DE2002583C2

DE2002583C2 - Schaltung zum Vorwärts/Rückwärts-Zählen der von einem optischen System gelieferten Interferenzsstreifen

Info

Publication number: DE2002583C2
Application number: DE2002583A
Authority: DE
Inventors: André Gerard; Michel Paris Lacombat
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1969-01-23
Filing date: 1970-01-21
Publication date: 1981-12-24
Also published as: JPS5126822B1; DE2002583A1; GB1292902A; US3917926A; FR2029816A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Schaltung ist aus der US-PS 31 14 046 bekannt. An den UND-Gliedern der in ihr enthaltenen logischen Steuerschaltung für die Vorwärts/Rückwärts-Zählschaltung liegen dabei neben den aus der Differenzierung des Rechtecksignals hervorgegangenen, kurzen Impulsen auch die Rechtecksignale selbst an. Während dies für das korrekte Arbeiten der Schaltung bedeutungslos ist, solange das Objekt, dessen Bewegung gemessen werden soll, sich ohne Vorzeichenwechsel oder mit eindeutigem Vorzeichenwechsel der Bewegungsrichtung verschiebt, führt dies dann zu einer fehlerhaften Anzeige über die tatsächliche Position des Objektes, wenn dieses kleine Verschiebungen wechselnden Vorzeichens um seine augenblicklicne Position erfährt Wenn nämlich der Vorzeichenwechsel der Verschiebungsrichtung kurz nach Überschreiten der Schaltschwelle eines der Impulsformer eintritt, kann der !•all eintreten, daß die andere Schaltschwelle des Impulsformers unterschritten wird, bevor die andere Impulsformerstufe schaltet Der auf diese Weise von dem gleichen Kanal gelieferte, zusätzliche, jedoch fehlerhafte Impuls gelangt bei der bekannten Schaltung auf den Zähler, da das betreffende UND-Glied durch das an seinem anderen Eingang anliegende, von dem anderen Kanal stammende Rechtecksignal durchlässig gehalten wird.

Aus der Zeitschrift »Journal of the Optical Society of America«, VoI. 43, Nummer 6, Juni 1953, Seiten 505—509, ist eine Interferenzstreifen Zählschaltung bekannt, die mit 90°-phasenverschobenen Signalen annähernd sinusförmigen Verlaufes arbeitet, welche durch Schmitt-Trigger in Rechtecksignale umgeformt werden. Einer der Schmitt-Trigger mit einer ersten Schaltschwelle steuert dabei die Umschaltung des Zählers auf Vorwärts- oder Rückwärts-Zählen. Der andere Schmitt-Trigger hat eine sehr nahe an der Schaltschwelle des ersten Schmitt-Triggers liegende Schaltschwelle und liefert das Rechtecksignal, aus dem die zu addierenden oder zu subtrahierenden Impulse gewonnen werden. Die Notwendigkeit, mit zwei nahe beieinanderliegenden Schaltschv/ellen arbeiten zu müssen, begrenzt die mögliche Zählfrequenz und begünstigt die Erzeugung von fehlerhaften Impulsen, da die Eingangssignale gewöhnlich durch Störsignale, z. B. Wärmerauschen, moduliert sind. Außerdem wird bei dieser Schaltung die Zählrichtung des Zählers zusätzlich dann fortwährend umgeschaltet, wenn ausschließlich zu addierende oder zu subtrahierende Impulse ankommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung gemäß Oberbegriff des Patantanspruches I zu schaffen, bei der der Zählerstand auch bei raschen Vorzeichenwechseln der Bewegungsrichtung des Objektes nicht verfälscht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruches 1 angegeben.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen.

In der nunmehr folgenden Beschreibung wird die Erfindung im Zusammenhang mit den Figuren erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Beispiel zweier, ineinander verschachtelter Signale an den Eingängen einer Zählschaltung,

F i g. 2 ein Prinzipschema einer Zählschaltung,

Fig.3 eine Tabelle über die Funktionsart der Zählschaltung,

Fig. 4 ein Aufbauschema einer zur Zählschaltung gehörenden Steuerschaltung,

Fig. 5 ein Schema einer Aufbauvariante der Untergruppen der in F i g. 4 gezeigten Steuerschaltung.

In Fig. 1 sind zwei gleiche Signale A und B

dargestellt, die zueinander um einen Wert φ von 90° phasenverschoben sind, wobei es sich um die von einem optischen System gelieferten elektrischen Signale handelt. In dieser Zeichnung wurden diese beiden Signale zeitabhängig dargestellt. Eine Änderung der Bewegungsrichtung und damit eine Änderung der Laufrichtung der vom optischen System erzeugten Interferenzstreifen zeigt sich durch eine Änderung der Richtung der Phasenverschiebung ψ (auf der Zeichnung nicht dargesteüi); das Signal A eilt gegenüber dem Signal B um 90° nach. Diese beiden Signale A und B werden auf zwei Kanäle einer in F i g. 2 gezeigten Zählscnaltung übertragen. Die beiden Kanäle dieser Schaltung bestehen je aus einer Impulsformerstufe in Form einer Schmitt-Trigger-Schaltung 11 bzw. 12, einem Differenzierglied 21 bzw. 22 und einer Weichenschaltung 31 bzw. 32, die beispielsweise aus antiparallel geschalteten Dioden besteht. Die beiden Ausgänge Pl und P3 bzw. PI und P4 jedei dieser Schaltungen 31 bzw. 32 sind mit den entsprechenden Eingängen einer logischen Steuerschaltung 4 für den Zuzähl- bzw. Abziehvorgang verbunden. Die beiden Ausgänge Cx und C2 dieser logischen Steuerschaltung 4 sind einerseits mit den Trenngliedern 61 und 62 und andererseits mit den beiden Eingängen eines bistabilen Multivibrators 5 verbunden, dessen Ausgang mit einem der Eingänge eines Summenzählers für Zuzählen bzw. Abziehen 8 verbunden ist. Ein weiterer Eingang dieses letztgenannten Zählers empfängt das Signal, das die Trennglieder 61 und 62 diesem über ein Fcrm- und Verzögerungselement 7, das beispielsweise aus einer monostabilen Stufe oder einer Verzögerungsleitung gebildet wird, übertragen.

Die sinusförmigen Signale A und B besitzen eine Periode, die der Hälfte der von der Lichtquelle ausgesendeten Wellenlänge entspricht. Um eine gute Verschachtelung zu erzielen, wird für die Signale A und B der Wert der Phasenverschiebung φ zwischen den genannten Signalen annähernd gleich 90° gewählt, d. h. entsprechend der Viertelperiode dieser Signale. Dies ermöglicht aie Definition aufeinanderfolgender Meßquanten, die praktisch gleich einem Achtel der Wellenlänge der Lichtquelle sind.

Die Schmitt-Trigger-Schaltungen 11 und 12, die jeweils die Signale A und B empfangen, ändern ihren Schaltzustand immer dann, wenn einer ihrer Schwellpunkte überschritten wird. Die Differenzierglieder 21 und 22 liefern jedesmal dann positive Impulse Pi und P2, wenn ihre obere Schwelle überschritten wird und negative Impulse, wenn ihre untere Schwelle überschritten wird (negative Impulse P3 und PA). Die Weichenschaltungen 31 und 32 ermöglichen die Auswahl dieser einzelnen Impulse, wobei einer ihrer Ausgänge lediglich die positiven Impulse Pi und P2 und der andere Aurgang nur die negativen Impulse P3 und P 4 an die logische Steuerschaltung 4 überträgt. Mit Hilfe von auf den Zeichnungen 2 und 4 nicht dargestellten Umschaltgliedern kann die Polarität dieser Impulse am Eingang dieser logischen Steuerschaltung 4 gleichgehalten werden. Aufgabe dieser letztgenannten Schaltung ist es, dem Summenzähler 8 Befehle zur Addition bzw. Subtraktion zu liefern, die von der Aufeinanderfolge der einzelnen Impulse Pi, P2, PZ, P4 an ihre entsprechenden Eingänge abhängt.

Die in Zeichnung 3 dargestellte Tabelle faßt in diesem μ Zusammenhang alle möglicherweise auftretenden Fälle zusammen. Mit »/?« wird der erste Impuls bezeichnet, der am Eingang der Steuerschaltung 4 vorliegt, während »&< den folgenden Impuls und »C« den dem Summenzähler 8 erteilten bzw. übertragenen Befehi bezeichnet. »Cl« entspricht dem Additionsbefebl eines Meßquantums, während »C2« dem Subtraktionsbefehl dieses Quantums und »0« dem Fehlen eines zum Summenzähler 8 übertragenen Befehls entspricht.

Bei der Aufstellung dieser Tabelle nach herkömmlicher Art werden zuerst die positiven Impulse P1 und P2 entsprechend der oberen Schwelle der Schmitt-Trigger-Schaltungen 11 und 12 und hernach die negativen Impulse P3 und P4 der unteren Schwelte der gleichen Schaltungen in steigender Reihenfolge durchnumeriert. Weist der folgende Impuls »S« eine Nummer auf, die unmittelbar über dem Initialimpuls »R« liegt, so handelt es sich bei dem zum Summenzähler 8 übertragenen Befehl um einen Additionsbefehl »Cl«. Liegt demgegenüber diese Nummer unmittelbar darunter, so handelt es sich bei diesem Befehl um einen Subtraktionsbefehl »C2«. Hieraus ist zu entnehmen, daß für di" vier Impulse PX, P2, P3, P4 der untere Befehl gegenüber dem des impulse - P1 derjenige von P 4 ist und umgekehrt der obere Befein /u P4 derjenige von Pl ist. Stammen zwei aufeinanderfolgende Impulse von ein und demselben Kanal, so wird dem Summenzähler 8 kein Befehl übertragen. Die in Zeichnung 3 dargestellte Tabelle gibt somit beispielsweise an, daß, falls Pl als erster Impuls der Steuerschaltung 4 und P2 als folgender Impuls übertragen wird, diese Schaltung 4 einen Additionsbefehl »Cl« abgibt Handelt es sich demgegenüber um den Impuls 4, der dem Impuls Pl folgt, so liefert die Steuerschaltung 4 einen Subtraktionsbefehl »C2«. Folgt der Impuls P3 unmittelbar dem Impuls P1, so wird kein Befehl übertragen.

Mit Hilfe einer in Zeichnung 4 dargestellten logischen Steuerschaltung 4 können die in der Tabelle der Zeichnung 3 enthaltenen Angaben ausgewertet werden. Diese Schaltung 4 umfaßt vier gleiche Untereinheiten 41,42,43,44, die parallel geschaltet sind und jeweils vier Eingänge und zwei Ausgänge besitzen. Einer dieser Ausgänge ist mit einem ersten ODER-Gatter 401 verbunden, das einen Additionsbefehl »Cl« liefert, wäi.rend der andere Ausgang jeder Untereinheit mit einem zweiten ODER-Gatter 402 verbunden ist, das einen Subtraktionsbefehl »C2« abgibt.

Wird z. B. die Untereinheit 41 betrachtet, so umfaßt diese drei Koinzidenzschaltungen 411, 412, 413, in diesem Falle UND-Gatter. Einer der beiden Eingänge dieser Schaltungen empfängt jeweils die Impulse Pl, P2, P4 während der andere Eingang den Impuls P2 empfängt, der letzterem über ein Speicherelement, in diesem Falle eine bistabile Kippstufe 410, übertragen wird. Der Nullstelleingang dieser letzteren empfängt von einer Mischschaltung 414, d. h. einem ODER-Gatter die v.n den drei Koinzidenzsdialtungen 411, 412, 413 abgegebenen Impulse. Die Ausgänge der Schaltungen 412 und 413 sind ferner jeweils mit einem Eingang des Gatters 401 und mit einem Eingang des Gatters 402 verbunden.

Die drei anderen Untereinheiten 42, 43 und 44 besitzen einen ähnlichen Aufbau wie die Untereinheit 41, wobei lediglich die Zuordnungen der Eingänge unterschiedlich sind und mit den Angaben aui der in Zeichnung 3 gezeigten Tabelle übereinstimmen.

Handelt es sich beispielsweise bei dem ersten am Eingang der logischen Steuerschaltung 4 vorliegenden Impuls um den Impuls Pl, so wird dieser auf die entsprechende bistabile Kippstufe 420 übertragen. Diese Kippstufe ändert ihren Schaltzustand und öffnet

die drei UND-Gatter 421, 422 und 423 der entsprechenden Untereinheit 42. Handelt es sich bei dem nächsten Impuls z. B. um den Impuls P2. so wird dieser über das vorher durch Pi geöffnete UND-Gatter 422 auf das ODER-Gatter 401 übertragen, welches diesen wiederum in einen Befehl »C'1« zur Zählung eines Quantums umsetzt, der dem Summenzähler 8 zugeführt wird. Gleichzeitig bewirkt der durch das UND-Gatter 422 übertragene Impuls über das ODER-Gatter 424 die Nullstellung der bistabilen Kippstufe 420. Darüber hinaus wird zu dem Zeitpunkt, zu dem der Impuls Pl auf das UND-Gatter 422 gelangt, dieser in der bistabilen Kippstufe 410 der Untereinheit 41 gespeichert und bewirkt daraufhin die Öffnung der UND-Gatter 411, 412 und 413. Folgt nun der Impuls P 4 unmittelbar dem Impuls Pl. so überträgt das UND-Gatter 411 diesen lediglich auf das ODER-Gatter 414, wodurch Nullstellung der bistabilen Kippstufe 410 erfolgt und demzufolge kein Befehl an den Summenzähler 8 übertragen wird. Foigt der impuis Fx unmittelbar dem impuis Fl, so wird dieser Impuls P\ über das UND-Gatter 413 zum ODER-Gatter 402 übertragen, wodurch dem Summenzähler 8 ein Subtraktionsbefehl »C2« eines Quantums übertragen wird.

Was die logische Schaltung entsprechend dem Befehl »0« und damit einer Aufeinanderfolge von 2 Impulsen wie P, und P₁* 2 anlangt, so kann jede der Untereinheiten 41, 42, 43 und 44 in einer etwas abweichenden Form gestaltet werden. Aus Zeichnung 5 ist ein Schema einer solchen Untereinheit, z. B. 41, ersichtlich. Hierbei wurde auf das UND-Gatter 421 verzichtet und der Impuls PA wird direkt einem der drei Eingänge des ODER-Gatters 414 zugeführt. Die Arbeitsweise ist hierbei die gleiche wie bei den in Zeichnung 4 dargestellten Untereinheiten.

Die innerhalb der in Zeichnung 2 dargestellten Schaltung vorliegenden Impulse für Addition »C1« und Subtraktion »C2« werden auf die beiden Eingänge des bistabilen Multivibrators 5 übertragen. Folgen mehrere Additionsimpulse »Cl« aufeinander, so kippt die bistabile Kippstufe 5 nur beim ersten dieser Impulse und bringt den Summenzähler 8 in Stellung Addition (Ci). Eine Umschaltung erfolgt erst bei Ankunft eines Subtraktionsimpulses (C2) und diese Kippstufe verbleibt dann in dieser Schaltstellung bis zum Eintreffen eines weiteren Additionsimpulses (¹CI). Zur gleichen Zeit werden die Impulse Cl und C2 über die Trennglieder 61 und 62 der Formungs- und Verzögerungsschaltung 7 zugeführt und gelangen anschließend zum Summenzähler 8. Die durch diese Schaltung 7 eingebrachte Verzögerung ermöglicht den Gattern für den Durchlauf Cer Informationen zur Umschaltung von Addition auf Subtraktion des Summenzählers 8 die Funktionsumschaltung vorzunehmen. Die Aufgabe der Trennglieder 61 und 62 liegt darin, eine Rückkehr der beiden gemischten Kanäle zur bistabilen Kippstufe 5 zu verhindern, da ansonsten Zählfehler auftreten würden. Die Funktion der Schaltung verläuft aperiodisch und ■·, erfordert keine Nullstellung, da der erste Impuls die einzige bistabile Kippstufe 8 in die richtige Stellung bringt.

Eine Aufbauvariante dieser Schaltung besteht darin, die Additions- und Subtraktionsbefehle (C 1/C2) direkt auf die entsprechenden Eingänge eines Summenzählers 8 zu übertragen, der einen Additions- und einen Sublraklionseingang besitzt.

Um bei einer Messung mit erhöhter Genauigkeit eine Addition und eine Subtraktion der Interferenzstreifen

is durchführen zu können, wird eine logische Steuerschaltung in der Art der in Zeichnung 2 gezeigten Schaltung 4 verwendet, die über eine Anzahl von η Eingängen und über η jeweils zwei Kanälen der Zeichnung 2 entsprechende Kanäle die Anzahl η der verschachtelten

2n Signale empfäiigi.

Diese logische Steuereinheit umfaßt demnach 2/iden vorgenannten Einheiten 41, 42, 43 und 44 vergleichbare und bereits beschriebene Untereinheiten. Die beiden ODER-Gatter 401 und 402 dieser Schaltung besitzen

2*, jeweils In bestimmte Eingänge. Es kann darüberhinaus gezeigt werden, daß lediglich drei der In Eingangsimpulse dieser Schaltung 4 den Impuls »S« bilden können, der unmittelbar ein und demselben Inititalimpuls »/?« folgt. Somit kann für einen Initialimpuls Pi der darauffolgende Impuls P\*\. P, + „ sein, wobei P,*„dann gewählt wird, wenn / kleiner als η ist, — P₁ __m wenn / größer als η ist. Ist /gleich n, so entspricht dies dem Fall, in dem der Impuls P2n vorliegt. Dies gilt übrigens nur dann, wenn eine Impulsnumerierung gewählt wird, die derjenigen entspricht, bei der n = l ist, d.h. bei einer Numerierung in steigender Richtung, wobei zuerst die positiven und hernach die negativen Impulse erscheinen. Hierzu ist zu bemerken, daß jede beliebige Numerierungsform gewählt werden kann, allerdings unter der Voraussetzung, daß jeweils dementsprechend die einzelnen Definitionen und Impulsfolgen der genannten Art hierauf abgestimmt werden, so daß sich eine Tabelle der verschiedenen möglichen Fälle ergibt.

Ist Pi der Initialimpuls und folgt unmittelbar der

4t Impuls P,₊ i, so sendet die logische Steuerschaltung 4 einen Additionsbefehl »Cl« eines Quantums an den Summenzähler 8. Folgt P₁* 1 dem Impuls Pi, so wird ein Subtraktionsbefehl »C2« eines Meßquantums an diesen Summenzähler 8 gegeben. Folgt jedoch der Impuls P,+„ unmittelbar dem Impuls Pi. so erfolgt keine Befehlsgabe.

Innerhalb einer Anwendung in der Meßtechnik und

bei Verwendung eines Michelsonschen Interfeiv/meters ist der Wert des Meßquantums gleich dem 4n-ten Teil der Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung zum Vorwärts/Rückwärts-Zählen der von einem optischen System zur Messung der Bewegung eines Objektes aus Interferenzstreifen abgeleiteten, π gegeneinander phasenverschobenen elektrischen periodischen Signale, mit η gleichartigen, jeweils von den η Signalen gesteuerten Kanälen, deren jeder einen Impulsformer enthält, der sein Eingangssignal in ein Rechtecksignal umformt, sowie mit einem Differenzierglied für das Rechtecksignal, das an einem Ausgang Impulse entsprechend ansteigenden Flanken und an einem anderen Ausgang Impulse entsprechend abfallenden Flanken des Rechtecksignals liefert, und mit einem von diesen Impulsen über eine ODER- und UND-Glieder enthaltende logische Steuerschaltung gesteuerten Vorwärts/Rückwärts-Zähler mit zwei Eingängen, dadurch gekennzeichnet, daß die 2/J Eingänge der Steuerschaltung (4) mit den Ausgängen der Impulsformer (11,12) ausschließlich über die Differenzierglieder (21, 22) verbunden sind, und daß die Steuerschaltung (4) an den Vorwärts/ Rückwärts-Zähler (8) nur dann einen Zählimpuls abgibt, wenn der unmittelbar folgende Impuls aus einem anderen Kanal stammt

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebungen gleich π/π sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß π gleich 2 ist

4. Schaltung nach einem de- Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgängen (Q, C₂) der Steuerschaltung (4) und dem Zähleingang des Vorwärts/RüCKwärts-Zählers (8) Trennstufen (61,62) und eine monostabile Kippstufe (7) zur Impulsformung und -verzögerung geschaltet sind und daß die Ausgänge (Q, Ci) der Steuerschaltung (4) mit den beiden Eingängen einer bistabilen Kippstufe (5) verbunden sind, deren Ausgang mit dem Steuereingang des Vorwärts/Rückwärts-Zäh-Iers (8) verbunden ist.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (4) 2/7 gleichartige Baugruppen (41, 42, 43, 44) umfaßt, von denen jede eine bistabile Kippstufe (z. B. 410) enthält, die 2/7-1 UND-Glieder (411, 412, 413) steuert, deren Ausgänge mit einem der Eingänge der bistabilen Kippstufen über ein ODER-Glied (414) verbunden sind, während der andere Eingang der bistabilen Kippstufe (410) und die übrigen 2/7—1 Eingänge der UND-Glieder (411, 412, 413) mit den 2/7 Ausgängen (P\, P₂, Pj, P*) der Kanäle verbunden sind, und daß die Steuerschaltung (4) außerdem zwei ODER-Glieder (401, 402) enthält, deren Ausgänge die Ausgänge (Q, Ci) der Steuerschaltung bilden und die an ihren Eingängen die von einem UND-Glied jeder der Baugruppen (41, 42, 43, 44) übertragenen Impulse erhalten.