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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Signal
über den Grad einer Annäherung jeweils aus der Höhe der Amplitude der abklingenden
Schwingung zu einem bestimmten Zeitpunkt nach jedem Anregungsimpuls abgeleitet wird,
daß die abklingenden Schwingungs-Spannungsamplituden in einem Komparator mit einer
Referenzspannung verglichen werden, wobei der Komparator je nach Über- oder Unterschreiten
der Referenzspannung ein entsprechendes digitales Ausgangssignal liefert, daß eine
digitale Signalfolge für Abfragezeitspannen gebildet wird, die jeweils mindestens
gleich lang wie eine Schwingungsperiode des Schwingkreises sind, daß die Signalfolge
für die Abfragezeitspannen und die Ausgangssignale des Komparators an ein Konjunktionsglied
geliefert werden, mit dem jeder Abklingvorgang des Schwingkreises während der Abfragezeitspannen
abgefragt wird, und daß die Ausgangsimpulse des Konjunktionsgliedes in einer Impuls-
verlängerungsschaltung
auf mehr als die Periode der Schwingkreisanregung zu Ausgangssignalen verlängert
werden, die zu Anzeigezwecken, zur Steuerung eines elcktronischen Schaltgliedes
und dgl. verwendbar sind.
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Diese Schaltung stellt eine besonders einfache und preiswerte Ausführungsform
für einen Näherungsschalter mit geringem Strombedarf dar. Mit Hilfe dieser Schaltung
ist es möglich, die sehr geringen, abklingenden Spannungsamplituden des Schwingkreises
in zuverlässiger, funktionssicherer Weise auszuwerten und somit die Annäherung eines
elektrisch oder magnetisch leitenden Körpers anzuzeigen.
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Ein entscheidender Vorteil dieser Schaltung besteht darin, daß nicht
die absolute Größe der Schwingkreisamplituden zur Bestimmung des Annäherungszustands
herangezogen wird, sondern eine rein zeitabhängige Auswertung mit normierten Größen
durchgeführt wird.
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Damit kann die Schaltung funktionsmäßig weitgehend durch einen Mikroprozessor
ersetzt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert,
in der zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild für einen Näherungsschalter nach der Erfindung,
Fig.2 ein ausführliches Schaltbild des Näherungsschalters nach Fig. 1, F i g. 3
den Signalverlauf an verschiedenen Punkten der Schaltung nach den F i g. 1 und 2,
wobei allerdings negative, für die Funktion hier unbeachtliche Impulsanteile in
den Bildern 3b und 3g deutlichkeitshalber weggelassen sind, g. 4 ein Blockschaltbild
eines Näherungsschalters, bei welchem zahlreiche Funktionen von einem Mikroprozessor
übernommen sind, Fig.S ein zusammengefaßtes Blockschaltbild zu F i g. 4 mit zusätzlichen
Eingabeteilen und F i g. 6 den Signalverlauf des Pulsgenerators bei der Schaltung
nach den Fig. 4 und 5.
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Die F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild für einen Näherungsschalter,
der an seinem Ausgang ein erstes Signal abgibt, wenn der Schwingkreis von außen
bedämpft ist, und ein zweites Signal liefert, wenn der Schwingkreis von außen nicht
bedämpft ist. Diese Signale können unmittelbar ein Anzeigeelement, z. B. Leuchtdiode,
an-oder ausschalten. In diesem Fall stellt Fig. 1 bereits einen kompletten Näherungsschalter
dar. Die Signale sind insbesondere aber auch zur Steuerung des elektronischen Schaltgliedes
(Thyristor, Triac etc.) von elektronischen Näherungsschaltern geeignet.
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Ein Pulsgenerator 1 liefert kurze Nadelimpulse 16 von der Zeitdauer
tl mit einer Taktfrequenz bzw. Periode t2 an einen elektronischen Schalter 2, z.
B. einen Transistor, durch den jeweils kurzzeitig ein aus einer Spule 3 und einem
Kondensator 4 bestehender Schwingkreis 17 über einen Strombegrenzungswiderstand
5 an eine Gleichspannungsquelle 6 mit der Betriebsspannung UB gelegt wird. Der Kondensator
4 wird während der kurzen Zeitspanne t aufgeladen, so daß der Schwingkreis 17 nach
dem Schließen des Schalters 2 zu schwingen beginnt. Seine hochfrequenten Schwingungen
12 haben eine Schwingungsperiode tHFund klingen entsprechend der Einhüllenden 13
ab. Der Bereich dieser nur schwach bedämpften Schwingungen 12 entspricht in F i
g. 3 dem Zeitraum A, in dem der Schwingkreis 17 von außen nicht bedämpft ist.
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Bei der Annäherung eines elektrisch oder magnetisch leitfähigen Gegenstandes
an die Spule 3 nimmt deren
Güte deutlich ab, so daß stark gedämpfte Schwingungen
14 entstehen, die entsprechend der Einhüllenden 15 erheblich schneller abnehmen
als die Schwingungen 12.
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Dieser Zeitraum bzw. Zustand mit starker äußerer Dämpfung ist in F
i g. 3 mit 13 bezeichnet Die Schwingungen 12 bzw. 14 werden in einem Komparator
18 einer Auswerteschaltung 7 mit einer Referenzspannung Uref verglichen, wobei der
Komparator 18 je nach Über- oder Unterschreiten der Referenzspannung ein entsprechendes
digitales Ausgangssignal als Pulsfolge 19 (vgl. F i g. 3 und die Schaltungspunkte
e in Fig. 1 und 2) liefert.
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Der Pulsgenerator 1 liefert eine zweite Pulsfolge 20 aus einzelnen
Rechteckimpulsen 21, deren Abfolge der Periodendauer t2 der Nadelimpulse 16 entspricht.
Die Rechteckimpulse 21 nehmen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa die Hälfte
der Periodendauer t2 ein.
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Die Pulsfolge 20 des Pulsgenerators 1 wird einem Fenstergenerator
22 zugeleitet, welcher daraus eine digitale Pulsfolge 23 aus Rechtecksignalen 24
erzeugt, deren Anstiegsflanke 25 zeitlich gegenüber den Nadelimpulsen 16 versetzt
ist und beispielsweise bei einem Viertel der Periodendauer t2 der Schwingkreisanregung
liegt.
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Die Rechteckimpulse 24 des Fenstergenerators 22 und das Ausgangssignal
19 des Komparators 18 werden an ein Konjunktionsglied 26 geliefert, das bei f Ausgangssignale
nur dann liefert, wenn ein Rechteckimpuls 24 des Fenstergenerators 22 mit einzelnen
Impulsen 27 des Ausgangssignales 19 des Komparators 18 zusammen fällt. Das heißt,
die Länge der Rechteckimpulse 24 bestimmt den Abfragezeitraum St3 für das Ausgangssignal
19 des Komparators 18. Damit im Fall der Schwingung 12 einzelne Impulse 27 des Komparators
18 in den Abfragezeitraum dt3 fallen, muß dieser mindestens gleich der Schwingungsperiode
tHF der Schwingungen 12 sein. Bei äußerer Bedämpfung klingen dagegen die Schwingungen
14 so rasch ab, daß zu Beginn eines Abfrageimpulses 24 bereits die Referenzspannung
Urer unterschritten ist und damit der Ausgang 19 des Komparators 18 bei Null liegt.
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Am Ausgang des hier verwendeten, invertierenden Konjunktionsgliedes
26 tritt ein Signalverlauf 29 auf, bei dem die Abwesenheit eines leitenden Gegenstandes
lediglich durch kurze Signalipulse 30 angezeigt wird.
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Diese Ausgangsimpulse 30 werden in einer Impuls-Ver-Iängerungsschaltung
31 um eine Zeitdauer t4 verlängert, die etwas größer als die Periode t2 der Schwingkreisanregung
ist. Damit entsteht am Ausgang der Verlängerungsschaltung 31 (Punkt h) im Falle
der Abwesenheit eines leitenden Gegenstandes ein glatter Gleichspannungspegel, also
ein durchgehendes, zwischen zwei Abfragezeiten At3 ununterbrochenes »1 «-Signal
32. Bei der Annäherung eines leitenden Gegenstandes tritt dagegen mit einer zeitlichen
Verzögerung ein »O«-Signal 33 auf.
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F i g. 2 zeigt im Detail die Schaltung nach F i g. 1 unter Verwendung
eines einzigen integrierten Schaltkreises für die drei gezeigten, invertierenden
Konjunktionsglieder 39, 50 und 55. Der Pulsgenerator 1 besteht aus zwei Komparatoren
34, 35, deren Ausgänge an die Eingänge eines NAND-Gliedes 36 angeschlossen sind.
Beide Komparatoren 34, 35 arbeiten mit einer gemeinsamen Bezugsspannung Ubez. Der
Eingang des ersten Komparators 34 liegt an der Betriebsspannung UB, welche größer
als Ubez ist. Am ersten Eingang des NAND-Gliedes 36 liegt damit stets ein »l«-Signal.
Liefert der zweite Komparator 35 ein »O«-Signal, so erscheint am Ausgang
des
NAND-Gliedes 36 eine positive Signalspannung.
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Diese wird an den Eingang des Komparators 35 zurückgeführt und lädt
dabei über einen Widerstand 37 einen Kondensator 38 auf.
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Sobald der Kondensator 38 ein Potential oberhalb der Bezugsspannung
Uhez erreicht hat, schaltet der Komparator 35 durch. Das Ausgangssignal des NAND-Gliedes
36 fällt auf Null, so daß der oben beschriebene Vorgang in umgekehrter Richtung
abläuft. Dabei werden die Rechteckimpulse 21 für den Fenstergenerator 22 erzeugt.
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In einer realen Schaltung sind die beiden Komparatoren 34, 35 und
das NAND-Glied 36 in einem einzigen Konjunktions-Baustein 39 zusammengefaßt, welcher
die Bezugsspannung Ueber intern erzeugt. Zur Verdeutlichung der Schaltungsfunktionen
sind aber alle Elemente 34,35,36 funktionsmäßig ausgezeichnet.
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Das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 36 wird ferner einer Differenzierschaltung
aus einem Kondensator 40 und einem Widerstand 41 zugeführt. Durch Differenzieren
der ansteigenden Flanke 42 der Rechteckimpulse 21 entstehen damit die Nadelimpulse
16, die jeweils den Transistor 2 kurz durchschalten.
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Die Schwingungen 12 bzw. 14 des Schwingkreises 17 werden dem Komparator
18 zugeführt. An dessen Eingang liegt zunächst eine Hochpaßschaltung aus einem Kondensator
43 und einem Widerstand 44. Darauf folgt das eigentliche Komparatorelement 45 mit
der Referenzspannung Uret; dessen Ausgang 19 an den einen Eingang des NAND-Gliedes
26 geliefert wird, dessen anderer Eingang vom Fenstergenerator 22 bestimmt wird.
Tritt dort ein positiver Rechteckimpuls 21 auf, wird in dem Fenstergenerator 22
ein Kondensator 46 über einen verstellbaren Widerstand 47 aufgeladen. Die Kondensatorspannung
liegt dabei am Eingang eines Komparators 48, welcher wie das Komparatorelement 45
eine Referenzspannung Uref besitzt. Sobald das Potential des Kondensators 46 die
Referenzspannung Uref übersteigt, schaltet der Komparator 48 durch. Fällt das Eingangssignal
20 des Fenstergenerators 22 auf Null zurück, wird der Kondensator 45 schlagartig
über eine Diode 49 entladen, womit auch das Ausgangssignal des Komparators 48 wieder
auf Null zurückfällt. Der Fenstergenerator 22 erzeugt damit insgesamt die bereits
beschriebene Signalfolge 2 .
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Die Ausgangssignale der beiden Komparatoren 45, 48 sind auf die Eingänge
des Konjunktionsgliedes 26 geschaltet, welches in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
als NAND-Glied ausgeführt ist. Die beiden Komparatoren 45,48 und das Konjunktionsglied
26 sind in der Praxis in der bereits beschriebenen Weise im allgemeinen in einem
Konjunktions-Baustein 50 zusammengefaßt, d. h. die Referenzspannung Uref wird intern
erzeugt.
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Das Konjunktionsglied 26 könnte mit leichten Modifikationen der Schaltung
auch ein UND-Glied sein; doch ist insbesondere bei integrierten Schaltkreisen die
gezeigte Ausführung als NAND-Glied vorteilhafter.
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Am Ausgang des Konjunktions-Gliedes 26 entsteht damit das invertierte
Signal 29, das im Normalfall ein durchgehendes »1«-Signal ist. Nur beim gleichzeitigen
Auftreten eines Rechteckimpulses 24 des Fenstergenerators 22 und von Impulsen 27
des Komparators 18 treten am Ausgang des Konjunktionsgliedes 26 kurze »O«-Signale
30 auf. Um diesen invertierten Signalverlauf in der Impuls-Verlängerungsschaltung
31 auswerten zu können, ist an deren Eingang eine Differenzierschaltung vorgesehen,
die aus einem Kondensator 51 und einer
Diode 52 besteht. Damit treten am Punkt g
der Verlängerungsschaltung 31 nadelförmige »I«-lmpulse 52 auf, die eine Differentiation
der Anstiegsflanken 54 des Signals 29 darstellen.
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Die Verlängerungsschaltung 31 umfaßt schießlich einen weiteren Konjunktions-Baustein
55, welcher wiederum aus zwei Komparatoren 56, 57 mit einer Vergleichsspannung Uvergi
und einem NAND-Glied 58 besteht. Der Eingang des Komparators 56 liegt an der Betriebsspannung
UB, So daß er stets ein positives Ausgangssignal aufweist. Die Spannung am Eingang
des Komparators 57 hängt dagegen vom Potentialzustand eines Kondensators 59 ab,
welcher über einen Widerstand 60 aufgeladen wird. Bei Überschreiten der Vergleichsspannung
Uyergj schaltet der Komparator 56 durch, womit am Ausgang des NAND-Gliedes 57 ein
»O«-Signal erscheint Tritt nun am Punkt g der Verlängerungsschaltung 31 ein Nadelimpuls
53 auf, wird ein Transistor 61 durchgeschaltet, was zur Entladung des Kondensators
59 führt.
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Damit nimmt das Ausgangssignal des Komparators 57 den Wert »0« und
das Ausgangssignal des NAND-Gliedes 58 den Wert »l « an. Wird der Kondensator 59
regelmäßig vor Erreichen der Vergleichsspannung Uvergi entladen, so tritt ein durchgehendes
»1«Signal 32 am Ausgang der Verlängerungsschaltung 31 (Punkt h) auf.
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Durch die Schaltung nach den F i g. 1 und 2 erfolgt eine rein zeitabhängige
Auswertung der abklingenden Schwingungen 12 bzw. 14 des Schwingkreises 17. Auch
bei dieser Form der Auswertung ist es, wie bei den bekannten amplitudenabhängigen
Auswertungsarten, ohne weiteres möglich, den Schaltabstand (Ansprechempfindlichkeit
der Schwingkreisschaltung auf eine Bedämpfung von außen) und die Schalthysterese
in einer ebenfalls zeitabhängigen Form zu verstellen. Zur Veränderung des Schaltabstandes
ist der verstellbare Widerstand 47 vorgesehen. Durch Vergrößerung des Widerstandswertes
wird der Kondensator 46 langsamer aufgeladen und somit die Anstiegsflanke 25 der
Rechteckimpulse 24 des Fenstergenerators verzögert. Diese Verzögerung entspricht
einer Vergrößerung des Schaltabstandes; denn es genügt nunmehr schon eine geringere
Bedämpfung des Schwingkreises 17, um während des verschobenen Abfragezeitraums keine
Impulse 27 mehr am Ausgang des Komparators 18 erscheinen zu lassen.
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Durch eine Rückführung des Ausgangs h der Verlängerungsschaltung
31 zum Fenstergenerator 22 wird eine Schalthysterese für den Näherungsschalter erzeugt,
welche über einen weiteren verstellbaren Widerstand 62 einstellbar ist. Durch diese
Rückführung wird der Kondensator 46 bei einem positiven Ausgangssignal der Verlängerungsschaltung
31 sowohl über den Widerstand 46 als auch über den Widerstand 62 aufgeladen, was
hier als Grundzustand angenommen werden soll.
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Geht nun bei der Annäherung eines leitenden Gegenstandes das Ausgangssignal
32 der Verlängerungsschaltung 31 auf Null zurück, dauert die Aufladung des Kondensators
46 entsprechend länger und die Anstiegsflanke 63 eines Rechteckimpulses 64 am Ausgang
des Fenstergenerators 22 wird um einen Zeitraum ts verzögert; vgl. Fig. 3. Damit
wird der Schaltabstand bei Annäherung eines Gegenstandes selbsttätig vergrößert
und der Gegenstand somit im übertragenen Sinne weiter in den Ansprechbereich des
Näherungsschalters hineingezogen. Durch die somit erzeugte Schalthysterese werden
Instabilitäten des Näherungsschalters vermieden.
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Zur Kennzeichnung der Verstellbarkeit des Ansprechabstandes und der
Schalthysterese des Näherungsschalters
sind in Fig. 1 zwei entsprechende
Eingänge 65,66 für den Fenstergenerator 22 eingezeichnet.
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Die Schaltung nach den F i g. 1 und 2 kann im übrigen auch für den
Fall einer Annäherung eines magnetischen Gegenstandes eingesetzt werden, welcher
die Induktivität der Spule 3 verändert. Denn die damit verbundene Änderung der Schwingungsperiode
tHF führt auch zu Unterschieden in den Abklingzeiten, so daß wieder die oben beschriebene
Form der Auswertung anwendbar ist.
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Die Grundausführung des Näherungsschalters nach den F i g. 1 und
2 kann aufgrund der rein zeitabhängigen Auswertung zum größten Teil durch einen
Mikroprozessor funktionsmäßig nachgebildet werden, was anhand der Fig.4 und 5 näher
veranschaulicht ist. In F i g. 4 ist ein Mikroprozessor 67 durch einen gestrichelten
Rahmen angedeutet, welcher funktionsmäßig einen Pulsgenerator 68, ein Konjunktionsglied
69, eine Verlängerungsschaltung 70 sowie einen Fenstergenerator 71 umfaßt. Außerhalb
des Mikroprozessors 67 verbleiben lediglich die Spule 3 und der Kondensator 4 des
Schwingkreises 17, der Strombegrenzungswiderstand 5, der elektronische Schalter
2, sowie der Komparator 18, da hier noch mit analogen Größen gearbeitet wird.
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Durch den Einsatz des Mikroprozessors 67 lassen sich die Einsatz-
und Schaltmöglichkeiten des Näherungsschalters erheblich erweitern. Eine erste Verbesserung
der Schaltung zur Erhöhung der Störsicherheit kann darin bestehen, daß am Eingang
der Verlängerungsschaltung 70 eine zusätzliche Störunterdrückungsschaltung 72 vorgesehen
ist, an welche der Ausgang des Konjunktionsgliedes 69 geliefert wird. Diese Störunterdrükkungsschaltung
72 gibt erst dann ein Ausgangssignal, wenn eine bestimmte Anzahl von Erkennungen
positiv erfolgt ist. Das heißt es genügt nicht ein einzelnes Störsignal zur Anzeige
der Abwesenheit eines Körpers, sondern es müssen mehrere, z. B. fünf, unmittelbar
mit der Periode t2 aufeinanderfolgende Impulspakete 30 gezählt werden.
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Eine zusätzliche Erhöhung der Störsicherheit kann auch durch Wobbeln
der Taktfrequenz erreicht werden.
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Schließlich kann bei dem Einsatz eines Mikroprozessors 67 ein Zusatzschaltblock
73 zur Codierung des Ausgangssignales 32 hinter die Verlängerungsschaltung 70 geschaltet
sein. Hiermit können beispielsweise Zusatzfunktionen bezüglich der Signallaufzeiten
oder der Schaltrichtung vorgegeben werden. Eine wesentliche Erweiterungsmöglichkeit
ist auch die Vorgabe diskreter Impulsfolgen zur individuellen Kennzeichnung verschiedener
Näherungsschalter. Damit können über einen Mikroprozessor 67 mehrere Näherungsschalter
gleichzeitig betrieben werden und kann das codierte Ausgangssignal des Ausgangs
74 über einen Rechner oder dgl. wieder entschlüsselt werden.
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Die Vorwahl verschiedener Funktionen zur Einstellung des Ansprechabstandes
und der Schalthysterese erfolgt über Eingänge al bis an des Fenstergenerators 71,
die zu einer Gruppe 75 zusammengefaßt sind. Die Einstellung der Funktionen des Zusatzschaltblockes
73 erfolgt über eine Gruppe 76 von Eingängen bl bis bn. In der zusammenfassenden
Blockschaltung für den Mikroprozessor 67 gemäß F i g. 5 ist eine möglche Realisierung
einer Kodierschaltung für die Eingangsgruppen 75, 76 gezeigt. Zwischen den Eingängen
al bis an und der Betriebsspannung Us liegt dabei jeweils ein Strombegrenzungswiderstand
77. Weiterhin sind die Eingänge al bis an mit dem Masseanschluß 78 verbunden, wobei
jeweils ein Schalter 79 in den Masseleitungen vorgesehen ist. Bei geöffnetem Schalter
79 liegt am zugeordneten Eingang, z. B. al, ein »I«-Signal, bei geschlossenem Schalter
79 ein »0«-Signal. Auf diese Weise können die verschiedensten 0-1-Kombinationen
für die Eingangsgruppe 75 vorgegeben werden. In gleicher Weise sind den Eingängen
b1 bis bn der Eingangsgruppe 76 jeweils weitere Widerstände 80 und Schalter 81 zur
Wahl der Zusatzfunktionen zugeordnet. Die Anordnungen von Widerständen 77 bzw. 80
und Schaltern 79 bzw. 81 stellen somit Kodierschaltungen 82, 83 für die Eingangsgruppen
75,76 dar.
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Die in Fig.5 gezeigte Kodierschaltung 82, 83 der Eingangsgruppen
75, 76 stellt nur eine Schaltungsmöglichkeit dar. Sie können auch unter Zwischenschaltung
von geeigneten Adaptern zwecks Fernsteuerung durch auf einer Übertragungsleitung
laufende Datenimpulse einstellbar sein.
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Der in Fig 3 gezeigte Zeitverlauf der Signale zwischen den einzelnen
Funktionsblöcken gilt grundsätzlich auch beim Einsatz eines Mikroprozessors 67.
Eine gewisse Änderung ergibt sich lediglich für den Pulsgenerator 68. Hier wird
das relativ lange Rechtecksignal 21, das Grundsignal des Fenstergenerators 22 nach
Fig.3, durch eine Vielzahl von kürzeren Rechteck-Takt-Impulsen 84 ersetzt, wobei
dann mehrere Impulse 84 innerhalb einer Gesamtperiode t2 des Pulsgenerators 68 liegen.
Aus den Taktimpulsen 84 werden dann Anregungsimpulse 85 für den Schwingkreis 17
abgeleitet sowie Rechteckimpulse 86 als Ausgang des Fenstergenerators 71, die in
ihrem Verlauf mit den Impulsen 24 nach F i g. 3 praktisch identisch sind.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen nur einen kleinen Teil der Möglichkeiten
eines Mikroprozessors 67. Denkbar wären auch z. B. Zusatzfunktionen zur Einschalt-Fehlimpulsunterdrückung,
zur Linearisierung der Kennlinie des Näherungsschalters usw. Insgesamt erbringt
der Einsatz eines Mikroprozessors eine sehr große Flexibilität bei der Anpassung
eines Näherungsschalters an verschiedene Einsatzbedingungen, wobei die Möglichkeit
der Zusammenschaltung mit Datenverarbeitungssystemen ein besonderer Vorteil ist.
Auf diese Weise können mit geringem Kostenaufwand eine hohe Betriebssicherheit und
ein großer Bedienungskomfort erzielt werden.
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