WO1999008248A1 - Verfahren und einrichtung zur übertragung von sensorausgangssignalen zwischen asynchron arbeitenden sensoren und ihren jeweiligen datenverarbeitungseinheiten - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur übertragung von sensorausgangssignalen zwischen asynchron arbeitenden sensoren und ihren jeweiligen datenverarbeitungseinheiten Download PDF

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WO1999008248A1
WO1999008248A1 PCT/EP1998/004722 EP9804722W WO9908248A1 WO 1999008248 A1 WO1999008248 A1 WO 1999008248A1 EP 9804722 W EP9804722 W EP 9804722W WO 9908248 A1 WO9908248 A1 WO 9908248A1
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WO
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sensor
signal
level
clock
adder
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PCT/EP1998/004722
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English (en)
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Inventor
Wolfram Busching
Walter Gutmann
Günter SPAHLINGER
John G. Mark
Original Assignee
Litef Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C19/00—Electric signal transmission systems
    • G08C19/16—Electric signal transmission systems in which transmission is by pulses
    • G08C19/22—Electric signal transmission systems in which transmission is by pulses by varying the duration of individual pulses

Definitions

  • the invention describes a method for transmitting the sensor output signals of inertial sensors to their respective data processing devices and a device that works according to the method.
  • an inertial measurement unit uses a set of inertial sensors, for example gyroscopes or accelerometers, to measure all possible rotary and translatory movements.
  • FIG. 6a shows a sensor 41 which converts a physical movement into a sensor output signal, which is evaluated by a data processing device 42.
  • FIG. 6b shows, a plurality of sensors 41 can be connected to a data processing device 42.
  • Such a unit is functionally independent and is referred to as a strand.
  • an IMU is composed of several such lines in a redundant configuration.
  • all sensor output signals of all strands are distributed to all data processing devices 42 of all strands, as shown in FIG. 6c.
  • the sensors used for high-resolution inertial measurement apply a reset control for every degree of freedom in order to convert the physical movement into an electrical signal.
  • the signal output by this control loop is a digital pulse width modulated (pwm) signal pi, which can assume the possible states "0" and "1".
  • pwm digital pulse width modulated
  • the relationship between the "0" and the "1" periods, generally referred to as the duty cycle of the pwm signal, over a predetermined interval relates directly to the physical movement of the sensor during this interval.
  • the interval usually a period of the pwm signal, is called the limit cycle.
  • FIG. 7 shows the numerical processing of the pulse-width-modulated sensor output signal pi coming from the sensor 41.
  • the data processing devices quantize the output signals of the sensors by the number of periods of a known clock signal, normally the sensor clock signal f ⁇ o, during the "0" and "1" Periods of the pwm signal are counted.
  • an up / down counter 43 is used, the duration of the "1" periods of the pwm signal by an increment and the duration of the "0" periods of the pwm signal by a decrementation with each period of the Clock signal fo "measures".
  • a read clock signal causes the counter value to be transferred to a register 44 and the counter 43 to be reset.
  • the counter value c stored in register 44 that is to say the difference between counting up / down, is directly proportional to the physical movement sensed by sensor 41 .
  • the resolution of some sensors, and thus their working range, can be switched between “high” and “low” by switching the gain of the control loop of the respective sensor. Such a switchover is possible before or after a limit cycle.
  • Each sensor 41 sends its own clock fo, its pwm output signal pi and a work area identification signal ⁇ in the form of its control loop gain ("high” or “low”) to all data processing devices 42.
  • the respective data processing devices 42 of an inertial measuring unit work independently of one another.
  • the time frame for data processing is only synchronized by the limit cycle of the own sensors 41.
  • the sampling interval of the data processing device 42 of a sensor 41 shows a small phase drift in comparison with the limit cycle of a pwm output signal from another sensor 41.
  • the error amplitude of this measurement error is the value of the actual sensor output signal and the frequency is proportional to the clock difference. limit of the two sensors.
  • the zero point error and the scale factor of the sensors 41 are compensated for during the data processing of their sensor data. If different calibration parameters are required for the "high” and “low” working areas, the correct size of the compensation parameters cannot be calculated by the compensation algorithm if a sensor 41 switches its working area during the sampling period of the data processing device 42.
  • a sensor output signal that was generated by the sensor getting stuck provides apparently correctly usable data and cannot be distinguished from correct conversion results.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method for transmitting the output signals of inertial sensors to their respective data processing devices which does not have the disadvantages of the prior art described above.
  • the invention is also based on the object of specifying a device which can work according to the method according to the invention.
  • the method according to the invention of redistributing the pulse-width-modulated sensor output signal pi into a transmission signal p Q , which is resampled after the transmission and before the data processing, can at the same time Chen requirements for the number of transmission lines from a sensor 41 to a data processing unit 42, both the aliasing effect can be prevented and the correct time relationships are maintained when switching the working areas of a sensor.
  • the compensation algorithm can always calculate the correct compensation parameters.
  • the errors arising from a sticking sensor can be recognized and evaluated.
  • Figure 1 shows a pulse redistribution circuit 1 according to the invention
  • Figure 2 shows a signal conversion device according to the invention, consisting of a pulse redistribution circuit 1 and a recovery circuit
  • FIG. 3 I shows a signal conversion device according to the invention with the signals applied to the pulse redistribution circuit 1 and the recovery circuit 2;
  • FIG. 3 II is a diagram for further clarification of the pulse redistribution carried out by the invention;
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a signal conversion device according to the invention
  • FIG. 5 shows an inventive error detection circuit for the exemplary embodiment according to FIG. 4;
  • FIG. 6 shows a general illustration of the interaction between sensors and data processing units of an inertial measuring unit
  • Figure 7 shows a data processing circuit according to the prior art.
  • FIG. 1 shows a pulse redistribution circuit 1 according to the invention, which samples the pwm sensor output signal pi behind each sensor and can transmit a newly generated transmission signal p 0 to a data processing circuit 42.
  • This pulse redistribution circuit 1 consists of an input-side counter 3, at the clock input of which the sensor clock signal fo and at the reset input of which a sensor sampling interval signal si are present, which comprises 2 n periods of the sensor clock signal fo, that is to say the sensor clock signal fo divided by 2 n .
  • the pwm sensor output signal pi is present at the enable connection of the counter 3.
  • the counter 3 increments a counter value k in time with the sensor clock signal fo when a high level is present at its enable terminal, that is to say when the pwm sensor output signal pi has a high level "1".
  • the counter is reset and the counter value k is written into a first register 4.
  • the counter value k can assume a maximum of 2 n due to the period of the sensor sampling interval signal si. In a binary representation, this value has a width of n + 1 bit.
  • the sensor sampling interval signal si is present at the clock input of the first register 4, and the n + 1 bit wide counter value k is present at its signal input.
  • the n + 1 bit wide counter value k is loaded into the first register 4 at the end of each sensor sampling interval.
  • the first register 4 outputs the MSB (Most Significant Bit) of the n + 1 bit wide counter value k, ie the bit n + 1, to the OR gate 7. Furthermore, the first register 4 outputs the n lower bits of the counter value k to a modulo 2 n adder during the sensor scanning interval following the loading.
  • This modulo 2 n adder is connected in such a way that it adds the n lower bits of the counter value k during a sensor sampling interval in time with the sensor clock signal fo and always outputs a carry signal when a carry is generated in the n-bit addition.
  • the MSB of the n + 1 bit wide counter value k that is to say the bit n + 1 and the carry signal output by the modulo 2 n adder, are applied to an OR gate 7, the output signal of which can be transmitted to a data processing device 42 as the transfer signal p Q which can evaluate the redistributed sensor output signal via an upstream recovery circuit 2.
  • the transmission signal p 0 consists of a number of k uniformly distributed pulses during a sensor sampling interval.
  • the modulo 2 n adder consists of an adder 6 which receives the n lower bits of the counter value k at a first signal input and a two th register 5.
  • the n-bit output signal of the adder 6 is applied to the signal input of the second register 5, at the clock input of which the sensor clock signal fo and at the reset input of which the sensor sampling interval signal s ⁇ are present.
  • the n bit wide output signal of the second register 5 is applied to a second signal input of the adder 6. In this way, the second register 5 loads the current output signal of the adder 6 with each period of the sensor clock signal fo and in turn applies this to a signal input of the adder 6.
  • n-addition for 0 ⁇ k ⁇ n 2 are -l k a number of logic ones for the signal p Q generated by the modulo 2, which are distributed uniformly over a period of si.
  • This pulse redistribution algorithm can also be used for sensors that output digital data words (the value k) instead of pwm signals. In this case, counter 3 is not required.
  • Such a procedure allows the data processing electronics to restore the signal po at arbitrary times, the maximum conversion error for added data due to the aliasing effect being a quantization unit, that is to say a clock period of the sensor clock signal fo. This is independent of the number of receiver sampling intervals which can have an arbitrary length and an arbitrary phase position with respect to the sensor sampling intervals.
  • FIG. 2 shows an entire signal conversion circuit according to the invention.
  • the pulse redistribution circuit 1 shown in detail in FIG. 1 can be seen, which outputs the output signal pi and the sensor Sensor clock signal fo receives. It also receives the signal Sj ⁇ derived from the sensor clock signal, which indicates the length of the sensor sampling interval.
  • the pulse redistribution circuit 1 passes the generated transmission signal p Q to the recovery circuit 2, which is connected upstream of a data processing circuit 42.
  • the recovery circuit 2 has a 1: 2 decoder 8 which receives the transmission signal po. Depending on the state of the transmission signal p 0 , the 1: 2 decoder 8 generates an enable signal for one of two counters 9 and 10 present in the recovery circuit 2.
  • the counters 9 and 10 each count the sensor clock signal fo applied to their clock input when they are released. In this way, depending on the transmission signal Po, either the counter 9 or the counter 10 counts.
  • a receiver sampling interval which is indicated by a read clock signal S2
  • the counter readings of the counters 9 and 10 are each transferred to registers 11 and 12 and to 0 reset.
  • the read clock signal S2 need not be synchronized to the sensor clock signal fo or to the sensor sampling interval signal si, which indicates 2 n periods of the sensor clock signal. For this purpose, it can be out of phase and / or have a different frequency.
  • the recovery circuit 2 thus uses different counters 9 and 10 to separately measure the ones and zeros of the transmission signal p 0 , that is to say the redistributed sensor output signal p ⁇ , as a result of which two counter values c + and c " are obtained during a receiver sampling interval. These are obtained temporarily stored in a register 1 1, 12 during the following receiver sampling interval.
  • FIG. 3a shows a signal conversion circuit according to the invention, that is to say the pulse redistribution circuit 1 and the recovery circuit 2 with the signals applied to them and emitted by them. Except for the sensor clock signal fo, these signals are shown by way of example in FIGS. 3b to 3f.
  • FIG. 3b shows the signal s, which comprises 2 n periods of the sensor clock signal fo per period.
  • FIG. 3c shows the pulse width modulated sensor output signal pj.
  • FIG. 3d shows this through the pulse redistribution device 1 converted sensor output signal p 0 .
  • This transmission signal p 0 is no longer dependent on the sensor sampling interval. Accordingly, the receiver sampling interval defined by the signal S2 shown in FIG. 3e can have any length and any phase position with respect to the sensor sampling interval defined by the signal si shown in FIG. 3b.
  • FIG. 3f shows the signal c, which represents the digital counter value generated during each receiver sampling interval.
  • FIG. 3g shows the pwm sensor output signal pi, which according to the invention is passed to the pulse redistribution circuit 1 in this form.
  • Marked on the axis with small dashes are the temporal quantization marks defined by the sensor clock signal fo, that is to say the smallest possible time steps that are permissible for the shape of the rectangular signal.
  • each period of the sensor output signal pi which is represented by the signal si (also referred to as the limit cycle)
  • each period of the sensor output signal p consists of 8 positive and 8 negative pulses, each pulse having the duration of a quantization step, that is to say the duration of a clock of the sensor clock signal fo.
  • the limit cycle si would have a duration of 1-16 clock pulses of the sensor clock signal here.
  • the times of the evaluation are designated in FIG. 3g by the lax, thin vertical lines.
  • the impulses are counted in the evaluation computer by an up-down counter, whereby the positive impulses with the weight 1 and the negative impulses with the weight - 1 count.
  • the counter reading is taken as the result of the evaluation and is set to zero for the next evaluation period.
  • the evaluation result is therefore the total number of positive or negative counting pulses in the previous evaluation interval.
  • there are 8 po- sitive and 8 negative impulses so the result is 0 impulses. This (correct) result 0 is written in FIG. 3g in each case under the relevant evaluation intervals.
  • the time profile in FIG. 3h results, since the evaluation times (thin vertical lines) and the times marking the end of the limit cycles drift apart.
  • the evaluation interval is one cycle unit longer than the limit cycle.
  • the up-down counters initially always return the value 1 because they count 9 positive and 8 negative impulses. After some time, however, they record 8 positive and 9 negative impulses and therefore deliver the result - 1.
  • the results are shown in Figure 3h under the corresponding intervals. If the evaluation times deviate more from the limit cycle, a larger error can also result.
  • the results are generally summed up to angles in the following navigation computer. During the period in which the values are positive, there will be a ramp-increasing course for the angle, while in the section with negative values there will be a ramp-down course. This results in a triangular error signal with a low frequency for the accumulated angle.
  • the solution to this problem according to the invention is now to distribute the positive and negative pulses of the pwm sensor output signal pi as evenly as possible within the limit cycle by means of the pulse redistribution circuit 1, as can be seen in FIG. 3i, before the pulse redistributed transmission signal po is transmitted to the evaluation computer .
  • the total number of pulses is retained since the pulse redistribution circuit 1 is assigned to the respective sensor for this purpose and receives its sensor clock signal f ⁇ .
  • sensor errors of the amount 1 there are now also sensor errors of the amount 1, but these constantly change the sign, so that the integrated error (for example for the angle) is now significantly smaller.
  • this error of amount 1 is the maximum quantization error. This now automatically results in an approximate interpolation of the sensor signal in the time grid of the evaluation computer. This is the synchronization problem solved.
  • the pulse redistribution circuit 1 which converts the rectangular pwm sensor output signal pi, that is to say the pulses arranged in blocks, into a redistributed transmission signal p 0 with equally distributed pulses.
  • This transmission signal p D is now transmitted together with the sensor clock signal fo, which marks the time quantization, to the evaluation device, which contains a recovery circuit 2.
  • the positive and negative pulses are recorded in separate counters 9, 10.
  • the difference in the counter values is then the desired result.
  • the sum of the counter values also provides the duration of the evaluation interval, which the simple up-down counter cannot. This additional information can be used for test purposes, for example.
  • the limit cycle is 2 n cycles long.
  • n would be 4.
  • the counter 3 determines the number k of positive pulses during a limit cycle. This is then accumulated 2 n times modulo-2 n , the sum is therefore a running sum of successive summands. The overflows that occur then form the redistributed impulses.
  • the dashed line in FIG. 2 separates the pulse redistribution part 1 (left), to which the sensor electronics also comes, from the evaluation part 2 (right), to which the downstream data processing also comes.
  • the output signals from sensors which have several working areas can also be converted and recovered using the method according to the invention.
  • the transmission of a work area identification signal ⁇ emitted by the sensor is necessary for unambiguous assignment during the recovery.
  • FIG. 1 A signal conversion circuit with a pulse redistribution and recovery circuit for sensors which operate in two areas is shown in FIG.
  • the pulse redistribution circuit 1 is constructed in accordance with FIG. 1 and accordingly receives the sensor clock signal fo, the pulse-width-modulated sensor output signal pi and the sensor sampling interval signal si.
  • One from the Sen- The work area identification signal ⁇ generated is converted into a delayed work area identification signal r Q by a delay circuit 13, which also receives the signal si.
  • the transmission signal p 0 and the delayed work area identification signal r 0 are applied to a 2: 4 decoder 14.
  • the working area identification signal r is delayed in such a way that the delayed working area identification signal r Q corresponds to the transmission signal p 0 just generated by the pulse redistribution circuit 1.
  • the 2: 4 decoder 14 Due to the four possible signal combinations of the input signals p D and r 0 applied to it , which can take on the two states “0" and “1", the 2: 4 decoder 14 generates four output signals, each of the two states “0” and “1” can assume and of which, depending on the state of the input signals, a certain one has a certain state, while the others have the other state.
  • the output signals are applied as enable signals to counters 15 to 18, at the clock input of which the sensor clock signal fo is applied. In this way, depending on the state of the transmission signal p 0 and the delayed work area identification signal r Q , one of the counters 15 to 18 counts in time with the sensor clock signal fo
  • the counts are transferred to registers 19 through 22 at the end of each receiver sampling interval indicated by signal S2, after which counters 15 through 18 are reset.
  • the registers now show the state of the transmission signal p 0 for each working range of the sensor.
  • the transmission of the sensor output signals according to the invention has the further advantage that an error detection can be carried out on the receiver side.
  • a block diagram of an error detection circuit that matches the recovery circuit shown in FIG. 4 is shown in FIG.
  • the four different register values 1 + , 1 " , h + and h " serve as input signals.
  • the sum of all must be counter values relating to a sensor are equal to the number of fo clock pulses per S2 sampling interval, and is thus constant for unchanged lengths of the receiver sampling interval. "Hanging" errors lead to unexpected sums of the counter values and can therefore be easily recognized, since a hanging error has the consequence that the inputs pi and r supply constant values.
  • this sum of all counter values is present at the “interval” output.
  • the counter values 1 + and 1 "of the low working range are added by an adder 27 and the counter values h + and h " of the high working range are added by an adder 34.
  • the respective addition results of adders 27 and 34 are passed to an adder 29, which thus forms the sum of all counter values.
  • the duration of sensor operation at a "high” rate or "low” rate is determined after each receiver sampling interval S2 from the different counter values.
  • the correct output value representing the movement of the sensor is present at the "rate" output. This is generated by adding the differences of the counter values of a respective work area multiplied by a respective scaling factor to the sums of the counter values multiplied by a zero point error correction value, and these addition results of all work areas are in turn added up.
  • the counter value 1 " is subtracted by an adder 23 from the counter value 1 + assigned to it.
  • the difference thus formed is used by a multiplier 24 with a value for the low range.
  • the result of this multiplication is fed to an adder 25, which adds it to the sum of the counter values 1 + and 1 " formed by the adder 27 and multiplied by the multiplier 26 by a zero point correction value for the low range.
  • the counter value h " by an adder 30 from the counter value h + assigned to it.
  • the difference thus formed is multiplied by a multiplier 31 by a scaling factor available for the high range.
  • the result of this multiplication is fed to an adder 32, which adds it to the sum of the number values h + and h ′′ formed by the adder 34 and multiplied by the multiplicator 33 by a zero point error correction value for the high range.
  • the sum formed by an adder 28 The sum of the results of the adders 25 and 32 is the correct output value characterizing the movement of the sensor at the output 'rate'
  • the working area identification signal r x defines the current working area and is transmitted in addition to the redistributed sensor output signal p 0.
  • the working area identification signal r x can only change at the end of a limit cycle.
  • this makes it possible to use this working area identification signal r x in order to select the correct scale factor at the end of a limit cycle and to multiply the respective counter reading.

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Abstract

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die danach arbeitende Schaltung wird eine Pulsumverteilung der pwm-Sensorausgangsdaten (pi) z.B. von inertialen Sensoren so durchgeführt, daß ein Abtastintervall (s2) einer die Ausgangssignale eines Sensors oder mehrerer Sensoren verarbeitenden Datenverarbeitungseinrichtung unabhängig von der Länge und Phasenlage des Grenzzyklus (s1) oder der Grenzzyklen (s1) des Sensors oder der Sensoren ist. Weiter kann eine Bereichsumschaltung von Sensoren mit verschiedenen Arbeitsbereichen unabhängig vom Abtastintervall der Datenverarbeitungseinrichtung geschehen. Durch die Erfindung können fehlerhafte Sensorausgangsdaten gut erkannt werden.

Description

VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUR ÜBERTRAGUNG VON SENSORAUSGANGSSIGNALEN ZWISCHEN ASYNCHRON ARBEITENDEN SENSOREN UND IHREN JEWEILIGEN DATENVERARBEITUNGSEINHEIT
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Übertragung der Sensorausgangssignale inertialer Sensoren an ihre jeweiligen Datenverarbeitungseinrichtungen und eine Einrichtung, die nach dem Verfahren arbeitet.
Wie in der Figur 6 zu sehen ist, verwendet eine Inertialmeßeinheit (IMU = Iner- tial Measurement Unit) einen Satz inertialer Sensoren, zum Beispiel Gyroskope oder Beschleunigungsmesser, um alle möglichen rotatorischen und translatorischen Bewegungen zu messen. Die Figur 6a zeigt einen Sensor 41, der eine physikalische Bewegung in ein Sensorausgangssignal umsetzt, das durch eine Datenverarbeitungseinrichtung 42 ausgewertet wird. Wie die Figur 6b zeigt, können an eine Datenverarbeitungseinrichtung 42 mehrere Sensoren 41 angeschlossen werden. Eine solche Einheit ist funktional unabhängig und wird als Strang bezeichnet. Um eine über alles gehende Verfügbarkeitsanforderung zu erreichen, setzt sich eine IMU aus mehreren solchen Strängen in redundanter Konfiguration zusammen. Hier werden alle Sensorausgangssignale aller Strän- ge an alle Datenverarbeitungseinrichtungen 42 aller Stränge verteilt, wie es in der Figur 6c gezeigt ist.
Die für eine hochauflösende Inertialmessung verwendeten Sensoren wenden für jeden Freiheitsgrad eine Rückstellregelung an, um die physikalische Bewe- gung in ein elektrisches Signal zu wandeln. Das von dieser Regelschleife ausgegebene Signal ist ein digitales pulsweitenmoduliertes (pwm) Signal pi, das die möglichen Zustände "0" und " 1" annehmen kann. Das Verhältnis zwischen den "0" und den " 1" Perioden, im allgemeinen als Arbeitszyklus des pwm-Si- gnals bezeichnet, über ein vorgegebenes Intervall bezieht sich direkt auf die physikalische Bewegung des Sensors während dieses Intervalls. Das Intervall, normalerweise eine Periode des pwm-Signals, wird mit Grenzzyklus bezeichnet.
In der Figur 7 ist die numerische Verarbeitung des vom Sensor 41 kommenden pulsweitenmodulierten Sensorausgangssignals pi aufgezeigt. Für diese numeri- sehe Verarbeitung quantisieren die Datenverarbeitungseinrichtungen die Ausgangssignale der Sensoren, indem die Anzahl der Perioden eines bekannten Taktsignals, normalerweise des Sensortaktsignals f<o, während der "0" und "1" Perioden des pwm-Signals gezählt werden. Hierzu wird ein Auf-/Ab-Zähler 43 verwendet, der die Dauer der "1" Perioden des pwm-Signals durch eine In- krementation und die Dauer der "0" Perioden des pwm-Signals durch eine De- krementation mit jeder Periode des Taktsignals fo "mißt". Nach jedem Abtastintervall veranlaßt ein Auslesetaktsignal die Übernahme des Zählerwerts in ein Register 44 und das Zurücksetzen des Zählers 43. Der im Register 44 gespeicherte Zählerwert c, also die Differenz zwischen Auf- /Abzählen, ist direkt proportional zu der von dem Sensor 41 wahrgenommenen physikalischen Bewegung.
Eine ähnliche Schaltung zum Wandeln pulsweitenmodulierter Ausgangssignale asynchron arbeitender Sensoren ist aus der US 4,649,383 bekannt, bei der ein Zähler die Dauer der " 1" Perioden des pwm-Signals durch eine Inkrementation mißt.
Die Auflösung einiger Sensoren, und damit ihr Arbeitsbereich, kann durch die Umschaltung der Verstärkung der Regelschleife des jeweiligen Sensors zwischen "Hoch" und "Niedrig" umgeschaltet werden. Eine solche Umschaltung ist jeweils vor oder nach einem Grenzzyklus möglich.
Jeder Sensor 41 sendet seinen eigenen Takt fo, sein pwm-Ausgangssignal pi und ein Arbeitsbereichkennungssignal η in Form seiner Regelschleifen- Verstärkung ("Hoch" oder "Niedrig") an alle Datenverarbeitungseinrichtungen 42.
Aus Integritätsgründen arbeiten die jeweiligen Datenverarbeitungseinrichtungen 42 einer inertialen Meßeinheit unabhängig voneinander. Der Zeitrahmen zur Datenverarbeitung ist jeweils nur durch den Grenzzyklus der eigenen Sensoren 41 synchronisiert.
Aufgrund geringer Unterschiede zwischen den Taktfrequenzen der einzelnen Sensoren 41 zeigt das Abtastintervall der Datenverarbeitungseinrichtung 42 eines Sensors 41 im Vergleich mit dem Grenzzyklus eines pwm-Ausgangssignals eines anderen Sensors 41 eine kleine Phasendrift. Dadurch entsteht ein Alia- singeffekt, der sich dadurch bemerkbar macht, daß ein oszillierender Meßfeh- ler mit einer Dreieck-Wellenform entsteht (bei einem konstanten Sensorausgangssignal). Die Fehleramplitude dieses Meßfehlers ist der Wert des tatsächlichen Sensorausgangssignals und die Frequenz ist proportional zur Taktdiffe- renz der beiden Sensoren.
Schaltet ein Sensor 41 die Verstärkung der Rückstellschleife während des Abtastintervalls der Datenverarbeitungseinrichtung 42 zwischen "Hoch" und "Niedrig" um, so kann die Datenverarbeitungseinrichtung 42 keine korrekten Zeitbeziehungen der Arbeitsbereiche "Niedrig" und "Hoch" feststellen. Das Wandlungsergebnis dieses Abtastintervalls muß deshalb verworfen werden, wodurch ein Meßfehler entsteht.
Der Nullpunktsfehler und der Skalenfaktor der Sensoren 41 werden während der Datenverarbeitung ihrer Sensordaten kompensiert. Werden für die Arbeitsbereiche "Hoch" und "Niedrig" unterschiedliche Kalibrierungsparameter benötigt, so kann die korrekte Größe der Kompensationsparameter durch den Kompensationsalgorithmus nicht berechnet werden, wenn ein Sensor 41 seinen Ar- beitsbereich während der Abtastperiode der Datenverarbeitungseinrichtung 42 umschaltet.
Ein Sensorausgangssignal, das durch ein Hängenbleiben des Sensors erzeugt wurde, liefert scheinbar korrekt verwendbare Daten und kann nicht von kor- rekten Wandlungsergebnissen unterschieden werden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Übertragung der Ausgangssignale inertialer Sensoren an ihre jeweiligen Datenverarbeitungseinrichtungen anzugeben, das die zuvor beschriebenen Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in dem unabhängigen Patentanspruch 1 definiert. Eine erfindungsgemäße Einrichtung, die nach diesem Verfahren arbeitet, ist in dem unabhängigen Patentanspruch 8 definiert. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der Einrichtung finden sich jeweils in den nachgeordneten abhängigen Patentansprüchen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren, das pulsweitenmodulierte Sensorausgangssignal pi in ein Übertragungssignal pQ umzuverteilen, das nach der Übertragung und vor der Datenverarbeitung rückabgetastet wird, können bei glei- chen Anforderungen an die Anzahl der Übertragungsleitungen von einem Sensor 41 an eine Datenverarbeitungseinheit 42 sowohl der Aliasingeffekt verhindert werden, als auch die korrekten Zeitbeziehungen beim Umschalten der Arbeitsbereiche eines Sensors aufrechterhalten werden. Dadurch kann der Kom- pensationsalgorithmus die korrekten Kompensationsparameter immer berechnen. Weiter können nach der Erfindung die durch einen hängenbleibenden Sensor entstehenden Fehler erkannt und ausgewertet werden.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen in beispielsweisen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Pulsumverteilungsschaltung 1 nach der Erfindung;
Figur 2 eine erfindungsgemäße Signalwandlungseinrichtung, die aus einer Pulsumverteilungsschaltung 1 und einer Rückgewinnungsschaltung
2 besteht;
Figur 3 I eine erfindungsgemäße Signalwandlungseinrichtung mit den an die Pulsumverteilungsschaltung 1 und die Rückgewinnungsschaltung 2 angelegten Signalen; Figur 3 II ein Diagramm zur weiteren Verdeutlichung der durch die Erfindung durchgeführten Pulsumverteilung;
Figur 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Signalwandlungseinrichtung;
Figur 5 eine erfindungsgemäße Fehlererkennungsschaltung für das Ausfüh- rungsbeispiel nach Figur 4;
Figur 6 eine allgemeine Darstellung des Zusammenspiels zwischen Sensoren und Datenverarbeitungseinheiten einer inertialen Meßeinheit; und
Figur 7 eine Datenverarbeitungsschaltung nach dem Stand der Technik.
In den Figuren werden durch gleiche Referenzzeichen die gleichen Bauelemente bezeichnet.
Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Pulsumverteilungsschaltung 1, die das pwm-Sensorausgangssignal pi hinter jedem Sensor abtastet und ein neu erzeugtes Übertragungssignal p0 an eine Datenverarbeitungsschaltung 42 übertragen kann. Diese Pulsumverteilungsschaltung 1 besteht aus einem eingangsseitigen Zähler 3, an dessen Takteingang das Sensortaktsignal fo und an dessen Rücksetzeingang ein Sensor- Abtastintervall-Signal si anliegen, das 2n Perioden des Sensortaktsignals fo umfaßt, also das durch 2n geteilte Sensortaktsignal fo ist. Am Freigabeanschluß des Zählers 3 liegt das pwm-Sensorausgangssignal pi an. Der Zähler 3 inkrementiert einen Zählerwert k im Takt des Sensortaktsignals fo, wenn an seinem Freigabeanschluß ein hoher Pegel anliegt, wenn also das pwm-Sensor-Ausgangssignal pi einen hohen Pegel " 1" aufweist. Nach einer Periode des Sensor-Abtastintervall-Signals si wird der Zähler zurückgesetzt und der Zählerwert k in ein erstes Register 4 eingeschrieben. Der Zählerwert k kann aufgrund der Periodendauer des Sensor- Abtastintervall-Signals si maximal den Wert 2n annehmen. Dieser Wert hat in einer binären Darstellung eine Breite von n + 1 Bit. An dem Takteingang des ersten Registers 4 liegt das Sensor-Abtastintervall-Signal si und an dessen Signaleingang der n + 1 Bit breite Zählerwert k an. Dadurch wird am Ende jedes Sensor-Abtastintervalls der n + 1 Bit breite Zählerwert k in das erste Register 4 geladen. Das erste Register 4 gibt das MSB (Most Significant Bit) des n + 1 Bit breiten Zählerwerts k, also das Bit n + 1, an das ODER-Gatter 7 aus. Weiter gibt das erste Register 4 die n unteren Bit des Zählerwerts k während dem auf das Laden folgenden Sensor- abtastintervall an einen Modulo 2n-Addierer aus.
Dieser Modulo 2n-Addierer wird so beschaltet, daß er die n unteren Bit des Zählerwerts k während eines Sensor-Abtastintervalls im Takt des Sensortaktsignals fo addiert und immer dann ein Übertragssignal ausgibt, wenn bei der n Bit breiten Addition ein Übertrag erzeugt wird.
Das MSB des n + 1 Bit breiten Zählerwerts k, also das Bit n + 1 und das von dem Modulo 2n-Addierer ausgegebene Übertragssignal werden an ein ODER- Gatter 7 angelegt, dessen Ausgangssignal als Übertragungssignal pQ an eine Datenverarbeitungseinrichtung 42 übertragen werden kann, die das umverteilte Sensorausgangssignal über eine vorgeschaltete Rückgewinnungsschaltung 2 auswerten kann. Durch diese Beschaltung besteht das Übertragungssignal p0 während eines Sensor-Abtastintervalls aus einer Anzahl von k gleichmäßig verteilten Pulsen.
Der Modulo 2n-Addierer besteht aus einem Addierer 6, der an einem ersten Signaleingang die n unteren Bits des Zählerwertes k empfängt und einem zwei- ten Register 5. Das n Bit breite Ausgangssignal des Addierers 6 wird an den Signaleingang des zweiten Registers 5 angelegt, an dessen Takteingang das Sensortaktsignal fo und an dessen Rücksetzeingang das Sensor-Abtastintervall-Signal s ι anliegen. Das n Bit breite Ausgangs Signal des zweiten Registers 5 wird an einen zweiten Signaleingang des Addierers 6 angelegt. Auf diese Weise lädt das zweite Register 5 mit jeder Periode des Sensortaktsignals fo das gerade aktuelle Ausgangssignal des Addierers 6 und legt dieses wiederum an einen Signaleingang des Addierers 6 an. Da an dem ersten Signaleingang des Addierers 6 während eines Sensor-Abtastintervalls konstant die unteren n Bit des Zählerwerts k anliegen, werden auf diese Weise in einem Sensor-Abtastintervall 2n Additionen der n unteren Bit des Zählerwerts k ausgeführt. Jedesmal, wenn bei einer dieser Additionen ein Übertragssignal erzeugt wird, wird dieses vom Modulo 2n-Addierer an das ODER-Gatter 7 angelegt.
Auf diese Weise werden durch die Modulo 2n-Addition für 0 < k < 2n-l eine Anzahl von k logischen Einsen für das Signal pQ erzeugt, die gleichmäßig über eine Periode von s i verteilt sind.
Für k = 2n werden 2n logische Einsen für das Signal p0 erzeugt, da das MSB des n + 1 Bit breiten Zählerwerts k mit dem Übertragssignal des Addierers verknüpft wird.
Dieser Pulsumverteilungsalgorithmus kann ebenfalls für Sensoren verwendet werden, die anstelle von pwm-Signalen digitale Datenwörter (den Wert k) aus- geben. In diesem Fall wird der Zähler 3 nicht benötigt.
Eine solche Vorgehensweise erlaubt der Datenverarbeitungselektronik, das Signal po zu willkürlichen Zeitpunkten wieder herzustellen, wobei der maximale Wandlungsfehler für aufaddierte Daten durch den Aliasingeffekt eine Quanti- sierungseinheit ist, das heißt eine Taktperiode des Sensortaktsignals fo- Dies ist unabhängig von der Anzahl der Empfänger-Abtastintervalle, die eine willkürliche Länge und in bezug auf die Sensor-Abtastintervalle eine willkürliche Phasenlage haben können.
Die Figur 2 zeigt eine gesamte Signalwandlungsschaltung nach der Erfindung. Auf der linken Seite ist die in der Figur 1 detailliert gezeigte Pulsumverteilungsschaltung 1 zu erkennen, die vom Sensor das Ausgangssignal pi und das Sensortaktsignal fo erhält. Weiter erhält sie das vom Sensortaktsignal abgeleitete Signal Sj\ das die Länge des Sensor-Abtastintervalls anzeigt. Die Pulsumverteilungsschaltung 1 leitet das erzeugte Übertragungssignal pQ an die Rückgewinnungsschaltung 2, die einer Datenverarbeitungsschaltung 42 vorgeschal- tet ist.
Die Rückgewinnungs Schaltung 2 weist einen l:2-Dekoder 8 auf, der das Übertragungssignal po empfängt. Abhängig vom Zustand des Übertragungssignals p0 erzeugt der l:2-Dekoder 8 für einen von zwei in der Rückgewinnungs schal- tung 2 vorhandenen Zählern 9 und 10 ein Freigabesignal. Die Zähler 9 und 10 zählen jeweils das an ihrem Takteingang anliegende Sensortaktsignal fo, wenn sie freigegeben sind. Auf diese Weise zählt abhängig vom Übertragungssignal Po entweder der Zähler 9 oder der Zähler 10. Abhängig von einem Empfänger- Abtastintervall, das durch ein Auslesetaktsignal S2 angezeigt wird, werden die Zählerstände der Zähler 9 und 10 jeweils in Register 11 und 12 übertragen und auf 0 zurückgesetzt.
Das Auslesetaktsignal S2 muß nicht zum Sensortaktsignal fo oder zum Sensor- Abtastintervall-Signal si, das 2n Perioden des Sensortaktsignals anzeigt, syn- chronisiert sein. Es kann dazu phasenverschoben sein und/oder eine andere Frequenz aufweisen.
Die Rückgewinnungsschaltung 2 verwendet also verschiedene Zähler 9 und 10, um die Einsen und Nullen des Übertragungssignals p0, also des umverteilten Sensorausgangssignals p\, separat zu messen, wodurch während eines Empfänger-Abtastintervalls zwei Zählerwerte c+ und c" erhalten werden. Diese werden während des folgenden Empfänger- Abtastintervalls in jeweils einem Register 1 1, 12 zwischengespeichert. Ein Wert c, der die vom Sensor gesehene physikalische Bewegung darstellt, ist durch die Gleichung c = c+ - c" gegeben.
Die Figur 3a zeigt eine Signalwandlungs Schaltung nach der Erfindung, also die Pulsumverteilungsschaltung 1 und die Rückgewinnungsschaltung 2 mit den an ihnen anliegenden und von ihnen abgegebenen Signalen. Diese Signale sind bis auf das Sensortaktsignal fo beispielhaft in den Figuren 3b bis 3f darge- stellt. Die Figur 3b zeigt das Signal s , das pro Periode 2n Perioden des Sensortaktsignals fo umfaßt. Die Figur 3c zeigt das pulsweitenmodulierte Sensorausgangssignal pj. Die Figur 3d zeigt das durch die Pulsumverteilungsschal- tung 1 gewandelte Sensorausgangssignal p0. Dieses Übertragungssignal p0 ist nicht mehr abhängig vom Sensor-Abtastintervall. Demzufolge kann das durch das in der Figur 3e gezeigte Signal S2 definierte Empfänger-Abtastintervall eine beliebige Länge und eine beliebige Phasenlage in bezug auf das durch das in der Figur 3b gezeigte Signal si definierte Sensor-Abtastintervall haben. In der Figur 3f ist schließlich das Signal c gezeigt, das den während jedes Empfänger- Abtastintervalls erzeugten digitalen Zählerwerts darstellt.
Eine genauere Darstellung der Pulsumverteilung ist in den in den Figuren 3g bis 3i dargestellten Signalverläufen zu entnehmen. In Figur 3g ist das pwm- Sensorausgangssignal pi gezeigt, das erfindungsgemäß in dieser Form an die Pulsumverteilungsschaltung 1 geleitet wird. Auf der Achse mit kleinen Strichen markiert sind die zeitlichen durch das Sensortaktsignal fo definierten Quantisierungsmarken, also die kleinstmöglichen Zeitschritte, die für die Formgebung des Rechtecksignals zulässig sind. Im Beispiel hätte jede Periode des Sensorausgangssignals pi, die durch das Signal s i dargestellt wird (auch als Grenzzyklus bezeichnet), eine Phase von 8 Quantisierungsschritten mit positiver Amplitude (Wert = 1) und eine Phase von 8 Quantisierungschritten mit negativer Amplitude (Wert = - 1). Alternativ könnte man auch sagen, daß jede Periode des Sensorausgangssignals p aus 8 positiven und 8 negativen Impulsen besteht, wobei jeder Impuls die Dauer eines Quantisierungsschrittes besitzt, also die Dauer eines Takts des Sensortaktsignals fo aufweist. Der Grenzzyklus si hätte hier also eine Dauer von 1 - 16 Taktpulsen des Sensortaktsignals fo-
Nach dem Stand der Technik werden diese Impulse ohne Pulsumverteilung direkt zum Auswerterechner geleitet, der in einem Auswertetakt, der synchron zur Periode des Senssorsignals (also zum Sensor-Abtastintervall = Grenzzyklus) sein muß, eine Auswertung vornimmt. Die Zeitpunkte der Auswertung sind in Figur 3g durch die laxigen dünnen senkrechten Linien bezeichnet. Die Impulse werden im Auswerterechner durch einen Up-Down-Counter gezählt, wobei die postiven Impulse mit dem Gewicht 1 und die negativen Impulse mit dem Gewicht - 1 zählen. Zum Zeitpunkt der Auswertung, hier also am Ende jedes Grenzzyklus wird der Zählerstand als Resultat der Auswertung genommen, und für die nächste Auswerteperiode auf Null gesetzt. Das Auswerteresultat ist demnach die Gesamtzahl der positiv bzw. negativ zählenden Impulse im vorangegangenen Auswerteintervall. Im Beispiel liegen im Auswerteintervall je 8 po- sitive und 8 negative Impulse, so daß das Resultat also 0 Impulse ist. Dieses (korrekte) Resulat 0 ist in Figur 3g jeweils unter die betreffenden Auswerteintervalle geschrieben.
Es kann nun vorkommen, daß aus Sicherheitsgründen die Zeittakte des Sensors und des Auswerterechners unabhängig voneinander erzeugt werden müssen, und demnach im Prinzip voneinander abweichen. Hier ergibt sich zum Beispiel nach dem Stand der Technik der Zeitverlauf in Figur 3h, da die Auswertezeitpunkte (dünne senkrechte Linien) und die das Ende der Grenzzyklen markierenden Zeitpunkte auseinander driften . Im Beispiel ist das Auswerteintervall eine Takteinheit länger als der Grenzzyklus. Wie leicht nachvollziehbar ist, liefern nun anfangs die Up-Down-Counter zunächst immer den Wert 1 , weil sie 9 positive und 8 negative Impulse zählen. Nach einiger Zeit jedoch erfassen sie 8 positive und 9 negative Impulse und liefern demnach das Resultat - 1. Die Resultate sind in Figur 3h unter den entsprechenden Intervallen verzeichnet. Bei stärker vom Grenzzyklus abweichenden Auswertezeitpunkten kann sich auch ein größerer Fehler ergeben. Falls es sich bei den Sensoren um Drehratenmesser handelt, werden die Resultate im nachfolgenden Navigationsrechner in der Regel zu Winkeln summiert. Es wird sich während des Zeitraums, in dem die Werte positiv sind, für den Winkel ein rampenförmig zunehmender Verlauf ergeben, während sich in dem Abschnitt mit negativen Werten ein rampenförmig abnehmender Verlauf ergibt. Damit ergibt sich ein dreiecksförmig verlaufendes Fehlersignal mit geringer Frequenz für den akkumulierten Winkel.
Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems liegt nun darin, die positiven und negativen Impulse des pwm-Sensorausgangssignals pi innerhalb des Grenzzyklus mittels der Pulsumverteilungsschaltung 1 möglichst gleichmäßig zu verteilen, wie es in der Figur 3i ersichtlich ist, bevor das pulsumverteilte Übertragungssignal po an den Auswerterechner übertragen wird. Die Gesamt- zahl der Pulse bleibt hierbei erhalten, da die Pulsumverteilungschaltung 1 zu diesem Zweck dem jeweiligen Sensor zugeordnet ist und sein Sensortaktsignal fθ empfängt. Wie man der Figur 3i entnehmen kann, ergeben sich jetzt zwar ebenfalls Sensorfehler des Betrags 1 , diese wechseln jedoch ständig das Vorzeichen, so daß der integrierte Fehler (z.B. für den Winkel) jetzt wesentlich kleiner ist. Dieser Fehler des Betrags 1 ist aber der maximale Quantisierungsfehler. Mithin ergibt sich jetzt automatisch eine angenäherte Interpolation des Sensorsignals in das Zeitraster des Auswerterechners. Damit ist das Synchronisati- onsproblem gelöst.
Würde man hingegen direkt die digitalen Werte des Sensorsignals übertragen, könnte eine derartige Interpolation nicht stattfinden. Hinter dem Sensor befin- det sich erfindungsgemäß die Pulsumverteilungsschaltung 1 , die das rechteck- fδrmige pwm-Sensorausgangssignal pi, also die blockweise angeordneten Impulse, in ein umverteiltes Übertragungssignal p0 mit gleichverteilten Impulsen umwandelt. Dieses Übertragungssignal pD wird jetzt zusammen mit dem Sensortaktsignal fo, das die Zeitquantisierung markiert, zur Auswerteeinrichtung übertragen, die eine Rückgewinnungsschaltung 2 enthält. Hier werden die positiven und die negativen Impulse in getrennten Zählern 9, 10 erfaßt. Die Differenz der Zählerwerte ist dann das gewünschte Resultat. Die Summe der Zählerwerte liefert nebenbei die Dauer des Auswerteintervalls, was der einfache Up-Down-Counter nicht kann. Diese zusätzliche Information kann beispiels- weise zu Testzwecken verwendet werden.
Bei dem in der Figur 1 gezeigten Schaltungsvorschlag für die Pulsumverteilungschaltung 1 ist der Grenzzyklus ist 2n Takte lang. Im obigen Beispiel wäre also n = 4. Der Zähler 3 ermittelt die Zahl k der positiven Impulse während ei- nes Grenzzyklus. Diese wird dann 2n-mal modulo-2n aufakkumuliert, die Summe ist demnach eine laufende Summe aufeinanderfolgender Summanden. Die auftretenden Überläufe bilden dann die umverteilten Impulse. Die gestrichelte Linie in der Fig. 2 trennt den Pulsumverteilungsteil 1 (links) zu dem noch die Sensorelektronik kommt, vom Auswerteteil 2 (rechts) zu dem noch die nachgeordnete Datenverarbeitung kommt.
Auch die Ausgangssignale von Sensoren, die mehrere Arbeitsbereiche aufweisen, können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewandelt und rückgewonnen werden. Zur eindeutigen Zuordnung bei der Rückgewinnung ist die Übertragung eines vom Sensor abgegebenen Arbeitsbereichkennungssignals η nötig.
Eine Signalwandlungsschaltung mit Pulsumverteilungs- und Rückgewinnungs - Schaltung für Sensoren, die in zwei Bereichen arbeiten, ist in der Figur 4 ge- zeigt. Die Pulsumverteilungsschaltung 1 ist gemäß der Figur 1 aufgebaut und empfängt demzufolge das Sensortaktsignal fo, das pulsweitenmodulierte Sensorausgangssignal pi und das Sensor-Abtastintervall-Signal si . Ein vom Sen- sor erzeugtes Arbeitsbereichkennungssignal η wird durch eine Verzögerungsschaltung 13, die ebenfalls das Signal s i empfängt, in ein verzögertes Arbeitsbereichkennungssignal rQ gewandelt. Das Übertragungssignal p0 und das verzögerte Arbeitsbereichkennungssignal r0 werden an einen 2:4-Dekoder 14 an- gelegt. Das Arbeitsbereichkennungssignal r ist jeweils so verzögert, daß das verzögerte Arbeitsbereichkennungssignal rQ zu dem gerade durch die Pulsumverteilungsschaltung 1 erzeugten Übertragungssignal p0 korrespondiert.
Der 2:4-Dekoder 14 erzeugt aufgrund der vier möglichen Signalkombinationen der an ihm anliegenden Eingangssignale pD und r0, die jeweils die zwei Zustände "0" und " 1" annehmen können, vier Ausgangssignale, die jeweils die zwei Zustände "0" und "1" annehmen können und von denen je nach Zustand der Eingangssignale ein bestimmtes einen bestimmten Zustand aufweist, während die anderen den jeweils anderen Zustand aufweisen. Die Ausgangssignale werden als Freigabesignale an Zähler 15 bis 18 angelegt, an deren Takteingang jeweils das Sensortaktsignal fo anliegt. Auf diese Weise zählt je nach Zustand des Übertragungssignals p0 und des verzögerten Arbeitsbereichkennungs- signals rQ jeweils einer der Zähler 15 bis 18 im Takt des Sensortaktsignals fo-
Ebenso wie in der Schaltung nach Figur 2, werden die Zählerstände am Ende jedes Empfänger- Abtastintervalls, das durch das Signal S2 angezeigt wird, an Register 19 bis 22 übertragen, wonach die Zähler 15 bis 18 zurückgesetzt werden. Den Registern ist jetzt der Zustand des Übertragungssignals p0 für jeden Arbeitsbereich des Sensors zu entnehmen. In dem gewählten Beispiel ergäbe sich ein Zählerwert 1 für einen niedrigen Arbeitsbereich des Sensors aus der Differenz der in dem Register 19 und dem Register 20 gespeicherten Werte 1+ und 1", hier also zu 1 = 1+ - 1". Ein die physikalische Bewegung des Sensors in dessen hohen Arbeitsbereich darstellender Wert h ist entsprechend durch die Differenz der in den Registern 21 und 22 gespeicherten Zählerwerte h+ und h" gegeben, hier also zu h = h+ - h".
Die erfindungsgemäße Übertragung der Sensorausgangssignale hat weiter den Vorteil, daß empfängerseitig eine Fehlererkennung durchgeführt werden kann. Ein Blockdiagramm einer Fehlererkennungsschaltung, die zu der in der Figur 4 gezeigten Rückgewinnungsschaltung paßt, ist in der Figur 5 dargestellt. Hier dienen die vier unterschiedlichen Registerwerte 1+, 1", h+ und h" als Eingangssignale. Bei der erfindungsgemäßen Rückgewinnung muß die Summe aller sich auf einen Sensor beziehenden Zählerwerte gleich zu der Anzahl von fo Taktpulsen pro S2 Abtastintervall sein, und ist somit konstant für unveränderte Längen des Empfänger-Abtastintervalls. "Hänge"-Fehler führen zu unerwarteten Summen der Zählerwerte und können dadurch einfach erkannt werden, da ein Hängefehler zur Folge hat, daß die Eingänge pi und r konstante Werte liefern. Damit sind auch pQ und rQ (nach der Pulsumverteilung) konstant, so daß der nachgeschaltete Dekoder ständig genau einen der Zähler 15 bis 18 freigibt. Hierdurch wird bewirkt, daß genau drei der vier Zähler 15 bis 18 und damit auch die entsprechenden drei der vier Register 19 bis 22 stets den Wert Null liefern. Dies ist ein Hinweis auf das Vorliegen eines Hängefehlers, da dieser Zustand im regulären Betrieb sehr unwahrscheinlich ist. Nach dem Stand der Technik ist die Identifikation dieses Zustands in der notwendigen Schärfe (Ali- asing-Abtastfehler) nicht möglich.
In der in der Figur 5 gezeigten Schaltung liegt diese Summe aller Zählerwerte am Ausgang "Intervall" an. Die Zählerwerte 1+ und 1" des niedrigen Arbeitsbereichs werden von einem Addierer 27 addiert und die Zählerwerte h+ und h" des hohen Arbeitsbereichs werden von einem Addierer 34 addiert. Die jeweiligen Additionsergebnisse der Addierer 27 und 34 werden auf einen Addierer 29 geführt, der somit die Summe aller Zählerwerte bildet.
Weiter wird nach der erfindungsgemäßen Anordnung die Dauer des Sensorbetriebs mit "hoher" Rate oder "niedriger" Rate nach jedem Empfänger-Abtastintervall S2 aus den unterschiedlichen Zählerwerten bestimmt. Dadurch erzeu- gen alle Abtastintervalle gültige Wandlungsergebnisse, und eine genaue bereichsabhängige Nullpunktsfehlerkompensation kann erreicht werden.
In der Figur 5 liegt der korrekte die Bewegung des Sensors repräsentierende Ausgangswert am Ausgang "Rate" an. Dieser wird erzeugt, indem die mit einem jeweiligen Skalierungsfaktor multiplizierten Differenzen der Zählerwerte eines jeweiligen Arbeitsbereichs zu den mit einem Nullpunktsfehlerkorrekturwert multiplizierten Summen der Zählerwerte addiert werden, und diese Additionsergebnisse aller Arbeitsbereiche wiederum summiert werden.
In der Schaltung gemäß Figur 5 wird der Zählerwert 1" von einem Addierer 23 von dem ihm zugeordneten Zählerwert 1+ subtrahiert. Die so gebildete Differenz wird von einem Multiplizierer 24 mit einem für den niedrigen Bereich vorhan- denen Skalierungsfaktor multipliziert Das Ergebnis dieser Multiplikation wird einem Addierer 25 zugeführt, der es zu der durch den Addierer 27 gebildeten und von dem Multiplizierer 26 mit einem Nullpunktsfehlerkorrekturwert für den niedrigen Bereich multiplizierten Summe der Zählerwerte 1+ und 1" addiert. Weiter wird der Zählerwert h" von einem Addierer 30 von dem ihm zugeordneten Zählerwert h+subtrahιert. Die so gebildete Differenz wird von einem Multiplizierer 31 mit einem für den hohen Bereich vorhandenen Skalierungsfaktor multipliziert. Das Ergebnis dieser Multiplikation wird einem Addierer 32 zugeführt, der es zu der durch den Addierer 34 gebildeten und von dem Multiphzie- rer 33 mit einem Nullpunktsfehlerkorrekturwert für den hohen Bereich multiplizierten Summe der Zahlerwerte h+ und h" addiert. Die von einem Adierer 28 gebildete Summe der Ergebnisse der Addierer 25 und 32 ist der korrekte die Bewegung des Sensors kennzeichnende Ausgangswert am Ausgang 'Rate"
Im hier aufgezeigten Beispiel für Sensoren mit mehreren Arbeitsbereichen hat der Sensor also zwei Arbeitsbereiche mit unterschiedlichen Skalenfaktoren. Das Arbeitsbereichskennungssignal rx definiert den momentan vorliegenden Arbeitsbereich und wird zusätzlich zum umverteilten Sensorausgangssignal p0 übertragen Das Arbeitsbereichskennungssignal rx kann sich nur am Ende ei- nes Grenzzyklus ändern.
Damit ist es für den Fall der synchronen Funktion von Sensor und Auswerte- emheit möglich, dieses Arbeitsbereichskennungssignal rx zu benutzen, um den jeweils korrekten Skalenfaktor am Ende eines Grenzzyklus auszuwählen und den jeweiligen Zählerstand damit zu multiplizieren.
Bei der der Erfindung zugrundeliegenden asynchronen Operation ist das nicht mehr möglich, da das Auswerteintervall S2 nun unabhängig vom durch das Sensor- Abtastintervall-Signal si dargestellten Grenzzyklus ist, so daß der Ska- lenfaktorwechsel mitten im durch das S2 Abtastintervall dargestellte Auswer- temtervall stattfindet, und somit Impulse mit hohem und niedrigem Skalenfaktor zusammengeworfen werden. Deshalb werden erfindungsgemäß für diebei- den Skalenfaktoren getrennte Zählerpaare 9, 10 und 17, 18 vorgesehen, die durch das um die zur Pulsumverteilung benötigte Zeit verzögerte Arbeitsbe- reichskennungssignal rx selektiert werden. Dadurch ist die Bewertung mit dem jeweiligen Skalenfaktor immer korrekt. Die jeweiligen Differenzen werden dann mit dem jeweiligen Skalenfaktor multipliziert und zusammenaddiert, wie es m der Figur 5 gezeigt ist. Ferner erlaubt dieses Verfahren noch, eine getrennte Nullpunktsfehlerkorrektur für die beiden Bereiche vorzusehen, wie es ebenfalls in der Figur 5 gezeigt ist. Hierbei wird das Schema nach der Figur 5 ständig auf die 4 Registerausgangswerte angewandt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Wandeln eines pulsweitenmodulierten Ausgangssignals (pj) eines Sensors derart, daß es an Datenverarbeitungseinrichtungen, die Sensor- Signale eines Sensors oder mehrerer Sensoren empfangen, übertragen und von diesen verarbeitet werden kann, wobei ein Sensor jeweils neben dem pulsweitenmodulierten Ausgangssignal (pi) noch seine Taktfrequenz (fo) abgibt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte für jedes Sensor- Abtastintervall: a) gleichmäßige Umverteilung von mit den Taktzyklen des Sensortaktsignals (fo) erzeugten Impulsen des pulsweitenmodulierten Sensorausgangssignals (pj) in einem Sensor-Abtastintervall, das 2n Perioden des Sensortaktsignals (fo) umfaßt; b) Zählen der Taktzyklen des Sensortaktsignals (fo) in einem Empfänger-Abtastintervall, während der das Übertragungssignal (p0) einen zweiten Pegel hat; c) Zählen der Taktzyklen des Sensortaktsignals (fo) in einem Empfänger-Abtastintervall, während der das Übertragungssignal (p0) einen ersten Pegel hat; und d) Auswerten der jeweiligen Anzahl der im Schritt c) gezählten Sensortaktzyklen, während der das Übertragungssignal (p0) einen zweiten Pegel hat, und der jeweiligen Anzahl der im Schritt d) gezählten Sensortaktzyklen, während der das Übertragungssignal (p0) einen ersten Pegel hat, mittels der jeweiligen Datenverarbeitungseinrichtung/en.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt a) der gleichmäßigen Umverteilung folgende Schritte enthält: al) Zählen der Taktzyklen des Sensortaktsignals (fo) in einem Sensor- Abtastintervall, das 2n Perioden des Sensortaktsignals (fo) umfaßt, während der das pulsweitenmodulierte Sensorausgangssignal (pi) einen ersten Pegel hat; und a2) 2n-fache Modulo-2n-Addition der gezählten Taktzyklen im Takt des Sen- sortaktsignals (fo), wobei ein Übertragungssignal (p0) so beeinflußt wird, daß es immer dann für einen Taktzyklus des Sensortaktsignals (fo) von einem zweiten Pegel auf einen ersten Pegel umschaltet, wenn durch die Modulo-2n-Additi- on ein Übertrag erzeugt wird oder das Bit n+1 der Anzahl der im Schritt a) gezählten Taktzyklen einen ersten Pegel hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine jeweilige Datenverarbeitungseinrichtung für jeden Sensor folgende Verarbei- tungsschritte ausführt: a) Bilden der Differenz der Anzahl der Sensortaktzyklen, während der das Übertragungssignal (p0) einen zweiten Pegel hat, und der Anzahl der Sensortaktzyklen, während der das Übertragungssignal (p0) einen ersten Pegel hat; b) Bilden des Produktes der im Schritt a) erhaltenen Differenz und eines
Skalierungsfaktors, um einen die Bewegung des Sensors repräsentierenden Ausgangswert zu erzeugen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine jeweili- ge Datenverarbeitungseinrichtung für jeden Sensor folgende Verarbeitungsschritte ausführt: a) Bilden der Summe der Anzahl der Sensortaktzyklen, während der das Übertragungssignal (p0) einen zweiten Pegel hat, und der Anzahl der Sensortaktzyklen, während der das Übertragungssignal (p0) einen ersten Pegel hat, um alle Sensortaktzyklen in einem Empfänger- Abtastintervall zu erfassen; b) Bilden des Produktes der im Schritt a) erhaltenen Summe und eines Nullpunktsfehlerkorrekturwerts; c) Bilden der Summe des in dem Schritt b) erzeugten Produkts mit dem im Anspruch 2 erzeugten Produkt, um einen korrigierten die Bewegung des Sen- sors repräsentierenden Ausgangswert zu erzeugen.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor außerdem ein Arbeitsbereichkennungssignal (ri) abgibt, die Taktzyklen des Sensortaktsignals (fo) in einem Empfänger-Abtastintervall für die unt- erschiedlichen Pegel des Übertragungssignals (p0) abhängig vom Arbeitsbereichkennungssignal für alle möglichen Arbeitsbereiche des Sensors getrennt gezählt werden, und die jeweilige Anzahl der Sensortaktzyklen, während der das Übertragungssignal (p0) einen zweiten Pegel hat, sowie die jeweilige Anzahl der Sensortaktzyklen, während der das Übertragungssignal (p0) einen ersten Pegel hat, für alle möglichen Arbeitsbereiche des Sensors getrennt an die jeweilige/n Datenverarbeitungseinrichtung/ en übertragen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine jeweilige Datenverarbeitungseinrichtung für jeden Sensor folgende Verarbeitungs- schritte ausführt: a) Bilden der jeweiligen Differenz der Anzahl der Sensortaktzyklen, während der das Übertragungssignal (pQ) einen zweiten Pegel hat, und der Anzahl der Sensortaktzyklen, während der das Übertragungssignal (pD) einen ersten Pegel hat, für jeden möglichen Arbeitsbereich des Sensors in getrennten Verarbeitungseinheiten; b) Bilden des jeweiligen Produktes der im Schritt a) erhaltenen Differenz und eines jeweiligen Skalierungsfaktors, um einen die Bewegung des Sensors repräsentierenden Ausgangswert zu erzeugen, für jeden möglichen Arbeitsbereich des Sensors in getrennten Verarbeitungseinheiten; c) Bilden der Summe der im Schritt b) erzeugten Produkte, um einen die Bewegung des Sensors repräsentierenden Ausgangswert zu erzeugen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine jeweilige Datenverarbeitungseinrichtung für jeden Sensor folgende Verarbeitungsschritte ausführt: a) Bilden der jeweiligen Summe der Anzahl der Sensortaktzyklen, während der das Übertragungssignal (p0) einen zweiten Pegel hat, und der Anzahl der
Sensortaktzyklen, während der das Übertragungssignal (pD) einen ersten Pegel hat, für jeden möglichen Arbeitsbereich des Sensors in getrennten Verarbeitungseinheiten; b) Bilden des Produktes der jeweiligen im Schritt a) erhaltenen Summe und eines jeweiligen Nullpunktsfehlerkorrekturwerts für jeden möglichen Arbeitsbereich des Sensors in getrennten Verarbeitungseinheiten; c) Bilden der Summe des in dem Schritt a) erzeugten Produkts mit dem im Anspruch 6 erzeugten Produkt getrennt für jeden der Arbeitsbereiche, um jeweils das in Anspruch 6 erhaltene Produkt zu korrigieren.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der in dem Schritt a) erzeugten Summen gebildet wird, um alle Sensortaktzyklen in einem Empfänger-Abtastintervall zu erfassen
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Pegel ein hoher Pegel und der zweite Pegel ein niedriger Pegel ist, oder daß der erste Pegel ein niedriger Pegel und der zweite Pegel ein hoher Pegel ist.
10. Einrichtung zur Wandlung eines pulsweitenmodulierten Ausgangssignals
(pi) eines Sensors in eine solche Form, daß es an Datenverarbeitungseinrichtungen, die die Sensorsignale eines Sensors oder mehrerer Sensoren empfan- gen, übertragen und von diesen verarbeitet werden kann, wobei ein Sensor jeweils neben dem pulsweitenmodulierten Ausgangssignal (pi) noch seine Taktfrequenz (fo) abgibt, gekennzeichnet durch: eine Pulsumverteilungsschaltung (1), die ein pulsweitenmoduliertes Aus- gangssignal eines Sensors unter Zuhilfenahme dessen Sensortaktsignals (fo) in ein digitales Übertragungssignal (p0) wandelt, das gleichmäßig über ein Sensor-Abtastintervall si, das 2n Perioden des Sensortaktsignals (fo) umfaßt, verteilte erste Pegel aufweist, jeweils mit der Dauer eines Taktzyklus des Sensortaktsignals (fo), und eine Rückgewinnungsschaltung (2), die aus dem digitalen Übertragungssignal (p0) unter Zuhilfenahme des Sensortaktsignals (fo) jeweils die Anzahl von Taktzyklen des Sensortaktsignals (fo) während eines Empfänger-Abtastintervalls ausgibt, während der das pulsweitenmodulierte Ausgangssignal (pi) des Sensors einen ersten Pegel und einen zweiten Pegel aufweist.
1 1. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsumverteilungsschaltung (1) folgende Baugruppen enthält: einen Zähler (3), an dessen Takteingang das Sensortaktsignal (fo), an dessen Rücksetzeingang ein Signal si, das aus dem durch 2n geteilten Sen- sortaktsignal (fo) erzeugt wurde, und an dessen Freigabeeingang das pulsweitenmodulierte Ausgangssignal (pi) des Sensors anliegt, ein erstes Register (4), an dessen Signaleingang das n+1 Bit breite Ausgangssignal des Zählers (3) und an dessen Takteingang das Signal sj anliegt, einen Modulo 2n-Addierer (5, 6), der ein die n unteren Bit des n+1 Bit breiten im ersten Register (4) gespeicherten Signals repräsentierendes Ausgangssignal des ersten Registers, das Signal si und das Sensortaktsignal (fo) empfängt, bei jeder Taktperiode des Sensortaktsignals (fo) eine Modulo-2n-Ad- dition des n Bit breiten Ausgangssignals des ersten Registers (4) vornimmt, und ein Übertragssignal ausgibt, und ein ODER-Gatter (7), an dessen ersten Signaleingang ein das höchste Bit des n+1 Bit breiten ersten Registers (4) repräsentierendes Signal und an dessen zweiten Signaleingang das Übertragssignal des Modulo-2n-Addierers (5, 6) anliegt, und das das digitale Übertragungssignal (pQ) ausgibt.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Mo- dulo-2n-Addierer (5, 6) folgende Baugruppen enthält: einen Addierer (6) mit zwei Signaleingängen, an dessen ersten Signalein- gang das n Bit breite Ausgangssignal des ersten Registers (4) anliegt und der ein die Summe der an seinen zwei Signaleingängen anliegenden Signale repräsentierendes n Bit breites Ausgangssignal und als Ausgangssignal des Modulo 2n-Addierers ein Übertragssignal ausgibt, und ein zweites Register (5), an dessen Signaleingang das n Bit breite Ausgangssignal des Addierers (6), an dessen Takteingang das Sensortaktsignal (fθ) und an dessen Rücksetzeingang das Signal si anliegt, und dessen n Bit breites Ausgangssignal an dem zweiten Signaleingang des Addierers (6) anliegt.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückgewinnungsschaltung (2) folgende Baugruppen enthält: einen Dekodierer (8), der aus dem digitalen Übertragungssignal (pQ), das an seinem Eingang anliegt, Freigabesignale erzeugt, die jeweils den Zuständen des Übertragungssignals (p0) entsprechen, zwei Zählern (9, 10), an deren Takteingang das Sensortaktsignal (fo), an deren Freigabeeingang jeweils ein vom Dekodierer (8) erzeugtes Freigabesignal und an deren Rücksetzeingang ein Auslesetaktsignal S2 anliegen, pro Zähler (9, 10) jeweils ein Register (11, 12), an dessen Takteingang das Auslesetaktsignal S2 und an dessen Signaleingang ein Ausgangssignal eines jeweiligen Zählers anliegt.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet - durch eine Datenverarbeitungseinrichtung, an die die jeweilige Anzahl von
Taktzyklen des Sensortaktsignals (fo) während eines Empfänger-Abtastintervalls von der Rückgewinnungsschaltung (2) angelegt wird, während der das pulsweitenmodulierte Ausgangssignal (pi) des Sensors einen ersten Pegel und einen zweiten Pegel aufweist, für jeden Sensor mit: einem ersten Addierer (23), der die Differenz der beiden gezählten Zahlen bildet; einem ersten Multiplizierer (24), der die vom ersten Addierer (23) gebildete Differenz mit einem Skalierungsfaktor multipliziert.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinrichtung weiter aufweist: einen zweiten Addierer (27), der die Summe der beiden gezählten Zahlen bildet; einen zweiten Multiplizierer (26), der die vom zweiten Addierer (27) gebildete Summe mit einem Nullpunktsfehlerkorrekturwert multipliziert; und einen dritten Addierer (25), der die von dem ersten Multiplizierer (24) und dem zweiten Multiplizierer (26) erzeugten Produkte addiert.
16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor weiter ein Arbeitsbereichkennungssignal (ΓJ) abgibt und die Rückgewinnungsschaltung (2), jeweils die Anzahl von Taktzyklen des Sensortaktsignals (fo) während eines Empfänger-Abtastintervalls abhängig von einem verzögerten Arbeitsbereichkennungssignal (r0) für alle möglichen Arbeitsbereiche des Sensors getrennt ausgibt, während der das pulsweiten- modulierte Ausgangssignal (pj) des Sensors einen ersten Pegel und einen zweiten Pegel aufweist.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückgewinnungsschaltung (2) folgende Baugruppen enthält: einen Dekodierer (14), der aus dem digitalen Übertragungssignal (pQ) und dem verzögerten Arbeitsbereichkennungssignal (r0), die jeweils an einem sei- ner Eingänge anliegen, Freigabesignale erzeugt, die für einen jeweiligen Arbeitsbereich des Sensors jeweils den Zuständen des Übertragungssignals (p0) entsprechen, jeweils zwei Zählern (15, 16, 17, 18) pro Arbeitsbereich, an deren Takteingang das Sensortaktsignal (fo), an deren Freigabeeingang jeweils ein vom Dekodierer (8) erzeugtes Freigabesignal und an deren Rücksetzeingang ein Auslesetaktsignal S2 anliegen, pro Zähler (15, 16, 17, 18) jeweils ein Register (19, 20, 21 , 22), an dessen Takteingang das Auslesetaktsignal S2 und an dessen Signaleingang ein Ausgangssignal eines jeweiligen Zählers anliegt.
18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, gekennzeichnet durch eine Datenverarbeitungseinrichtung, an die die jeweilige Anzahl von Taktzyklen des Sensortaktsignals (fo) während eines Empfänger-Abtastintervalls von der Rückgewinnungsschaltung (2) angelegt wird, während der das pulsweitenmodulierte Ausgangssignal (pi) des Sensors in dem jeweiligen Arbeitsbereich einen ersten Pegel und einen zweiten Pegel aufweist, für jeden Sensor mit: einem jeweiligen ersten Addierer (23, 30) für jeden Arbeitsbereich, der die
Differenz der beiden für jeden Arbeitsbereich gezählten Zahlen bildet; einem jeweiligen ersten Multiplizierer (24, 31) für jeden Arbeitsbereich, der die vom jeweiligen ersten Addierer (23, 30) gebildete Differenz mit einem - jeweiligen Skalierungsfaktor multipliziert; und einem vierten Addierer (28), der die von den jeweiligen ersten Multiplizierern (24, 31) erzeugten Produkte addiert.
19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Da- tenverarbeitungseinrichtung weiter aufweist: einen jeweiligen zweiten Addierer (27, 34) für jeden Arbeitsbereich, der die Summe der beiden für jeden Arbeitsbereich gezählten Zahlen bildet; einen jeweiligen zweiten Multiplizierer (26, 33) für jeden Arbeitsbereich, der die vom jeweiligen zweiten Addierer (27, 34) gebildete Summe mit einem jeweiligen Nullpunktsfehlerkorrekturwert multipliziert; einem jeweiligen dritten Addierer (25, 32) für jeden Arbeitsbereich, der die von dem jeweiligen ersten Multiplizierer (24, 31) und dem jeweiligen zweiten Multiplizierer (26, 33) erzeugten Produkte addiert, wobei der vierte Addierer (28) die von den jeweiligen dritten Addierern (25, 32) erzeugten Summen addiert; und einem fünften Addierer (29), der die von den jeweiligen zweiten Addierern (27, 34) erzeugten Summen addiert.
20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekenn- zeichnet, daß der erste Pegel ein hoher Pegel und der zweite Pegel ein niedriger Pegel ist, oder daß der erste Pegel ein niedriger Pegel und der zweite Pegel ein hoher Pegel ist.
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