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Die
vorliegende Erfindung befaßt
sich mit einem digitalen Schieberegler bzw. einem elektrischen Schiebebauteil,
welches speziell als Schiebe-Potentiometer ausgebildet ist. Üblicherweise
besitzen derartige Anordnungen eine Reihe längenabhängiger Widerstände mit
Gleitelementen, um bestimmte Widerstände einstellen zu können. Meist
wird dazu auf einem geeigneten Substrat ein leitfähiges Muster
in Form einer Widerstandsbahn aufgebracht. Das Gleitelement steht
dabei in ständigem
Kontakt zur Widerstandsbahn. Wird das Gleitelement parallel zur
Widerstandsbahn bewegt, so verändert
sich der elektrische Widerstand zwischen jeweils einem Endpunkt der
Widerstandsbahn und dem Gleitelement. Der konventionelle Schieberegler
wird als variabler Widerstand oder als analoger Spannungsteiler
eingesetzt. Für
den letztgenannten Spannungsteiler werden verschie dene Spannungspotentiale
an je einem Ende der Widerstandsbahn angelegt. Das Gleitelement
greift eine Spannung an der Widerstandsbahn ab, so daß die abgegriffene
Spannung von der örtlichen
Position des Gleitelements abhängig
ist.
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Um
herkömmliche
Schiebe-Potentiometer in der digitalen Signalverarbeitung einzusetzen,
muß dieses
Potentiometer als Spannungsteiler betrieben werden. Der analoge
Spannungswert wird dabei in eine digitale Information gewandelt.
Eine analoge Spannung ist verhältnismäßig störanfällig. Der
digital auszuwertende Spannungsunterschied beim analogen Schieberegler
in herkömmlichen
Systemen im Bereich von wenigen Millivolt liegt. Der Aufwand einer
Analog/Digital-Umsetzung wird als verhältnismäßig aufwendig angesehen und
birgt zusätzliche
Fehlerquellen, so daß die
Störanfälligkeit
des Schiebereglers noch vergrößert wird.
Eine Störspannung von
z.B. 1 Volt bei einem analogen Schieberegler wird erhebliche Fehler
verursachen. Die gleiche Störspannung
hat bei einem digitalen Wert so gut wie keine Auswirkung.
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Eine
direkte Umsetzung der Gleitelement-Position in einen digitalen Wert
würde den
Aufwand eines Analog/Digital-Wandlers vermeiden und bietet darüber hinaus
eine hohe Störfestigkeit
eines digitalen Systems, verglichen zur Analogtechnik.
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Ein
digitaler Schieberegler ermöglicht
die Auswertung einer absoluten Position in diskreter Form. Es ist
dabei kein Bezug zu einer definierten Position, üblicherweise die Null-Stellung,
notwendig. Das heißt
mit anderen Worten, daß die
Position des Gleitelements zu jeder Zeit ohne Kalibrierung abgelesen
werden kann. Ein derartiger digitaler Encoder ist aus der WO 93/06436
im Stand der Technik bekannt. Dieser digitale Encoder weist ein
photosensitives Element auf, das einen Teil beabstandeter Leiter überdeckt.
Ein Lichtstrahl erstreckt sich dabei sowohl über das photosensitive Element
als auch über
die teilweise bedeckten Schiebebahnen. Infolge der Belichtung des
photosensitiven Elements wird dieses leitend, wodurch abhängig von
der lokalen Überlappung
des photosensitiven Elements mit dem Leiter entweder eine leitende
Verbindung zwischen Leiter und photosensitivem Element entsteht
oder nicht, je nachdem wo der Lichtstrahl sich gerade befindet. Dieser
physikalische Effekt wird dazu verwendet, um einen codierten digitalen
Ausgang an der beschriebenen Anordnung zu erhalten. Eine derartige
Anordnung wird als mechanisch und elektrisch zu aufwendig empfunden,
wodurch einerseits hohe Fertigungskosten und andererseits eine höhere Störanfälligkeit verursacht
werden.
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Zur
absoluten translatorischen Positionsbestimmung eignen sich grundsätzlich neben
magneto-resistiven und photoelektrischen Systemen vor allem eine
elektromechanische Lösung.
Die elektromechanische Lösung
bietet bei der im Einsatz als Schieberegler nötigen Auflösung im Bereich von Zehntel Millimetern
die preisgünstigste
und robusteste Lösung.
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Daher
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen digitalen mechanischen
Schieberegler bereitzustellen, der ohne einen elektronischen A/D-Wandler
ein digitales Signal zur Positionsbestimmung des Schiebers zur Verfügung stellt.
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Diese
Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Hauptansprüche gelöst.
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Der
digitale Schieberegler mit einer vorbestimmten Anzahl parallel geführter Schiebebahnen und
einem kontinuierlich parallel zu den Schiebebahnen verschiebbaren
Gleitelement zeichnet sich dadurch aus, daß jede Schiebebahn in bestimmten
Abständen
unterbrochen ist, so daß leitende
und nichtleitende Abschnitte gebildet werden, wobei die leitenden
Abschnitte einer Schiebebahn leitend miteinander verbunden sind.
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Dabei
ist es vorteilhaft, das Gleitelement kammartig auszubilden und quer
zur Längsachse
der Schiebebahnen verschieblich anzuordnen.
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Ferner
ist es vorteilhaft, jeden einzelnen Schleifkontakt des Gleitelements
jeweils einer Schiebebahn zuzuordnen. Zweckmäßig ist es dabei, die Anzahl
der Schiebebahnen nach der geforderten Positionsgenauigkeit (Auflösung) zu
wählen.
Ferner ist es vorteilhaft, daß mindestens
eine Schiebebahn keine Unterbrechungen aufweist.
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Als
vorteilhaft erweist es sich weiterhin, daß die leitenden Abschnitte
jeder Schiebebahn genauso lang sind, wie die nichtleitenden Abschnitte
jeder Schiebebahn. Dies ist jedoch keine zwingende Voraussetzung
für die
Funktion des erfindungsgemäßen digitalen
Schiebereglers.
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Als
vorteilhaft erweist es sich auch, daß jede unterbrochene Schiebebahn
gegenüber
Masse (GND) auf ein festes Potential (V+) gelegt ist. Ganz besonders
wichtig ist es, daß die
einzelnen Schleifkontakte des Gleitelements untereinander leitend verbunden
sind und die Breite der einzelnen Schleifkontakte nicht größer als
die Breite der leitenden Abschnitte der Schiebebahnen sind.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die leitenden
und nichtleitenden Abschnitte der Schiebebahnen so angeordnet sind, daß die Potentialabfrage
der einzelnen Schiebebahnen einen sogenannten Gray-Code ergeben.
Ganz besonders wichtig für
die mechanische Standfestigkeit des erfindungsgemäßen digitalen
Schiebereglers ist es, daß die
nichtleitenden Abschnitte der Schiebebahnen mit einer geeigneten
Masse aufgefüllt
sind, wobei die Masse jedes beliebige geeignete Material darstellen
kann. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die geeignete Masse
aus dem gleichen Material wie die Schiebebahnen beschaffen ist.
Dadurch kann die Auffüllung
der Zwischenräume
zwischen den leitenden Abschnitten in einem Arbeitsgang hergestellt
werden.
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Für gewisse
Anwendungsfälle
ist es vorteilhaft, wenn das Substrat, auf dem die Schiebebahnen angeordnet
sind, zweiteilig ist und die Schiebebahnen auf beiden Seiten des
Substrats angeordnet sind, so daß der Träger des Gleitelements U-förmig oder
doppel-U-förmig
ausgebildet werden kann. Diese Maßnahme kann zur Miniaturisierung
des digitalen Schiebereglers entscheidend beitragen.
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Weitere
erfindungswesentliche Merkmale sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Im
nun folgenden wir die Erfindung anhand von Zeichnungen im Detail
näher erläutert. Es
zeigt
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1 die
schematische Draufsicht eines Substrats (1) mit den parallel
angeordneten Schiebebahnen (2, 2') und dem kammartigen Gleitelement (4);
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2 eine
schematische Draufsicht eines Substrats (1) mit den parallel
angeordneten Schiebebahnen (2, 2'), sowie eine schematisierte Darstellung zur
Bildung des sogenannten Gray-Codes;
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3 das
Prinzip-Schaltbild eines 8-Bit-Schiebereglers; 4a die
Draufsicht einer technischen Ausführung eines Gleitelements (4)
mit neun Schleifkontakten (7);
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4b die
Seitenansicht eines Gleitelements (4);
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5a eine
schematische Draufsicht auf eine unterbrochene Schiebebahn (2)
mit der in den Zwischenräumen
befindlichen Füllmasse
(8);
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5b die
schematische Seitenansicht einer Schiebebahn (2) mit einer
geeigneten Füllmasse (8).
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In 1 ist
schematisch die Draufsicht auf ein Substrat 1 mit parallel
angeordneten Schiebebahnen 2, 2' und einem Gleitelement 4 dargestellt.
Auf dem Substrat 1 sind die Schiebebahnen 2 parallel
zueinander angeordnet und weisen rechteckige Ausnehmungen auf. Die
ausgefüllten
Flächen
stellen die leitenden Abschnitte 5 dar und die Ausnehmungen sind
naturgemäß die nichtleitenden
Abschnitte 6 der Schiebebahn 2. Die leitenden
Verbindungen 10 zwischen den leitenden Abschnitten 5 der Schiebebahnen
sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel
gedruckte Leitungen, die aus dem gleichen Material wie die leitenden
Abschnitte 5 gebildet sind. Jedoch ist jede andere Art
von Leitungsführung
ebenfalls denkbar, da es in Fällen
sehr enger Leitungsbahnführung darauf
ankommen kann, die Breite (B) der Schiebebahnen möglichst
gering zu halten. Daher ist es wichtig, daß die Kontaktflächen des
Gleitelements, die. Schleifkontakte 7, sich lediglich über die
Breite (B) der leitenden Abschnitte 5 der Schiebebahnen 2 erstrecken.
Die Breite der Schleifkontakte (b) muß kleiner sein als die Breite
(B) der Schiebebahnen 2 (b < B). Infolge dieser Maßnahme besteht
abhängig
von der Position des Gleitelements 4 eine Verbindung zwischen
der Schiebebahn 2 bzw. dem leitenden Abschnitt 5 zum
Gleitelement oder nicht, d.h. dann nicht, wenn das Gleitelement über dem
nichtleitenden Abschnitt 6 steht. Die genaue Bedeutung
und Funktionsweise dieser Unterbrechungen in den Schiebebahnen 2 wird
an späterer
Stelle näher
beschrieben. Die Längen
des leitenden Abschnitts 5 und die des nichtleitenden Abschnitts 6 sind
in etwa gleich lang, um eine lineare Abhängigkeit von der Position des
Gleitelements 4 zur Signalfolge zu erhalten. Das vorliegende
Ausführungsbeispiel
weist neun parallel zu einander angeordnete Schiebebahnen 2 auf,
wovon eine Schiebebahn 2' keine
Ausnehmungen aufweist. Die leitenden 5 und nichleitenden 6 Abschnitte
benachbarter Schiebebahnen 2 sind so angeordnet, daß sie sich
in der Projektion überlappen, das
heißt,
ein nichtleitender Abschnitt 6 in der benachbarten linken
Schiebebahn wird von einem leitenden Abschnitt 5 der rechtsseitig
benachbarten Schiebebahn überlappt.
Die Längen
der leitenden und nichtleitenden Abschnitte der einzelnen Schiebebahnen 2 sind
so ausgeführt,
daß sie
linksseitig am kleinster sind und nach rechts sich sukzessiv vergrößern, was
je nach gewünschtem
Code unterschiedlich sein kann. Bei einer 8-Bit-Auflösung sind
neun Schiebebahnen notwendig, die hier mit L0 bis L7 bezeichnet
sind, und die durchgehende Schiebebahn 2' ist mit LGND bezeichnet.
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In 2 ist
ein größerer Ausschnitt
eines Substrats 1 mit den dort aufgebrachten Schiebebahnen 2, 2' dargestellt.
Am Ende jeder Schiebebahn 2 befindet sich eine Kontaktstelle 11,
an die eine weiterführende
elektrische Leitung angebracht wird. Die Kontakte L0 bis L7 liegen
alle auf einem hochohmigen vorgegebenen Potential (V+),
wobei der Kontakt LGND auf einem anderen niederohmigen Potential, in
der Regel Masse-Potential, liegt. Wie bereits erwähnt wurde,
ist die Anzahl der Schiebebahnen 2 maßgebend für die Genauigkeit der Positionsbestimmung.
Mit einer einzigen Schiebebahn 2 kann die Position in zwei
Stufen digital unterteilt werden, nämlich in zwei Hälften, wobei
die erste Hälfte
des Schiebeweges ein nichtleitender Abschnitt 6 darstellt
und die zweite Hälfte
der Schiebebahn bzw. des Schiebeweges den leitenden Abschnitt 5 der
Schiebebahn 2 darstellt. Elektrisch bedeutet das, daß die Schiebebahn 2 in
der ersten Hälfte
des Schiebeweges auf dem hohen Potential (V+)
liegt, während
die Schiebebahn 2 in der zweiten Hälfte des Schiebeweges über den
Schleifkontakt 7 auf das Potential der ununterbrochenen
Schiebebahn 2' gezogen
wird. Mit einer weiteren Schiebebahn 2" wird annähernd die Hälfte des nichtleitenden Abschnitts 5 und
annhähernd
die Hälfte
des leitenden Abschnitts 6 in der Projektion überlappt.
Mit einer weiteren Schiebebahn wird wiederum ein Teil der leitenden
und nichtleitenden Abschnitte der vorangegangenen Schiebebahn in
der Projektion überlappt
usw. Werden beispielsweise acht Schiebebahnen mit entsprechend zueinander versetzen
leitenden und nichtleitenden Abschnitten angeordnet, ergibt sich
eine Auflösung
von 256 Stufen.
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Da
jede Schiebebahn 2 mindestens eine Ja-/Nein-Information
darstellt, beinhaltet sie den Informationsgehalt eines Bits. Prinzipiell
kann jeder Stufe der Gleitelement-Position ein beliebiges Muster (Code)
zugeordnet werden, das eindeutig sein muß. Um Fehlinterpretationen
beim Übergang
von einem Wert zum nächsten
zu vermeiden, wird im vorliegenden Fall ein sogenannter Gray-Code
verwendet. Dieser zeichnet sich dadurch aus, daß sich zwei benachbarte Werte
immer nur durch ein Bit unter scheiden. Werden also im Übergang
zwischen zwei Werten die Bits der beiden Werte gemischt, so kann
nie ein anderer Wert als die beiden angrenzenden gelesen werden.
Im Falle der Schiebebahnen heißt
dies, daß sich
zwischen zwei Stufen nur ein Übergang
von Leitfläche 5 zu
Ausbruch 6 (oder umgekehrt) befindet. Bei einer anfänglichen
Stellung des Gleitelements 4, wo lediglich der äußere leitende
Abschnitt 5' vom Schleifkontakt 7 des
Gleitelements 4 berührt
wird, stellt sich das digitale Signal (01111111) an den Kontakten 11 ein.
Bei Verschiebung des Schleifelements 4 in Längsrichtung
der Schiebebahnen 2 würde
sich auf den folgenden zehntel Millimetern ein digitales Signal
von (00111111) einstellen, da die Schleifkontakte 7 nunmehr
sowohl mit dem leitenden Abschnitt 5' als auch mit dem leitenden Abschnitt 5" der benachbarten
Schiebebahn 2 in Kontakt steht. Im nächsten Schritt würde sich
das digitale Signal (0001 1111) einstellen. Diese Signalfolge digitaler
Bits läßt sich
beliebig weiterführen
und ist am Rande der 2 symbolisch dargestellt. Bei
einer 8-Bit-Auflösung
entspricht ein Schritt oder eine Stufe etwa 0,39 mm, wenn 256 Stufen
auf 100 mm gleichmäßig verteilt
sind.
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In 3 ist
das prinzipielle Schaltbild des digitalen Schiebereglers gezeigt.
Die Schiebebahnen 2, 2' sind hier mit L0 bis L7 und LGRND bezeichnet. Auf den Schiebebahnen befindet
sich symbolisch der Schleifkontakt 7. Das Gleitelement 4 besteht
somit praktisch aus neun Schleifkontakten 7 und einem elektrisch
leitenden Joch 9, so daß sämtliche Schleifkontakte 7 untereinander
elektrisch verbunden sind. Liegt nun der Schleifkontakt 7 auf
einem leitenden Abschnitt 5 der Schiebebahn 2,
so wird das Potential (V+) über den
Widerstand R0 auf das Potential (GND) bezogen, wodurch eine logische "Null" entsteht. Liegt der
Schleifkontakt 7 einer Schiebebahn auf dem nichtleitenden
Abschnitt 6, so wird die Verbindung zwischen dem Schleifkontakt 7 und
dem Potential (V+) unterbrochen, so daß der Kontakt
auf das Potential (V+) gelegt wird, wodurch
sich eine logische "Eins" einstellt. Das Potential
(GND) ist in der Regel die Masse des Geräts.
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In 4a ist
die Draufsicht eines Ausführungsbeispiels
eines Gleitelements 4 ersichtlich. Das elektrisch leitende
Joch 9 ist praktisch eine dünne Metallplatte, in der zwei
Bohrungen 13 angeordnet sind, die dazu dienen, das Metallplättchen bzw.
das Joch 9 auf einem nicht gezeigten Träger zu befestigen. Im einfachsten
Falle sind die Schleifkontakte stehengelassene Stege des gleichen
federnden Materials wie das Joch 9. Die Breite (b) der
Schleifkontakte 7 bemißt
sich grundsätzlich
nach der Breite (B) der Schiebebahnen bzw. der leitenden und nichtleitenden
Abschnitte 5, 6. Da das vorliegende Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen digitalen Schiebereglers
acht Bits aufweist, sind hierfür
neun Schleifkontakte 7 notwendig.
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In 4b ist
die Seitenansicht des Gleitelements 4 ersichtlicht. Um
die Gleitfähigkeit
der Schleifkontakte 7 zu optimieren, sind die Stellen,
die mit der Schiebebahn 2 in Berührung stehen, in üblicher
Weise profiliert, d.h. gerundet. Um die Kontaktstellen 14 vor
Oxidation zu schützen,
sind diese gerundeten Stellen vergoldet, wobei die Schleifkontakte
Federn aus Beryllium sind. Etwa in der Mitte des Jochs 9 befindet
sich ein Knick 15, der dazu dient eine geometrische Anpassung
zu gewährleisten.
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In 5a wird
schematisch ein Teil einer Schiebebahn 2 dargestellt. Die
Schiebebahn 2 besteht prinzipiell aus leitenden und nichtleitenden
Abschnitten 5, 6. Um einen möglichst geringen Abrieb der
Kontaktstellen 14 des Schleifkontakts 7 zu gewährleisten,
sind die nichtleitenden Abschnitte 6 mit einer geeigneten
Füllmasse 8 aufgefüllt, so
daß der Schleifkontakt 7 nicht
an jeder Übergangsstelle über die
Kanten der leitenden Abschnitte gezogen wird, wodurch der Abrieb
weitgehend vermieden wird. Die Abstände zwischen der geeigneten
Füllmasse 8 und dem
leitenden Abschnitt 5 beträgt etwa 0,05 bis 0,3 mm. Aus
Einfachheitsgründen
und Gründen
leichterer Herstellung ist im vorliegenden Fall die Füllmasse 8 aus
dem gleichen Material wie die leitenden Abschnitte 5 beschaffen.
Wichtig ist es, daß zwischen der
Füllmasse 8 und
dem leitenden Abschnitt 5 keinerlei elektrischer Kontakt
besteht.
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In 5b ist
schematisch die Seitenansicht eines Ausschnitts einer Schiebebahn 2 auf
einem Substrat 1 dargestellt. Die Höhe der Füllmasse 8 muß exakt
die gleiche wie die der leitenden Abschnitte 5 der Schiebebahn 2 sein,
um nicht eine zusätzliche
Stufe für
den Schleifkontakt 7 zu schaffen.
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In 6 ist
schematisch ein Ausführungsbeispiel
eines zweiteiligen Substrats 1, 1' dargestellt, das auf beiden Seiten
des Substrats 1, 1' Schiebebahnen 2 aufnimmt.
Dadurch kann der Schieber bzw. das Gleitelement 4 aus einem
doppel-U-förmigen
Teil hergestellt werden, um somit die Baugröße des digitalen Schiebereglers
zu reduzieren.
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Zusammenfassend
wird festgestellt, daß die Umsetzung
der Erfindung eine Mehrzahl von Schiebebahnen benötigt, um
eine sinnvolle Positionsauflösung
zu erzielen. Die Schiebebahnen können
dem Gray-Code entsprechende Ausnehmungen bzw. Leitflächen besitzen,
die auf einem Substrat liegen. Weiterhin ist ein Gleitelement 4 mit
Schleifkontakten 7 zu realisieren, die wechselweise die
leitenden 5 und nichtleitenden Abschnitte 6 berühren. Die Schleifkontakte 7 sind
begrenzt auf die Breite (B) der Schiebebahnen 2. Die Schiebebahnen
müssen
auf einem bestimmten hochohmigen Potential (V+)
liegen. Ein Schleifkontakt hat ständig elektrischen Kontakt zu
einer zusätzlichen
Schiebebahn 2',
die keine Ausnehmungen aufweist. Die Schiebebahn 2' liegt auf einem
festen Potential, z.B, der Masse. Werden nun alle Schleifkontakte 7 elektrisch
leitend mit diesem zusätzlichen
Schleifkontakt 7' verbunden,
so liegen sämtliche
Schleifkontakte auf dem gleichen Potential, nämlich dem Masse-Potential.
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Das
Gleitelement 4 wird parallel zu den Schiebebahnen 2 in
der Art verschoben, daß die Schleifkontakte 7 ständig in
mechanischem Kontakt mit dem Substrat 1 stehen.
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Dadurch,
daß die
Kontaktflächen
des Gleitelements 4 auf dem Masse-Potential gehalten werden und
die Schiebebahnen über
einen Widerstand auf die Betriebsspannung (V+)
gespannt werden, können die
Potentiale der Schiebebahnen direkt in ein digitales System eingebunden
werden. Der digitale Schieberegler, der auch Digital-Fader genannt
wird, ermöglicht
eine konsequente digitale Struktur vom Eingabemedium bis zu dessen
Umsetzung in die Signalverarbeitung.