkreis als getrenntes Bauteil hergestellt werden, oder kann auf einer gedruckten Schaltkreisplatine als ein diskreter Signalaufbereitungsschaltkreis angelegt werden.
Gemäß Figur 7 sind alternative Signalaufbereitungseinrichtungen 38' dargestellt, die einen Eingangsanschluß 40' und einen Ausgangsanschluß 42' haben. Die Eingangssignalspannung von der Erfassungseinrichtung 14 (Figur 1) ist mit dem Eingangsanschluß 40' verbunden, wird dann durch den Puffer U&sub6;&sub1; gepuffert und an der Anode der Diode D&sub6;&sub1; und der Kathode der Diode D&sub6;&sub2; angelegt. Die Diode D&sub6;&sub1; leitet die höchste Eingangssignalspannung auf das obere Ende des Kondensators C&sub6;&sub1;. Die Diode D&sub6;&sub2; leitet die niedrigste Eingangssignalspannung auf die Oberseite des Kondensators C&sub6;&sub2;. Die höchsten und niedrigsten von dem Eingangssignal erhaltenen Spannungen werden auf der Oberseite und der Unterseite des Spannungsteilernetzwerkes 5000' angelegt, das aus den Widerständen R&sub5;&sub0;&sub0;&sub2;', R&sub5;&sub0;&sub0;&sub4;' und R&sub5;&sub0;&sub0;&sub6;' besteht. Der Widerstand R&sub5;&sub0;&sub0;&sub2;' hat den gleichen Wert wie die Summe der Werte der Widerstände R&sub5;&sub0;&sub0;&sub4;' und R&sub5;&sub0;&sub0;&sub6;'. Der Widerstand R&sub5;&sub0;&sub0;&sub6;' hat einen Wert, der einem bestimmten Prozentsatz der Gesamtsumme der Werte der Widerstände R&sub5;&sub0;&sub0;&sub2;', R &sub5;&sub0;&sub0;&sub4;' und R&sub5;&sub0;&sub0;&sub6;' entspricht. Die Spannung auf der rechten Seite des Widerstandes R&sub5;&sub0;&sub0;&sub2;' liegt daher bei der Hälfte zwischen dem Unterschied zwischen den höchsten und niedrigsten Eingangssignalniveaus. Die Spannung auf der linken Seite des Widerstandes R&sub5;&sub0;&sub0;&sub6;' hat einen kleineren Prozentwert des Unterschiedes zwischen den höchsten und niedrigsten Eingangssignalniveaus.
Der Schalter 6000' kann durch Maskenmanipulation verwirklicht werden und wird verwendet, um die Spannung in der Mitte zwischen dem oberen und dem unteren Wert des Eingangssignales zu wählen oder um die Spannung auszuwählen, die irgendeinem kleinen Prozentsatz des Unterschiedes zwischen dem oberen und dem unteren Wert des Eingangssignales entspricht. Jede der beiden ausgewählten Spannungen wird an dem Grenzwerteingang des Komparators U&sub8;&sub0;&sub0;&sub0;' angelegt. Das Eingangssignal wird an dem Signaleingang angelegt. Wenn das Eingangssignal durch den Grenzwert hindurchläuft, schaltet der Komparator U&sub8;&sub0;&sub0;&sub0;' seinen Zustand (um). Die Auswahl der zu verwendenden Spannung wird festgelegt durch die Wirkung des Zielobjektes 30 (Fig. 1). Die Wirkung fällt generell in eine von zwei Kategorien, die eines Zahnradzahnes oder die eines Ventiles. Wenn der Sensor für die Erfassung eines Zahnradzahnes verwendet werden soll, so nimmt die Wellenform der Spannung von dem Zielobjekt 30 in guter Näherung die Form einer Sinuswelle mit einer Taktrate bzw. einem Arbeitszyklus von 50 % an. Der am meisten wünschenswerte Schaltpunkt för den Komparator U&sub8;&sub0;&sub0;&sub0;' liegt an einem Punkt in der Mitte auf der Seite des Zahnes. Der Anschluß auf der rechten Seite des Widerstandes R&sub5;&sub0;&sub0;&sub2;' wird daher verwendet, um zu bewirken, daß der Komparator U&sub8;&sub0;&sub0;&sub0;' umschaltet, wenn die Signalspannung die Hälfte ihres Maximalwertes beträgt. Wenn der Sensor für das Erfassen der Position eines Ventiles oder anderen kleinen Gegenstandes verwendet werden soll, so nimmt die Signalspannung in guter Näherung die Form eines Impulses variierender Frequenz und Dauer an. Die in diesem Fall gesuchte Information ist üblicherweise gegeben, wenn das Ventil seine Ruheposition verläßt und wenn es zurückkehrt. Zu diesem Zweck wird der Anschluß an der linken Seite des Widerstandes R&sub5;&sub0;&sub0;&sub6;' verwendet, um zu bewirken, daß der Komparator U&sub8;&sub0;&sub0;&sub0;' schaltet, wenn das Ventil sich in der Nähe seiner Ruheposition befindet. Der Komparator U&sub8;&sub0;&sub0;&sub0;' stellt einen digitalen Impuls an dem linken Eingangsanschluß des Schalters 6002' bereit, welcher den Zeitpunkt wiedergibt, zu welchem das Zielobjekt 30 (Fig. 1) durch die gewünschte Position hindurch verläuft.
Die Spannung von der rechten Seite des Widerstandes R&sub5;&sub0;&sub0;&sub6;' wird über den Widerstand R&sub9;&sub0;&sub0;&sub6;' an einem Eingang des Verstärkers U&sub9;&sub0;&sub0;&sub0;' angelegt. Das Eingangssignal wird über den Widerstand R&sub9;&sub0;&sub0;&sub2;' an dem anderen Eingang angelegt. Dies dient dazu, jegliche Null-Punkt-Verschiebung bzw. jeglichen Versatz des Eingangssignals auf 0 Volt zu setzen. Der Ausgang des Verstärkers U&sub9;&sub0;&sub0;&sub0;' ist analoges Signal, welches die Position des Zielobjektes 30 wiedergibt und wird an einer Seite des Ausgangswahlschalters 6002' angebracht. In Abhängigkeit von der gewünschten Funktion des Sensors ist der Schalter 6002' maskenprogrammiert und entweder der digitale Ausgang von dem Komparator U&sub8;&sub0;&sub0;&sub0;' oder der analoge Ausgang von dem Verstärker U&sub9;&sub0;&sub0;&sub0;' wird mit dem Stromregler 44 verbunden (Fig. 1).
Die Signalaufbereitungseinrichtung 38', wie sie in Figur 7 dargestellt ist, wird in Situationen verwendet, in welchen die Anzahl der Komponenten auf einem minimalen Wert gehalten wird zum Zwecke der Verminderung der Chipgröße oder -kosten. Die Signalaufbereitungseinrichtung 38' kann nicht verwendet werden, um Signale von Zielobjekten aufzuarbeiten, die sich mit der Geschwindigkeit 0 oder nahe 0 bewegen.

Claims

1. Vorrichtung (10) zum Erfassen von Positionen eines Zielobjektes (30), welches eine Oberfläche hat, wobei die Vorrichtung aufweist:

Einrichtungen (12), welche eine Impedanz für das Abstrahlen von Radiofrequenzenergie auf das Zielobjekt in einem Strahl haben, welcher eine vorbestimmte Strahlweite hat, um die Oberfläche des Zielobjektes elektromagnetisch aufzuladen, so daß die Widerstandskomponente der Impedanz der abstrahlenden Einrichtung sich unter Ansprechen auf Wechsel in der Position des Zielobjektes als Ergebnis eines Nahfeldeffektes ändert,

Einrichtungen (14), um die Veränderungen in der Widerstandskomponente der Impedanz der abstrahlenden Einrichtung zu erfassen, und

Einrichtungen (16), um ein Signal bereitzustellen, welches anzeigt, daß sich die Position des Zielobjektes verändert hat, und zwar unter Ansprechen auf die Veränderungen in der Widerstandskomponente der Impedanz, welche erfaßt wird.

2. Vorrichtung zum Erfassen der Positionen eines Zielobjektes nach Anspruch 1, wobei die Erfassungseinrichtung die Impedanzänderung durch die Amplitude der Radiofrequenzenergie erfaßt.

3. Vorrichtung zum Erfassen der Positionen eines Zielobjektes nach Anspruch 2, wobei die Bereitstellungseinrichtung anzeigt, daß die Position des Zielobjektes sich verändert hat, indem sie erfaßt, daß die Amplitude der Energie mit der abstrahlenden Frequenz ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat.

4. Verfahren zum Erfassen einer Position eines Zielobjektes, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

Abstrahlen von Radiofrequenzenergie in einem Strahl, der eine vorbestimmte Strahlweite hat, und zwar über eine Antenne (28), welche eine Impedanz hat, indem ein Radiofrequenzsignal auf die Antenne gegeben wird, so daß das Signal von der Antenne reflektiert bzw. abgestrahlt wird und eine Amplitude hat, die proportional zu der Impedanz der Antenne ist,

Bewegen eines Gegenstandes (30) ausreichend nahe an der Antenne, um die Oberfläche des Gegenstandes elektromagnetisch aufzuladen, so daß die Widerstandskomponente der Impedanz der Antenne sich mit Veränderungen der Position des Gegenstandes als Folge eines Nahfeldeffektes verändert,

Erfassen der Veränderung in der Impedanz der Antenne unter Ansprechen auf Veränderungen in der Position des Gegenstandes, indem Veränderungen in der Amplitude des Radiofrequenzsignales erfaßt werden, und

Bereitstellen eines Signals unter Ansprechen auf Veränderungen in der Impedanz der Antenne, welche anzeigen, daß sich die Position des Gegenstandes verändert hat.

5. Verfahren zum Erfassen einer Position eines Zielobjektes nach Anspruch 4, bei welchem ein Signal bereitgestellt wird, welches die durchschnittliche maximale Bewegung des Gegenstandes anzeigt,

Vergleichen des Signales der maximalen Bewegung mit dem Positionssignal, und

Bereitstellen eines Signales, welches anzeigt, daß der Gegenstand einen vorbestimmten Abstand erreicht hat, wenn das Positionssignal ein vorbestimmtes Niveau bezüglich des maximalen Bewegungssignales erreicht.

6. Vorrichtung zum Erfassen von Positionen eines Zielobjektes nach Anspruch 1, wobei die Einrichtungen zum Abstrahlen aufweisen:

einen Oszillator (22), der dafür ausgelegt ist, ein Radiofrequenzsignal bereitzustellen,

einen Modulator (20), der an dem Oszillator angebracht ist, um das Radiofrequenzsignal mit einer vorbestimmten Frequenz zu modulieren, und

eine Antenne (28), die dafür ausgelegt ist, das modulierte Radiofrequenzsignal auf das Zielobjekt zu richten, so daß die Amplitude des modulierten Radiofrequenzsignales sich mit Änderungen in der Annäherung des Zielobjektes bezüglich der Antenne auf der Basis eines Nahfeldeffektes verändert,

wobei die Einrichtungen zum Erfassen aufweist:

einen Tiefpaßfilter (34), der dafür ausgelegt ist, das Radiofrequenzsignal elektronisch zu filtern und ein gefiltertes Signal mit einer vorbestimmten Radiofrequenz hindurchzulassen, welches eine Amplitude hat, die sich mit der Amplitude des modulierten Radiofrequenzsignales verändert, und

Einrichtungen (16), um die Amplitude des gefilterten Signales zu erfassen, wobei

die Einrichtungen zum Bereitstellen ein Näherungs- bzw. Abstands-Signal bereitstellen, welches anzeigt, daß das Zielobjekt seine Position bezüglich der Antenne verändert hat, wenn die Amplitude des gefilterten Signales mit einem vorbestimmten Niveau zusammenpaßt.

7. Vorrichtung zum Erfassen von Positionen eines Zielobjektes nach Anspruch 6, wobei die Amplitude des Spannungsniveaus des modulierten Radiofrequenzsignales sich mit der Amplitude des gefilterten Signales verändert und wobei die Erfassungseinrichtung die Amplitude des Spannungsniveaus des gefilterten Signales erfaßt.

8. Vorrichtung zum Erfassen der Positionen eines Zielobjektes nach Anspruch 6, mit Einrichtungen zum Bereitstellen eines maximalen Annäherungssignales, welche die durchschnittliche maximale Amplitude des Spannungsniveaus des gefilterten Signales anzeigen, und mit Einrichtungen, um anzuzeigen, daß das gefilterte Signal ein vorbestimmtes Spannungsniveau proportional zu dem maximalen Annäherungssignal überschritten hat.

9. Vorrichtung zum Erfassen von Positionen eines Zielobjektes nach Anspruch 6, wobei die Antenne das auf den Gegenstand gerichtete Radiofrequenzsignal mit einem Strahl von vorbestimmter Strahlweite moduliert.

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