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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Signalverarbeitungsgerät der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 angegebenen Art.
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Derartige Signalverarbeitungsgeräte sind bekannt beispielsweise als
Multimeter, bei denen Eingangssignalspannungen zugeführt und als digitale Zahlenwerte
angezeigt werden. Die Betätigungselemente dienen dabei zur Auswahl verschiedener
Meßbereiche und Betriebsweisen, so daß eine Anpassung an verschiedene Meßaufgaben
erfolgen kann.
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Nachteilig bei den bekannten Geräten ist allerdings, daß lediglich
einzelne Amplitudenwerte angezeigt werden.
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Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein universell verwendbares Signalverarbeitungsgerät zu schaffen, welches es gestattet,
eine Folge von Amplitudenwerten elektrischer Eingangssignale in analoger Darstellung
wiederzugeben, wobei eine Anpassung an unterschiedlichste Aufgabenstellungen erzielbar
sein soll.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß die geforderte
universelle Anpaßbarkeit an verschiedenste Aufgabenstellungen bei einem in der Hand
zu haltenden Gerät, dann zu erreichen ist, wenn nach Art eines Oszillographen eine
Darstellung gewählt wird, die die Amplitudenwerte mehrerer Signale in barometrischer
Darstellung als Punkte in einer Matrix nebeneinander ermöglicht. Damit lassen sich
nach Art eines Oszillographen Kurvenverläufe dar-
stellen, wenn
eine dem Oszillographenbild entsprechende Wiedergabeform gewählt wird.
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Dadurch, daß die digitalisierten Eingangssignale wieder in geometrische
meß- bzw. abschätzbare analoge Längenabmessungen verwandelt werden, die auf der
LCD-Anzeige darstellbar sind, ist eine vielfältige Anwendbarkeit für praktisch alle
Signalarten gegeben, bei denen eine zweidimensionale Darstellung der Bedienungsperson
eine gute Beurteilungsmöglichkeit für das Signalverhalten gibt. Dazu wird in erster
Linie die Darstellung von zeitabhängigen Signalverläufen, wobei es wegen der digitalen
Zwischenspeicherung unerheblich ist, in welchen Zeiträumen die Signalereignisse
jeweils erscheinen. Entsprechend der programmierbaren Verarbeitung können die einzelnen
Amplitudenwerte arithmetischen oder logischen Operationen unterworfen werden. Außerdem
lassen sich - entsprechend den benutzten Rechenprogrammen - statistische Verteilungen
oder dergleichen vornehmen. Während in Richtung der Y-Koordinate bevorzugt Amplitudenwerte
dargestellt werden, können für die Verteilung der Amplitudenwerte in der X-Richtung
neben der Zeit die statistische Zuordnung oder weitere mathematische Verknüpfungen
herangezogen werden.
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Als Eingangssignale kommen alle diejenigen Signale in Frage, welche
sich mittels analoger Meßwertaufnehmer in elektrische Eingangsimpulse verwandeln
lassen. Bei bervorzugten Weiterbildungen kann ein externer Meßwertaufnehmer auch
bereits die Schaltmittel zur Digitalisierung des Signals enthalten, so daß mit diesem
in der Hand zu haltenden Meßgerät, welches die Größe eines in der Tasche
mitführbaren
Mutlimeters hat - eine komplexere Signalverarbeitung auch mit Zwischenspeicherung
vorgenommen werden kann, so daß es möglich ist Signalwerte, welche in längeren Zeiträumen
aufgenommen wurden, in ihrer Essenz graphisch darzustellen.
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Entsprechend eignet sich das erfindungsgemäße Gerät als sogenannter
'tLogik-Analysator", um Signale, welche - entsprechend unterschiedlichen logischen
Zuständen - verschiedene feste Signalpegel einnehmen, in ihrem zeitlichen Verlauf
und ihrer relativen Zuordnung darzustellen. Da die Signalzustände hier bei entsprechender
Taktzeit des durchzumessenden Gerätes jeweils für bestimmte Zeiten beibehalten werden,
lassen sich mehrere Signalzustände durch ein schnelles Umschalten zwischen verschiedenen
Signaleingängen (Multiplex-Betrieb) übereinander wiedergeben.
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Entsprechend bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung sind die in
Form von elektrischen Kontakten ausgebildeten Schnittstellen in denjenigen Bereichen
der Gehäuseoberfläche vorgesehen, bei denen das Gehäuse eine die LCD-Anzeige in
bezug auf eine Auflagefläche erhöhende Unterlage bildet. Diese Unterlage führt bevorzugt
zu einer dem Betrachter zugewandten pultförmigen Erhöhung der Anzeigefläche. Das
gilt insbesondere dann, wenn die übrigen Baugruppen des Gerätes, welche auch die
Betätigungselemente in Form einer Tastatur enthalten - aufgrund einer Verminderung
der Bauhöhe dieser Baugruppen - nur noch eine geringe Stärke aufweisen. Die die
Eingangsanschlüsse für das Gerät bildenden Kontakte sind deshalb im Bereich einer
relativ großen Gehäusehöhe vorgesehen, weil sich - im Gegensatz zu
den
übrigen elektronischen Bauelementen - die Abmessungen von Steckelementen für die
Eingangssignale nicht beliebig verkleinern lassen, da zur Verarbeitung von hoher
Spannung bestimmte Abstandstrecken zwischen Kontakten in bezug auf den umgebenden
Luftraum eingehalten werden müssen, die sich nicht beliebig verkleinern lassen.
Das gilt insbesondere, wenn für einen mehrkanaligen Eingang die entsprechenden Kontakte
mehrfach vorhanden sein müssen.
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Um gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine
schnelle und unproblematische Anpassung an unterschiedliche Messaufgaben mit den
dazugehörigen verschiedenen Signalaufbereitungsprogrammen zu erhalten, ist es vorteilhaft,
das die Kontakte für die Eingangssignale aufnehmenden Gehäuse in Bereichen zusammen
mit diesen Kontakten so austauschbar zu gestalten, daß lediglich ein fester Flächenausschnitt
des Gehäuses austauschbar gehalten wird und benachbarte Gehäusebereiche nicht tangiert
werden. Dabei ist es günstig, zusammen mit den Anschlußelementen auch ein Programm-Modul
steckbar auszuführen, welches diejenigen Programmteile des oder der Prozessoren
enthält, welche für die Signalverarbeitung und die Art und Weise der Darstellung
zuständig sind. Der Austausch wird bevorzugt mittels eines extern dem Gehäuse zuzufügenden
Ergänzungselementes bewirkt, welches bei einer bevorzugten Ausführung schubladenförmig
in das Gehäuse einschiebbar ist. Die notwendigen Kontaktierungen des die spezifischen
Programmteile enthaltenden Festwertspeichers (PROM) zusammen mit den die Eingangsanschlüsse
bildenden Kontaktelementen werden beim Einfügen in das Gerät zusammen mit der Arretierung
des Einschubteils hergestellt. Das Einschube-
lement befindet sich
bevorzugt in einem erhabenen Bereich unterhalb des die LCD-Anzeigefläche erhöhenden
Gehäuseteils, wo bei einem mikro-miniaturisierten Handgerät noch der relativ meiste
Platz zur Verfügung steht. Auf diese Weise wird eine gute Handhabbarkeit der auszuwechselnden
Module erreicht. Der Aussparung für ein derartiges Programm-Modul benachbart ist
bevorzugt ein Batteriefach vorgesehen, da der Energiespeicher für ein derartiges
Gerät auch noch relativ viel Platz einnimmt, wenn eine lang anhaltende Betriebszeit
ohne zwischenzeitlichen Wechsel der Energiequelle angestrebt wird.
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Auf diese Weise läßt sich ein kostengünstiges universelles Meßinstrument
schaffen, bei dem auch speziellen Meßanforderungen durch Ergänzung von besonderen
Programm-Modulen Rechnung getragen werden kann, wobei eine Anpassung an die jeweilige
Betriebsart ohne besondere Schwierigkeiten erfolgen kann, so daß die universelle
Anwendbarkeit des Gerätes bei geringer Baugröße sicher gestellt werden kann, da
nicht für sämtliche Meßprogramme die Vorrichtungen und Anschlüsse gleichzeitig im
Gerät vorhanden sein müssen.
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Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der
Programminhalt für den Zugriff durch verschiedene Prozessoren in einem Programm-Modul
enthalten, so daß nur ein Speicherelement ausgetauscht werden muß. Dabei sind in
zusätzlicher vorteilhafter Weiterbildung mindestens zwei Mikroprozessoren mit einer
gemeinsamen Bus-Leitung verbunden, wobei einer der Mikroprozessoren im Eingangsteil
durch Höchstgeschwindigkeitsverarbeitung die Handhabung auch hoher Eingangssignalfrequenzen
ermöglicht, während
ein oder mehrere breitere Mikroprozessoren
der durch die Betätigungselemente gebildeten Tastatur und den weiteren Verarbeitungsfunktionen
zugeordnet sind. Durch den Zugriff auf ein Bus-System bzw. durch die Steuerung der
Funktionen von diesem Bus her oder durch den Zugriff auf Programmparameter über
diesen Bus ist gesichert, daß beide Rechnerkomplexe des Gerätes für sich optimal
ausgelegt werden können, ohne daß eine Beschränkung hinsichtlich der Koordination
für die Durchführung gemeinsam abzuleistender Verarbeitungsprogramme besteht.
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Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des Gerätes wird die
Anpassung der Betätigungstasten nicht durch auflegbare Schablonen oder dergleichen
bewirkt, sondern eine Umschaltung der Kennzeichnungen und Symbole von Betätigungselementen,
welche in der Nähe der LCD-Anzeige so anordnet sind, daß diese Kennzeichnungen den
Betätigungselementen zugeordnet werden. Diese Ausführung ist besonders für LCD-Anzeigen
geeignet, denen eine transparente Folientastatur überlagert ist, so daß die Anzeigefläche
selbst "druckempfindlich" auf Berührungen reagiert, so daß ein wesentlicher Teil
der Frontfläche von der LCD-Anzeige eingenommen werden kann. Auf diese Weise lassen
sich auch größere Anzeigeflächen mit einer hohen Pixel-Anzahl bei kleiner Baugröße
realisieren. Die notwendigen Betätigungselemente werden je nach Betriebsfall "eingeblendet",
wobei die entsprechende Programmsteuerung entsprechend den in dem auswechselbaren
Modul vorhandenen Daten erfolgt. Dabei wird insbesondere eine Suchbaumstruktur"
angewendet, welche es gestattet, dem Benutzer eine Bedienerführung anzubieten, die
ihm eine noch genauere Anpassung des Meßpro-
gramms an das vorliegende
Meßproblem gestattet. Bei der Ausführung der Messung selbst brauchen nur noch wenige
Symbole zur eventuellen Betätigung durch den Benutzer in die Anzeigefläche eingeblendet
zu werden, so daß deren wesentlicher Teil für die Graphik- oder Zeichendarstellung
zur Verfügung steht.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten
Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen: Figur
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Darstellung,
Figur la Elemente des ersten Ausführungsbeispiels in Explosionsdarstellung, Figuren
2a und 2b ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in zwei perspektivischen
Ansichten sowie Figur 3 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung.
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Das in Figur 1 dargestellte Meßgerät ist an unterschiedlichste Meßanforderungen
durch einen entsprechend geänderten Innenaufbau des Gerätes anpaßbar, ohne daß beispielsweise
Veränderungen der Spritzform des Kunststoffgehäuses notwendig sind. Damit kann im
Zuge der Weiterentwicklung und bei Geräten für spezielle Meßaufgaben durch einfachen
Austausch von Bauelementen und Programmen
sowie der Gestaltung
der dem Bediener zugewandten Fläche jederzeit eine Anpassung erfolgen, ohne daß
die mechanische Struktur des Gerätes verändert werden muß.
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Feststehende Anweisungen lassen sich auf die Tastaturfolie ohne weiteres
aufdrucken und haben hier einen Hintergrund für eine kontrastreiche Darstellung.
Die Transparenz der Abdeckplatte läßt darüber hinaus an Bereichen, die in der Tastaturfolie,
welche auch die übrige Abdeckung zu nichteinsehbaren Bereichen des Gerätes bildet,
gezielt an solchen Teilen den Durchblick zu, an denen bedienerrelevante Anzeigen
unterhalb der Front- bzw. Deckplatte angeordnet sind. Dazu gehört ein LCD-Anzeigebereich,
der der Ausgabeeinheit des Gerätes nachgeschaltet ist und dem Bedienenden die Informationen
liefert, welche er von dem betreffenden (speziellen) Gerät erwartet. Davon sind
bei einem alphanumerischen Display Zeichen- und Textwiedergaben sowie graphische
Darstellungen in vielfältiger Form umfaßt.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung des Geräts ist eine druckempfindliche
transparente Folientastur mit Tastaturfunktionen über der LCD-Anzeigefläche vorgesehen,
so daß den einzelnen Tastenbereichen mittels der LCD-Anteigefläche softwaregesteuert
zu unterschiedlichen Funktionen entsprechende Symbole zugeordnet werden können.
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Vorzugsweise findet eine semitransmissive LCD-Anzeige vor einer Thermolumineszenzfolie
als Beleuchtung Verwendung, so daß auch bei abgedunkelter Umgebung eine uneingeschränkte
Benutzung des Geräts ermöglicht ist.
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Durch die Verwendung einer druckempfindlichen Folientastatur, in gedruckter
Einfolien-Multilayer-Technik ergeben
sich eine Reihe von Vorteilen:
Sie nimmt sehr wenig Raum ein, ist annähernd prellfrei und ist durch eine andere
Bedruckung der Tastatur sehr flexibel. Da die Symbole auf den Tasten und die Ziffern
in der Skala und sonstige Beschriftungselemente, wie Firmenbezeichnung, Modellbezeichnung
durch einen einzigen Siebdruck aufgebracht werden können, kann man künftig in dem
Gerät lediglich Bauteile wechseln oder auch nur die Software ändern und durch eine
andere Bedruckung der Folientastatur ein völlig anderes Gerät nach Farbe, Namen
und Bedienung daraus bilden, ohne daß die mechanischen Einzelheiten im Inneren des
Gerätes geändert werden müßten. Damit ist insbesondere der Aufwärtskompatibilität
und der Variabilität des Gerätes Rechnung getragen.
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Für zusätzlich im Inneren des Gerätes - bevorzugt über seitlich angebrachte
Betätigungselemente - veränderbare mechanisch beeinflußte Anzeigen sichtbar, braucht
lediglich ein entsprechendes Fenster in der die Geräteoberseite abdeckenden Folie
freigelassen zu werden, so daß eine unterhalb der Aussparung vorhandene, hervorgehobene
Markierung sichtbar wird und somit bei einer derartigen vorteilhaften Weiterbildung
die Schaltstellung von seitlich angebrachten mechanischen Funktions-Schiebeschaltern
anzeigen kann, ohne daß der Kopf der Bedienungsperson geneigt werden muß, um den
Blick den Geräteseitenflächen zuzuwenden.
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Wenn auch die Ein- bzw. Ausgangsanschlüsse des Gerätes an einer. der
Seitenflächen - bevorzugt an den Stirnflächen - angeordnet sind, so erfolgt die
Signal zuführung bzw. die
Stromversorgung und die Ausgabe an zusätzliche
Auswertungs- bzw. Darstellungsgeräte (wie beispielsweise Drucker) an Geräteteilen,
die in Betriebstellung eine optimale Kabelführung - nämlich parallel zur Unterlage
- zulassen. Bei den meisten bekannten Vielfach-Meßgeräten werden die Meßkabel dagegen
nach oben weggeführt und behindern damit die Möglichkeit des Bedienenden die Frontfläche
einzusehen bzw. dort vorhandene Betätigungselemente zu bedienen.
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Die Gestaltungsmöglichkeiten der Frontplatte unter Ausnutzung eines
transparenten isolierenden Werkstoffs lassen auch den unterschiedlichsten gestalterischen
Ausführungen Raum, wobei bevorzugt Umrahmungen etc. zur ergonomischen Trennung bzw.
Hervorhebung bestimmter Funktionsbereiche vorgesehen werden können. Da die Bedienungsstruktur
des Gerätes allein durch die aufgeklebte Tastaturfolie bestimmt wird, kann unterschiedlichsten
Anforderungen Rechnung getragen werden, wobei durch Größe und Verteilung der Betätigungselemente
alle Bedienungsanforderungen erfüllt werden können.
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Bei dem in den Figuren 1 und la dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist eine Folientastatur 1 vorgesehen, die aus mehreren Isolier- und Leiterschichten
besteht, wobei einzelne Bereiche der internen matrixförmigen Leiteranordnungen durch
Druck auf die entsprechenden Oberflächenbereiche miteinander in Berührung kommen
und somit Drucktaster eines Tastenfeldes bilden. Die Folientastatur weist weiterhin
auf der Frontseite Beschriftungen auf, welche die über die jeweiligen Kontaktbereiche
des Tastenfeldes
auszulösenden Funktionen bezeichnen. Auf der Frontplatte
sind zusätzlich weitere Kennzeichnungen 2 angebracht, welche Funktionspositionen
von weiteren Schaltelementen bezeichnen, die an den Seitenwänden des Gehäuses angebracht
sind. Durch weitere Aussparungen sind die Positionen der betreffenden Elemente von
oben her ablesbar, wenn diese Teile bewegliche Anzeigeelemente in Form von Skalenzeigern
oder dergleichen tragen. Die Kennzeichnungen umrahmen eine Aussparung für ein Display.
Sämtliche für die Bedienung und Ablesung optisch aufzunehmenden Informationen werden
somit an der Oberseite des Gerätes - dem Bediener zugewandt - dargeboten.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine die Folientastatur
tragende Frontplatte 4 insgesamt aus einem hochtransparenten Kunststoff geformt
und umfaßt damit einstückig folgende Elemente: ein Fenster 14 zum Durchblick auf
das Display, ein weiteres Fenster als Skalenfenster 18 zum Durchblick auf die beweglichen
Anzeigeelemente der Schaltelemente, sowie eine Fläche 16 zur Aufnahme der Folientastatur
1. Neben diesen Funktionen besteht die hauptsächliche Aufgabe der Frontplatte 4
darin, das Gehäuse nach oben hin abzuschließen.
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In eine flächige Absenkung ist die Ausparungen aufweisende und im
übrigen undurchsichtige Folientastatur 1 eingeklebt, so daß ausschließlich das Anzeigefenster
14 und Skalen 2, die sich neben diesem Anzeigefenster befinden, transparent bleiben.
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An der dem Betrachter abgewandten Seite der Frontplatte sind an der
Außenkante zusätzlich zum Teil umlaufende Rip-
pen 19 angebracht,
um durch Übergreifen der Seitenwandungen des anschließenden Gehäuseteil die bezüglich
anzubringender Kriechstrecken geltenden Bedingungen zu erfüllen.
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Neben den vorgenannten Sicherheits- und Designaspekten werden mit
der Frontplatte 4 auch wichtige montagebezogene Gesichtspunkte erfüllt. Neben dem
Fenster 14 sind zwei hochglanzpolierte, transparente Flächen 18 vorgesehen, durch
die später die Skalenanzeige für verschieden einzustellende Bereiche erfolgen kann.
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Eine die - nicht dargestellten - elektronischen Bauelemente und einen
Mikroprozessor sowie einen Stecksockel 70' tragende Leiterkarte 70 - ist über den
mittleren Zapfen 10 aufgesteckt und durch elastische Distanzröhrchen befestigt.
AUf der Steckkarte ist ein austauschbarer steckbarer (PROM)-Programmspeichermodul
84 vorgesehen. Die flächenförmigen Gehäuseelemente 80, 80' und 75 tragen Kontaktelemente,
welche dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßt sind. Zur Verbindung mit dem Kontaktelement
77 ist als Beispiel ein Stecker 76 dargestellt. Die Gehäuseelemente lassen sich
ohne weiteres gegeneinander austauschen, da sie lediglich in das benachbarte Gehäuseunterteil
85 eingefügt sind, welches entsprechende Ausnehmungen aufweist.
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Das restliche Gehäuse wird durch das Gehäuse-Unterteil 85 gebildet.
Es ist als Kunststoffteil so ausgeformt, daß es als Gegenstück zur Frontplatte 4
seitlich Aussparungen 89 zur Aufnahme der Schiebeschalter für die Einstellung von
Betriebsfunktionen aufweist, die hier nicht näher dargestellt sind.
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Das Gehäuse-Unterteil 85 ist aus einem undurchsichtigen Kunststoff
gefertigt und enthält an allen Außenkanten Kriechstrecken bildende Ausformungen
in Gestalt von tiefen U-förmigen Rillen 91 oder in Form von zusätzlichen Flächen,
die - in das Gehäuseteil eingelassen - von außen nicht zugänglich sind.
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Das Gehäuse 85 hat an seiner Bodenplatte am Rand der Seitenflächen
eine Anzahl zylinderförmiger Zapfen 93, die mit dem Boden ausgespritzt werden. Diese
Zapfen dienen zur Rastung von nicht dargestellten Schiebeschaltern, die an diesen
massiven Zylindern entlanggleiten und die Betriebsfunktionen steuern.
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Eine die Anpassung an verschiedene Meßaufgaben ermöglichende Veränderung
der Schnittstelle erfolgt durch Austausch eines Seitenwandelements 80, 80', welches
im wesentlichen ebenflächig ausgebildet ist und ohne besondere Befestigungselemente
in Ausnehmungen 90 benachbarter Seitenwandelemente (Unterteil 85) einfügbar und
bei geschlossenem Gehäuse 1 festgehalten ist, wobei sich eine Anpassung an verschiedene
Eingangssignale bzw. Signalverarbeitungsprobleme kurzfristig erzielen läßt. Um eine
Anpassung der Programme für die verschiedenen Signalverarbeitungen unproblematisch
vornehmen zu können, ist ein Programmspeicher 84 als separates Element - vorzugsweise
steckbar -ausgebildet, so daß durch Wechsel zweier Elemente (und gegebenenfalls
Aufkleben einer neuen Frontplatte 1 bzw. Auflegen einer entsprechenden Schabione)
ein vollständig neues Meßinstrument für einen anderen Anwendungszweck zur Verfügung
steht. In Figur 1 sind dazu übereinander sowohl
ein Element 80
mit drei Koaxial-Steckbuchsen 81 in genormter 75 Ohm Ausführung als auch ein IEC-Stecker
81' für Datensignale dargestellt.
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Bei einem in Figur 2 wiedergegebenen weiteren Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsgerätes in Pultform 410 wird nahezu die
gesamte Frontfläche von dem LCD-Display 411 eingenommen, wobei sich eine Anzahl
von von Hand betätigbaren druckempfindlichen Tastaturelementen 412 in der Nähe des
Randes der LCD-Anzeigefläche befindet. Die Tastaturelemente können jetzt unterschiedlichen
Anwendungsfällen softwaremäßig dadurch ohne weiteres angepaßt werden, daß den Tasten
zugeordnete Symbole deren verschiedene Funktionen und den jeweiligen Betriebszustand
kennzeichnen. Auf diese Weise läßt sich wegen der Verwendung von menü-geführten
Funktionsauswahlverfahren die Zahl der insgesamt zu verwendenden Tastenelemente
wesentlich verkleinern.
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Der steckbare Programm-Modul ist schmaler gehalten als die Querabmessung
des in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiels, so daß diese Ausführung kompatibel
zu verwenden ist für ein Meßgerät, welches Gehäuseabmessungen gemäß dem Ausführungsbeispiel,
das in Figur 1 wiedergegeben ist, aufweist. Somit stehen zwei generelle Gehäusetypen
für unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung, von denen die Ausführung gemäß Figur
1 im Hochformat leichter in der Hand zu halten ist und für Anwendungen mit Graphik-
und Zahlendarstellungen besonders geeignet ist, während die in Figur 2 dargestellte
Ausführung sich in günstiger Weise auf Arbeitsflächen aufstellen läßt und in der
quer ausgerichteten
LCD-Anzeigefläche bequem die Ablesung von
Schriftdarstellung ermöglicht. Auch finden in der Bildschirmfläche zwei Graphikdarstellungen
nebeneinander Platz. Durch die zuvor erwähnte Bemessung lassen sich die Eingangs-
und Programm-Module aber in beide Gerätearten einheitlich einstecken, so daß dem
Anwender die Auswahl der seiner Arbeitsweise am meisten entgegenkommenden Gehäuseform
überlassen bleibt - er aber in der Beschaffung von passenden Modulen nicht beschränkt
ist.
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In Figur 3 ist in dem dort wiedergegebenen Blockschaltbild der steckbare
Eingangs- und Programm-Modul str ichpunktiert umrahmt wiedergegeben, wobei die beiden
Verwendungsarten, die den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 und 2 zugrunde
liegen, dargestellt sind. Der obere Programm-Modul 80, 414 wird mit seinen Datensteckverbindungen
in Form von Digitaleingängen direkt mit einer Multiplexerschaltung 120 verbunden,
während die Eingangskontaktklemmen für Oszillographenbetrieb 5, 15 bei Benutzung
dieses Moduls mit den entsprechenden Oszillographeneingangsschaltungsmitteln verbunden
sind. Für weitere (nicht dargestellte Module) sind auch Ausgangsleitungen (Impuls-und
Funktionsgenerator) herausgeführt, so weitere Meßgerätetypen durch einfachen Modultausch
erzeugbar sind. Die übrigen dort dargestellten Baugruppen sollen nachfolgend noch
im Zusammenhang beschrieben werden:
Der Betriebsartenschalter (BAS)
102 Das analoge Signal wird über einen hochohmigen Sicherheitsvorwiderstand R 101
dem Betriebsartenschalter 102 zugeführt. Der Betriebsartenschalter 102 gestattet
es, die Gleichspannungskopplung (DC), die Wechselspannungskopplung (AC), die Stellung
"Eingang kurzgeschlossen" (GROUND) über einen mechanischen Schiebeschalter anzuwählen.
Gleichzeitig kann über diesen Schalter das Gerät über die Schalterstellung "Aus"
(Off) ein- oder ausgeschaltet werden. Der Betriebsartenschalter 102 beinhaltet einen
mechanisch parallel geschalteten Kodierschalter, der dem Mikrocomputer die jeweilige
Schalterstellung meldet.
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Der dekadische Meßbereichsschalter (DMBS) 103 Außer dem Betriebsartenschalter
102 befindet sich pro Kanal noch ein Meßbereichsschalter in dem Gerät, der die Anpassung
der Signalamplitude an die Pegelverhältnisse der weiteren Stufen erlaubt. Der Meßbereichsschalter
(MBS) besteht aus vier Hauptteilen. Er wird aus einem elfstufigen Mehrebenenschiebeschalter
gebildet, deren erster Teil der dekadische Meßbereichsschalter (DMBS) 103 ist. Er
dient dazu, die Verstärkung und Abschwächung der Eingangssignale über durch den
Schalter veränderbare Widerstandsnetzwerke an einem Summationspunkt vorzunehmen.
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Der Kalibrationsmultiplexer (KM) 104 Mit Hilfe des Kalibrationsmultiplexers
104 kann der Analogsignaleingang El vom Summationspunkt 105 getrennt werden und
über den DA-Wandler 110 vom Hauptmikrocomputer 140 gesteuert auf den Summationspunkt
105 über den Widerstand R 109 schrittweise ein Gleichspannungssignal zugeführt werden,
das am Summationspunkt S zugeführt, am Eingang der Verstärkerkette eingespeist,
die gesamte Verstärkerkette passiert und über das Flash-AD-Wandler-System 131 dem
Haupmikrocomputer 140 zur Auswertung als digitales Signal zurückgegeben wird. Da
dieser die SOLL-Signale selbst generiert hat, kann er die eintreffenden IST-Signale
in einer Eichtabelle ablegen und so bei dem folgenden Meßvorgang, bei dem der Kalibrationsmultiplexer
104 wieder die Signalquelle aufschaltet, eine unter Umständen notwendige Korrektur
bei der Bewertung der eintreffenden IST-Signale nach der abgelegten Korrekturtabelle
vornehmen.
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Der Summationspunkt 105 Einen entscheidenden Einfluß auf die Vielseitigkeit
und nahezu ideale systemanalytische Vorteile bietet der Summationspunkt S. Er wird
durch den Summationspunkt eines potentiometrisch beschalteten Gleichspannungs-Breitbandverstärkers
gebildet. An ihm können die aus dem DA-Wandler stammenden Gleichspannungsignale
zur automatischen Nullpunktkorrektur und zur Autokalibration eingeschaltet wer-
den.
Gleichzeitig dient er als virtuelle Masse für die durch den dekadischen Meßbereichsschalter
geschaltete Eichleitung.
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Der hochohmig beschaltete Meßvorverstärker V1 106 Der Meßvorverstärker
106 wird durch einen aus diskreten Halbleiterbauelementen aufgebauten Gegentaktbrückenverstärker
gebildet und setzt zusammen mit dem als Stromteiler aufgebauten Eichteiler in potentiometrischer
Beschaltung die Eingangssignale herauf.
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Er trennt auf diese Weise die Eichleitung, die eine dekadische Stufung
der gesamten Verstärkung von 5-fach, 0,5-fach, 0,05-fach erlaubt von dem dem Verstärker
V1 nachgeschalteten Stufenschalter 107.
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Der Stufenschalter (StSch) 107 Um die große Anzahl von Meßbereichen
ohne allzu großen Aufwand im hochohmigen Teil der als Eichleitung gebildeten Eingangsschaltung
bewältigen zu können, werden in den einzelnen 11 Meßbereichsstufen die dekadischen
Anteile durch den dekadischen Meßbereichsschalter 103 vorgenommen. In den dazwischenliegenden
Pegelanpassungsstufen 1; 0,5; 0,2 wird diese zusätzliche Teilung nach dem ersten
Trennverstärker 106 vorgenommen, da hier schon eine niederohmige
Quelle
vorliegt und somit die Stufenteiler, die durch den Stufenschalter 107 angewählt
werden, ohne die Kompensationskondensatoren auskommen. Der Stufenschalter wurde
demzufolge zwischen den Meßvorverstärker Vl und den Meßverstärker V2 108 geschaltet
und erlaubt die Abschwächungen 1; 0,4; 0,2. Parallel zum Stufenschalter 107 wird
eine weitere Ebene des Stufenschiebeschalters bewegt, welche die von dem DA-Wandler
erzeugten GleichspannungsAusgangssignale an die jeweils der Stufenschalterstellung
entsprechenden erforderlichen Spannungspegel (respektive Strompegel) am Eingang
des Summationspunktes anpaßt.
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Der Meßverstärker 108 Dem Stufenschalter nachgeschaltet ist wiederum
ein breitbandiger Meßverstärker 108, der den Gesamtpegel gemäß den Erfordernissen
des am Eingang des Parallel-AD-Wandlers gelegenen Pegelfensters verstärkt. Dieses
Pegelfenster hat eine Breite von etwa 2,5 V. Er ist nach demselben Prinzip gebaut
wie der Meßvorverstärker 106.
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Der Kreuzmultiplexer 120 Dem Kreuzmultiplexer 120 werden an seinen
Eingängen die Ausgangssignale zweier Kanalverstärker der oben beschriebenen Art
zugeführt. Er gestattet es, vom Hauptmikrocomputer 140 gesteuert die beiden Eingangskanäle
im Zeitmul-
tiplex einem oder zwei Analog-Digital-Wandlersystemen
parallel oder kreuzweise zuzuführen. Das erlaubt eine Anzahl von Systemkonfigurationen.
Auf diese Weise können über den Kreuzmultiplexer 120 entweder zwei parallele Kanäle
einschließlich der AD-Wandlung gebildet werden oder mit nur einem AD-Wandler im
Chopper-oder Alternate-Betrieb gefahren werden.
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Der Parallel-Analog-Digital-Wandler (Flash-ADC) 131 Um die Signale
mit hoher Bandbreite auswerten zu können muß ein Parallel-Analog-Digital-Wandler
131 mit möglichst hoher Probenentnahme-Frequenz (Sampling-Rate) Verwendung finden.
Diese sogenannten Flash-Wandler werden am Eingang durch parallel geschaltete, über
einen Referenzspannungsteiler quantifizierte Ketten von Hochgeschwindigkeitskomparatoren
gebildet. Zum Sample-Zeitpunkt übernimmt jeder der Komperatoren (bei einem 8 bit
- Wandler 256 Komparatoren) die Signalerkennung deren Referenzspannungswert gerade
über- oder unterschritten wird. Den Komparatoren nachgeschaltete Kodierschaltungen
stellen den erkannten digitalen Wert z.B. in einer 8 bit breiten binären Kodifikation
im Takt der Sampling-Frequenz am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers zur Verfügung.
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Der Gonversionsprozessor 130 Da die analogen Signale eine unterschiedliche
Bandbreite aufweisen können, und ferner z.B. zur Darstellung der analogen Signale
im digitalen Bereich verschiedene Zeitablenkungen oder verschiedene Zeitauflösungen
verlangen, empfiehlt es sich, die analogen Signale nicht stets mit der höchstmöglichen
Sampling-Rate (Probeentnahmefolgefrequenz) abzufragen. Demzufolge muß die Pulsfolgefrequenz
der Abfrage impulse entsprechend der jeweils vorliegenden Selektionsvorschrift gestaltet
werden. Diese Aufgabe übernimmt neben anderen der Gonversionsprozessor 130. Ein
On-Board-Oszillator entnimmt einem Quarz das Zeitnormal, hier z.B.
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in Form einer 40 MHz Schwingung. Aus dieser 40 MHz Schwingung kann
der 20 MHz breite Abtastimpuls von 25 ns Pulslänge abgeleitet werden und stellt
somit die Zeitdauer der Probenentnahme dar. Mit Hilfe von über das Statusmemory
setzbaren Zählern wird dann je nach Betriebsart die Sampling-Rate durch die Sampling-Select-Rate
untersetzt und die solchermaßen intermittierend entnommenen Proben des 8 bit breiten
Signales dem nachfolgenden Schieberegister 132 zugeführt. Außerdem befindet sich
in dem Conversionsprozessor 130 noch ein digitaler Amplitudenkomparator, der es
gestattet, die ankommenden Digitalsignale nach Amplitudenkriterien auszuwählen.
Systemtheoretisch ist interessant, daß der Conversionsprozessor 130 es gestattet,
gemäß den Vorgaben in seinem Statusmemory digitale Signale im Verein mit einem durch
ihn angesteuerten Flash-Wandler nach Amplitude und Zeitpunkt zu selektieren. Damit
wird eine zunächst im analogen Bereich vorliegende elek-
trische
Nachricht im Amplituden- und Zeitbereich gequantelt. Somit gestattet das System,
eine Nachricht vorwählbar punktweise zu zerlegen - ein ganz entscheidender systemtheoretischer
Aspekt.
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Ferner beinhaltet der Conversionsprozessor 130 noch eine Fülle anderer
Funktionseinheiten, wie die Generierung der Schiebeimpulse und der Shiftcontrollsignale
für ein nachgeschaltetes Hochgeschwindigkeits-Schieberegister 132, die Generierung
der unterschiedlichen Multiplexsignale, sowie einen setzbaren Pulsgenerator. Ferner
ist der Conversionsprozessor 130 so gestaltet, daß er nicht nur nicht einen Flash-Wandler
und ein Shiftregister treiben, sondern noch ein zweites System solcher Bausteine
(siehe Schaltbild) 160 unabhängig vom ersten treiben kann.
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Er stellt einen Hochgeschwindigkeitsspezialprozessor zur Steuerung
einer in den Betriebsmodi variablen High-Speed-Analog-Digital-Wandlung einschließlich
vorgeschalteter Multiplexung mit nachgeschaltetem Hochgeschwindigkeitsspeicher dar.
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Hochgeschwindigkeitsschieberegister (High-Speed-Shift-Register) 132
Ein wesentlicher Systembaustein ist das Shiftregister für die Hochgeschwindigkeits-Signale.
Bei der Hochgeschwindigkeitswandlung analoger Signale treffen die digitalen Signale
mit der Probeentnahmefrequenz, die heute mehr als
100 MHz betragen
kann, ein. Sie können mit dieser Geschwindigkeit nicht mehr selbst von den schnellsten
Mikrocomputern, z.B. Bitslicern, verarbeitet beziehungsweise bearbeitet werden.
Demzufolge ist die Einfügung einer Zeitschnittstelle in Form eines Schieberegisters
notwendig. Normalerweise würde man hier heute gemultiplexte Random-Access-Memories
verwenden; diese jedoch verlangen die Adressierung über transparente Zähler; ein
zusätzlicher Aufwand an Zeit und Bauteilen. Ein Hochgeschwindigkeitsschieberegister
132 bietet hier eine optimale Systemlösung, da das Schieberegister schnell eingelesen
und entsprechend den zeitlichen Möglichkeiten des verarbeitenden Prozessors langsamer
ausgelesen werden kann. Wird dieses Shift-Register in High-Speed-CMOS Technologie
aufgebaut, bietet es außerdem bei der durch die Systemnotwendigkeit erforderlichen
intermittierenden Betriebsart den Vorteil, trotz der hohen Geschwindigkeit während
der Wartezeiten kaum Strom zu verbrauchen. Das heißt, bei der Verwendung von CMOS-High-Speed-Shiftregistern
ist der Stromverbrauch ungleich niedriger als bei ECL- Schaltkreisen - trotz der
hohen Einlesefrequenz. Wird das Schieberegister am Ausgang mit Tristate-Ausgängen
versehen, so kann es direkt am Systembus angeschlossen werden. Flash-ADC, Conversionsprozessor
130 und High-Speed-Shift-Register 132 bilden eine systemmäßige Einheit und stellen
insbesondere dann, wenn sie auf einem einzigen Chip in lu-CMOS Technologie untergebracht
werden, eine neue Art von Mikrocomputer dar, der geeignet ist, als hochuniverseller
Systembaustein unsere analoge Umwelt mit der Welt der digitalen Datenverarbeitung
zu verbinden.
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Der Hauptmikrocomputer 140, seine Speicher und die peripheren Einheiten
Am Gerätebus hängt als erster der Hauptmikrocomputer 140 -hier beispielhaft ein
8 bit Multi I/O Mikrocomputer mit On-Board RAM, ROM und Oszillator sowie Timereingängen
und serieller Schnittstelle und Sonderbefehlen und Befehlsbearbeitungszyklen, die
in der Mehrheit bei 1 us liegen.
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Er dient als Zentralcomputer, um alle Befehle, die von der Tastatur
133 kommen, seinem internen oder auch externen Programmspeicher 142 entsprechend
zu bearbeiten, um die von dem Hochgeschwindigkeitsregister 132 angebotenen Signale
auszulesen und diese entsprechend der verschiedensten Vorschriften auszuwerten,
umzurechnen, im Datenspeicher 141 abzulegen, mit anderen Signalen zu vergleichen,
Analysen vorzunehmen und sie schließlich darstellungs- und schnittstellengerecht
einem Bildschirm oder einem Graphikprozessor 145, einem Drucker 143 oder der Funktionsgeneratorausgangsschnittstelle
170 oder anderen Schnittstellenprozessoren 144 über den Bus zu übergeben.
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Die Software hierzu kann in einer kaum vorstellbaren Vielfalt unterschiedlichste
Auswertungen und Analysen der ursprünglich analogen Signale vornehmen und diese
den verschiedensten peripheren Einheiten mit den unterschiedlichsten Darstellungsstrategien
anbieten.
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Der Matrix-LCD-Graphikprozessor 145, das LCD 146 und die Bildspeicher
147 Einen Schnittstellenprozessor besonderer Art stellt der Graphikprozessor für
das im Multiplexverfahren betriebene Matrix-Liquid-Cristal-Display dar. Um den Hauptmikrocomputer
nicht allzusehr mit der aufwendigen Verwaltung eines Matrix-LCD's zu belasten, mußte
ein Spezialmikroprozessor entwickelt werden. Er gestattet es, im bidirektionalen
Busbetrieb mit einem internen gemultiplexten Bus dem Hauptmikrocomputer jeweils
eines der Bild-RAMs zum Einlesen entsprechend den zeitlichen Möglichkeiten des Hauptmikroprozessors
anzubieten, während der Spezialprozessor sich jeweils zur Datenbearbeitung der Bildpunkte
des Matrix-LCD's des anderen Bild-RAMs bedient. Auf diese Weise konnte erreicht
werden, daß der Bildwechsel in einer für den Betrachter nicht wahrnehmbaren Zeitspanne
vollzogen werden kann. Ferner liefert der Spezial-Prozessor alle zum Ansteuern der
LCDts notwendigen Signale: die seriellen Bilddatensignale, den Punktschiebetakt,
den Zeilenendetakt, den Bildanfangstakt und den Bildspannungsvorzeichenwechseltakt.
Außerdem können alle Betriebsmodi der Bildpunktkonjunktionen, wie EXOR, AND, OR
und Invers ion zwischen den beiden Bildspeicherinhalten vorgenommen werden, schließlich
können Blinkfunktionen per Software oder Hardware erzeugt werden. Der Spezialprozessor
besitzt ein Statusmemory, um Betriebsarten vorprogrammieren zu können, wie unterschiedliche
Multiplexraten für Matrix LCD's unterschiedlicher Bildpunktkomplexität und Bildsteuerungsorganisation.
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Die Tastatur 133 und der Tastaturprozessor 134 Die Tastatur 133 dient
der Eingabe unterschiedlicher Befehlsfolgen zur Steuerung des Gesamtgerätes und
ist hier vorzugsweise als Folientastatur ausgebildet.
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Sie steuert über eine Matrix die Eingänge des Tastaturprozessors 134,
der hier als Multi I/O 4-bit-Mikrocomputer ausgebildet ist. Er nimmt über zusätzliche
Eingänge auch die jeweilige Statusmeldung der verschiedenen Schalterstellungen der
BAS und des MBS entgegen, um Tastaturbefehlfolge und Schalterpositionsmeldungen
über seinen Bus nach entsprechendem Interrupt im Hand-Shake-Betrieb weiterzugeben.
Außerdem generiert er über seine Timerausgänge die Signale zum Betrieb eines Buzzers,
der der akustischen Rückkopplung zwischen Tastatur und Rechner einerseits und dem
bedienenden Menschen andererseits dient.
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Der Funktionsgenerator 170 Eine wichtige Funktion eines Signalcomputers
stellt der Funktionsgeneratorausgang 170 dar. Er ermöglicht es, verschiedene Signale
gemäß Programm zu erstellen oder einstmals aufgenommene Signale, die sich im Speicher
befinden, über einen Multiplexer 148 in ein Hochgeschwindigkeitsschieberegister
149 einzulesen, um es dann über einen Hochgeschwindigkeits-Digital-Wandler 150 und
entsprechende Trennstufen nach außen als analoges Signal abgeben zu können.
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Das bietet zusätzliche vielseitige Möglichkeiten. Abgesehen von der
Tatsache, daß ein Funktionsgenerator für beliebige Funktionen geschaffen ist, zum
Beispiel solche, die aus einer mathematischen Gleichung abgeleitet sein können oder
solche, die schon einmal aufgenommen worden waren, oder gerade aufgenommen werden,
ist das System als Vierpolanalysator nutzbar, der sich selbst-von Ausgang zu Eingang
zu kalibrieren gestattet und im Wobbelbetrieb mit der Fähigkeit ausgestattet werden
kann, selektiv zu filtern und eigenständig Autoanalyseprogramme ergebnisabhängig
durchzuführen.
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Der Triggerkomparator 180 Während das System durch den Aufbau einen
echten digitalen Trigger, programmierbar nach Amplitude und Zeit in beiden Signalkanälen
aufweist, der durch den wichtigen Umstand gegeben ist, daß im analogen Bereich keine
Speicher, z.B.
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Charge-coupled-devices verwendet werden, sondern dadurch, daß im Conversions-Prozessor,
also im digitalen Bereich, ein Amplitudenkomparator für das 8-bit Signal eingebaut
wurde, ist ein annähernd jitterfreies digitales Triggern und ein echter vollautomatischer
Trigger möglich. Trotzdem besitzt das Gerät noch einen externen Triggereingang,
dessen Triggerschwelle an einem analogen Komparator entweder fest eingestellt (zum
Beispiel auf TTL-Level) werden kann oder über einen DAC programmabhängig eingestellt
werden könnte.
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Durch den Austausch von Programmteilen und/oder Anschlußelementen
läßt sich das erfindungsgemäße Gerät somit in seiner Funktion vollständig verändern
und unterschiedlichen Meßaufgaben anpassen. Diese Eigenschaft verdankt es insbesondere
der Tatsache, daß der elektrische Signalverarbeitungsteil so ausgelegt ist, daß
er sowohl Signale aufnehmen und in dieser zeitlichen Folge graphisch darstellen
als auch beliebige Signalabläufe synthetisieren kann, welche Probanden zugeführt
werden, wobei die Reaktion des auszutestenden Systems unmittelbar verfolgt und auf
dem Schirm dargestellt werden kann. Bei der Benutzung als Logikanalysator dient
ein ereignisgesteuerter Trigger dazu, nach Erkennung eines vorbestimmten Eingangssignals
mit dem im Schieberegister festgehaltenen Signal nach einem vorgegebenen Programm
zu verfahren, so daß ohne weiteres auch Mittel zur Signalanalyse implementierbar
sind.
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Beispiele für auf diese Weise erzeugbare Gerätetypen sind: Universalmeßgerät,
Oszilloskop, Schnittstellentester, Speicheroszillograph, Transientenrecorder, Logikanalysator,
Frequenzanalysator, Meßgenerator, Wobbelgenerator, Voltmeter, Leistungsmesser, Schallpegelmesser,
Autokorrelator, Ratiometrische Meßbrücke, wobei durch die Gestaltung des Schnittstellenmoduls
und den dort vorhandenen Anschlußelementen bzw. Verbindungen zu Ein- und Ausgangsanschlüssen
sowie durch Gestaltung von Programmteilen die Art des Geräts festlegbar ist.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend
angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten
denkbar,
welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.