DE3687555T2 - Interpolationsverfahren und kodierer. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Interpolationsverfahren und seine Anwendung auf Codierer.
• Wellenwinkelcodierer werden bei Anwendungen aus einem sehr weiten Bereich, beispielsweise bei Werkzeugmaschinen-Steuersystemen, Antennenservosystemen und Tachometern verwendet. In seiner einfachsten Form umfaßt ein photoelektrischer Wellenwinkelcodierer eine Scheibe mit einem darauf angebrachten Phototransmissionsmuster, eine Lichtquelle, und einen oder mehrere Photodetektoren. Die Scheibe ist auf einer Welle konzentrisch befestigt, und die Lichtquelle und der Photodetektor sind so positioniert, daß der auf den Photodetektor auffallende Lichtstrahl durch die Scheibe unterbrochen werden kann. Wenn die Welle gedreht wird, wird der Photodetektor entsprechend dem Transmissionsmuster der Scheibe beleuchtet. Der Ausgangssignal des Photodetektors liefert Informationen in Form eines elektrischen Signals über die Drehung der Welle. Die anschließende Verarbeitung des Signals hängt von der Anwendung ab, bei der der Codierer verwendet wird, aber bei vielen Anwendungen ist es wünschenswert, mehr Informationen zu erhalten, als in dem Scheibenmuster allein enthalten sind. Um dies zu erreichen, werden verschiedene Interpolationstechniken verwendet.
• Außerdem werden zwei Grundtypen von Codiererscheiben verwendet; der eine Codiererscheibentyp umfaßt verschiedene Spuren, wobei jeder festgelegte Sektor ein eindeutiges Transmissionsmuster aufweist, und der andere Codiererscheibentyp umfaßt oft nur eine einzige Spur, bei der keine verschiedenen Sektor unterschieden werden können. Der erste Codiererscheibentyp ist als "absolute" Codiererscheibe bekannt, da jede festgelegte Winkeldrehungseinheit eindeutig identifizierbar ist. Der zweite Codiererscheibentyp ist als "inkrementale" Codiererscheibe bekannt, da die Ausrichtung der Codiererscheibe aufgrund einer momentanen Meßwertes des Scheibenmusters nicht identifizierbar ist, obwohl ein Inkrement der Winkeldrehung identifizierbar ist. Dabei ist anzumerken, daß Variationen der optischen Anordnung, sowie nicht-optische Sensoren ebenfalls bekannt sind.
• Um die Genauigkeit zu erhöhen, mit der die Drehung der Welle bestimmt werden kann, und um in manchen Fällen weitere Informationen ableiten zu können, ist es üblich, zwei Ausgangssignale, die relativ zueinander versetzt sind, von den betreffenden Photodetektoren abzuleiten. Die Ausgangssignale, die notwendigerweise in einer Phasenbeziehung zueinander stehen, werden als Eingangssignale für eine Interpolationstechnik verwendet. Die Interpolation ergibt gewöhnlich eine mehrfach höhere Genauigkeit bei der Bestimmung des Drehwinkels, wobei bei manchen Systemen eine um einen Faktor von mehreren Tausend höhere Genauigkeit erreichbar ist.
• Eine der am häufigsten verwendeten Techniken basiert auf einem Ring aus Widerstandselementen, auf den die zwei Detektorsignale und ihre Komplemente gegeben werden. Die Signale werden an einander diametral gegenüberliegenden Stellen des Rings abgegriffen und auf einen Spannungskomparator gegeben. Bei dem Ring werden verschiedene Gruppen solcher Signale abgegriffen, wobei jede Gruppe auf einen Komparator gegeben wird. Die Komparator-Ausgangssignale ermöglichen nach weiterer Verarbeitung eine mehrfache Erhöhung der Auflösung bei der Bestimmung der Winkeldrehung. Um eine fünffache Erhöhung zu erhalten, sind ungefähr 20 Widerstandselemente in dem Ring erforderlich, wobei ungefähr 40 weitere Widerstandselemente bei der Komparatorschaltung erforderlich sind. Wenn die anfänglichen Detektorsignale nicht sinusförmig sind, müssen die Widerstandselemente ungleiche Werte haben. Die Komparatoren können signifikante Offset-Spannungen von einem nicht-standardmäßigen Typ haben, und diese Offset-Spannungen können bei Temperaturänderungen Veränderungen des Ausgangssignals verursachen.
• Bei einer weiteren, bekannten Anordnung, die als "optischer Resolver" bezeichnet wird, werden phasenverschobene Signale verwendet, die über eine Codiererscheibe erzeugt werden. Ein System-Taktgeber steuert einen Zähler mit gewöhnlich 7 Bits, von dem sequentielle Abfragesignale abgeleitet werden. Diese Abfragesignale werden verwendet, um jedes der zwei von der Codiererscheibe erzeugten analogen Signale abzutasten. Nach Kombination dieser Abtastsignale wird das resultierende Signal auf ein Filter gegeben, das auf die Zählzyklusfrequenz abgestimmt ist. Das Ausgangssignal des Filters ist eine Sinuswelle, deren Phase bezüglich des System-Taktgeberzyklus entsprechend den relativen Amplituden der analogen Eingangssignale variiert. Eine Nulldurchgangs-Detektorschaltung, die auf das Filterausgangssignal wirkt, erzeugt einen Zeitsteuerimpuls, der das momentane Zählerwort nach einem Ausgangsregister übermittelt. So lange wie die Scheibe stationär bleibt, wird das gleiche Wort von dem System-Taktgeberzähler nach dem Ausgang übermittelt.
• Eine kleine Änderung des Scheibenwinkels, und folglich der relativen Amplituden der zwei analogen Signale, bewirkt eine Änderung der Phase des Filterausgangssignals bezüglich des System-Taktgebers, und dann erhält das Ausgangsregister von dem Zähler ein anderes Wort, das repräsentativ für den neuen Wellenwinkel ist.
• Das Ausgangswort variiert also, wenn sich die Welle dreht. Diese Anordnung ergibt eine gute Genauigkeit, aber weist infolge der Betriebsfrequenz ihrer Schaltung, besonders in der Filter- und Zählstufe, eine besonders starke Begrenzung bezüglich der oberen Grenze der Geschwindigkeit bei der Wellendrehung auf. Außerdem ist eine komplexe Schaltung erforderlich, und viele der Komponenten erfordern eine äußerst sorgfältige Auswahl.
• Eine weitere, bekannte Technik stützt sich auf zwei phasenverschobene Signale, die über die Codiererscheibe erzeugt werden und auf die Ablenkplatten einer Kathodenstrahlröhre gegeben werden. Die Signale bewirken, daß der Leuchtfleck der Kathodenstrahlröhre auf dem Bildschirm eine Umlaufbahn beschreibt, wobei er für jeden "Zyklus" des Scheibenmusters einen Umlauf macht. Zwischen dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre und einem Photodetektor wird ein stationäres mechanisches Filter angeordnet, so daß das Elektronenbild den Photodetektor periodisch beleuchtet. Dabei wird ein Signal erzeugt, das Impulse umfaßt, deren Frequenz gleich der mit der Anzahl der Scheibenzyklen multiplizierten Auflösung des mechanischen Filters ist. Auf diese Weise kann ein inkrementaler Codierer mit wesentlich größerer Genauigkeit verwirklicht werden. Infolge der relativ hohen Kosten und der Zerbrechlichkeit der Kathodenstrahlröhre ist diese Technik für kommerzielle Anwendungen jedoch nicht gut geeignet.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Interpolationsverfahren, das verwendet werden kann, um die Nachteile des oben beschriebenen Codierers zu mildern. Die Interpolationstechnik hat außerdem umfassendere Anwendungen, wie weiter unten ausgeführt wird.
• Aufgrund des Dokuments US-A-4346447 ist bekannt, wie eine geteilte Verarbeitungseinrichtung für um 90º phasenverschobene Sinussignale eines Photodetektors verwirklicht werden kann, und dies wird in dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wiedergegeben.
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Codierer verwirklicht, wie dieser in dem Patentanspruch 1 festgelegt ist.
• Gemäß der Erfindung wird außerdem ein Interpolationsverfahren verwirklicht, wie dieses in dem Patentanspruch 11 festgelegt ist.
• Nachstehend werden als Beispiele verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wobei auf die im Anhang beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, die Folgendes darstellen:
• Die Fig. 1a und 1b veranschaulichen Codiererscheiben.
• Die Fig. 2 veranschaulicht die bekannte Anordnung, bei der Signale auf eine Kathodenstrahlröhre gegeben werden.
• Die Fig. 3 veranschaulicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Die Fig. 4 veranschaulicht die Codierung eines Zyklus, wobei 4 Zyklen mit inkrementalen, um 90º phasenverschobenen Signalen vorgesehen sind.
• Die Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines inkrementalen Codierers, der für die Verwendung mit reduzierter Speicherung in einem Speicher angepaßt ist.
• Die Fig. 6 ist eine Tabelle mit Signalwerten, die mit der Anordnung der Fig. 5 verknüpft sind.
• Die Fig. 7 veranschaulicht die absolute Codierung eines Zyklus unter Verwendung eines 5 Bit-Codes.
• Die Fig. 8 ist eine Tabelle mit Signalwerten, die mit der in der Fig. 7 wiedergegebenen Codierung verknüpft sind.
• Die Fig. 9 ist ein Blockdiagramm eines absoluten Codierers.
• Die Fig. 10 ist ein Blockdiagramm eines Synchron-Digital-Resolvers.
• Die Fig. 11 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung zur Erhöhung der Auflösung von zwei sinusförmigen Wellenformen.
• Die Fig. 12 ist ein Wellenform-Diagramm, in dem die Eingangssignale und Ausgangssignale der Schaltung der Fig. 11 wiedergegeben sind.
• Die Fig. 1 veranschaulicht zwei Arten von Codiererscheiben. In der Fig. 1a ist die sogenannte inkrementale Codiererscheibe, und in der Fig. 1b die sogenannte absolute Codiererscheibe wiedergegeben. In jeder der Fig. 1a und 1b ist ein Quantum des Musters der absoluten Codiererscheibe wiedergegeben. Die Art und die Verwendung dieser Scheiben sind gut bekannt.
• Die Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Technik, mittels der Signale auf eine Kathodenstrahlröhre gegeben werden. Eine Codiererscheibe 10 ist auf einer drehbaren Welle 12 befestigt, die bei Anwendungen aus einem sehr weiten Bereich, wie oben erwähnt, einen Teil einer geeigneten Komponente bilden kann, oder mit einer geeigneten Komponente verbunden sein kann. Die Scheibe 10 steuert das von einer Lichtquelle 14 ausgesandte und auf zwei Photodetektoren 16 und 18 auftreffende Licht. Die Photodetektoren 16 und 18 sind gegeneinander versetzt, so daß sie, wenn sich die Welle dreht, Ausgangssignale 20 bzw. 22 erzeugen, die eine Phasendifferenz aufweisen. Die Signale 20 und 22 haben oft ungefähr sinusförmige, um 90º phasenverschobene Wellenformen.
• Die sinusförmigen, um 90º phasenverschobenen Signale 20 und 22 werden, wie gezeigt, auf die X-Y-Platten 24 einer Kathodenstrahlröhre 26 gegeben, wie dies gezeigt ist, und der Leuchtfleck der Kathodenstrahlröhre beschreibt Kreise. Ein stationäres mechanisches Filter in Form einer Scheibe 28, die ein regelmäßiges Muster von Segmentöffnungen 30 aufweist, ist auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre angeordnet. Das von der Kathodenstrahlröhre 26 ausgesandte Licht fällt dabei periodisch auf einen vor der Scheibe angeordneten Photodetektor 32, der ein resultierendes Rechteckwellen-Ausgangssignal erzeugt, dessen Impulse die Drehung der Welle über eine Winkeldrehungseinheit wiedergeben. Es ist offensichtlich, daß die Drehungseinheit gleich 360º, geteilt durch das Produkt aus der Anzahl der Zyklen der Codiererscheibe und der Anzahl der Öffnungen des mechanischen Filter ist.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht, eine ähnliche Lösung zu erhalten, wobei jedoch einige Nachteile, wie die hohe Spannung, die hohen Kosten, und die relativ zerbrechliche und sperrige Kathodenstrahlröhre vermieden werden. Außerdem kann die Lösung erweitert werden, um Einrichtungen zu erhalten, die mit der bekannten Anordnung nicht verwirklicht werden konnten.
• Die Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der auf einen Wellenwinkelcodierer angewandten Erfindung. Die von der Codiererscheibe 10 abgeleiteten zwei Ausgangssignale 20 und 22 werden auf die Analog-Digital- Umsetzer 34 bzw. 36 gegeben, deren Ausgangssignale zur Adressierung eines PROM's (Programmable Read Only Memory) verwendet werden. Die Inhalte der PROM-Adresse werden ausgegeben, und wenn sich die Welle 12 dreht, verändert sich das Ausgangssignal der Analog-Digital-Umsetzer 34, 36, wodurch verschiedene Stellen in dem PROM 38 adressiert werden.
• Die bei jeder Adresse in dem PROM gespeicherte Information ist das Ergebnis der Interpolation zwischen den zwei Codierersignalen 20 und 22, so daß die Winkeldrehung der Welle 12 bestimmt wird. Diese Ergebnisse werden vorher berechnet und vorher gespeichert. Die meisten Analog-Digital-Umsetzer werden entsprechend einem Taktgebersystem betrieben, und daher ist in der Fig. 3 eine Taktgeberschaltung 39 wiedergegeben.
• Bei der einfachen Anordnung der Fig. 3 ist offensichtlich nur ein inkrementaler Codierer vorgesehen, da die PROM-Adressen zyklisch durchlaufen werden, und das Ausgangssignal des PROM's 38 ein ähnliches Signal ist wie bei dem Photodetektor 32 der Anordnung der Fig. 2. Die Ausführungsform der Erfindung ist jedoch wesentlich vielseitiger als die bekannte Anordnung, da die bei den betreffenden Adreßstellen in dem PROM gespeicherte Information von einer Art sein kann, die nicht unbedingt die Winkeldrehung der Welle unmittelbar angibt. Dies ist von besonderem Nutzen, wenn der Codierer bei einem Steuersystem oder dergleichen verwendet wird, da es dann eventuell möglich ist, wichtige Steuerbefehle unmittelbar in einer Form zu erzeugen, die für die nachfolgende Schaltung annehmbar ist. Außerdem können die durch die gespeicherte Information repräsentierten Parameter leicht verändert werden durch Substitution von PROMs, oder durch Verwendung von EEPROMS (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory). Da PROMs gewöhnlich 8 Ausgangsbits liefern, kann ein PROM in der Tat bis zu 8 verschiedene Interpolationsfaktoren gleichzeitig codieren oder verschiedene Phasen ähnlicher Faktoren ausgeben.
• Die in dem PROM gespeicherte Information kann außerdem eine Selbstkontrolle des Codierers durchführen. Falls das Ausgangssignal der Sensoren unerwünscht niedrig oder hoch ist, adressieren die Ausgangssignale der Analog-Digital-Umsetzer einen Teil des PROM's, der ein oder mehrere Ausgangsbits haben kann, die so codiert sind, daß sie ein Warnsignal liefern. Eine solche Einrichtung könnte verwendet werden, um auf Quantisierungsfehler und dergleichen zu kontrollieren.
• Die höchste Auflösung des Codierers ist abhängig von der Quantisierungs-Grundeinheit, die von den Analog-Digital-Umsetzern vorgegeben wird, wenn unter praktischen Bedingungen auch die Betriebsgeschwindigkeit der Analog-Digital-Umsetzer von großer Bedeutung sein kann. Jeder Zyklus der Codiererscheibe kann dabei entsprechend der in dem Speicher verfügbaren Adressen und der Anzahl der von den Analog-Digital-Umsetzern erzeugten eindeutigen Wörter unterteilt werden. Analog-Digital-Umsetzer sind mit Auflösungen von bis zu 8 Bits und Betriebsfrequenzen von bis zu 100 MHz erhältlich, wenn die Kosten solcher Komponenten gegenwärtig auch relativ hoch sein mögen. Nachfolgend werden Beispiele für geeignete Komponenten wiedergegeben, die weniger teuer sind:
• Der sogenannte "Blitz"-Analog-Digital-Umsetzer mit 6 Bit Auflösung und einer Betriebsgeschwindigkeit von ungefähr 100 Nanosekunden, und der sogenannte "Nachführungs"-Analog-Digital-Umsetzer mit einer Auflösung von 10 Bits und einer Betriebsgeschwindigkeit von 1 Mikrosekunde.
• Geeignete Speichereinrichtungen sind bei vergleichbaren Kosten erhältlich. Beispielsweise ist ein bipolarer PROM mit einer 64·64-Matrix von 4 Bit-Wörtern und einer Zugriffszeit von ungefähr 50 Nanosekunden hinsichtlich der Kosten vergleichbar mit den obigen 2 Beispielen. Wesentlich weniger teure Speichereinrichtungen können für Anwendungen geeignet sein, die nicht so kurze Zugriffszeiten erfordern. Ein Beispiel für eine solche Einrichtung ist ein CMOS-EPROM mit einer 64·64-Matrix von 8 Bit-Wörtern, der Zugriffszeiten von ungefähr 500 Nanosekunden hat.
• Wenn die Betriebsparameter des Codierers sich den Grenzen für die Auflösung und die Betriebsgeschwindigkeit nähern, werden manche Phänomene sichtbar. Die Tastverhältnisse neigen dazu, sich zu verändern, wenn die Auflösung erhöht wird, und da die meisten Analog-Digital-Umsetzer ein Taktgebersystem verwenden, können höhere Geschwindigkeiten zu Taktgeber- Phänomenen führen, die zuerst an den Umsetzerausgängen auftreten. Solche Einflüsse können jedoch in den meisten Fällen vermieden werden, wenn geeignete Analog-Digital-Umsetzer und PROMs ausgewählt werden, und es ist unwahrscheinlich, daß sie bei Anwendungen wahrgenommen werden, bei denen bekannte Anordnungen gegenwärtig verwendet werden. Insbesondere ermöglicht die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf Wellenwinkelcodierer ähnliche Auflösungen und Genauigkeiten wie bei den "optischen Resolvern", aber mit kürzerer Ansprechzeit und wesentlich größer Flexibilität bei der Auflösung. Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht eine hohe Auflösung und vermeidet die Überfülle von Widerständen, Komparatoren und Gates, mit der damit verbundenen Gefahr von Codes, die außerhalb der Sequenz auftreten, wenn Driften erfolgt, wie dies bei dem bekannten System vorkommt, das auf Phasenbeziehungen innerhalb eines Widerstandsrings basiert.
• Ein besonders großer Vorteil des Codierers der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit, aus einem einzigen Scheibenzyklus mehr als eine Auflösung zu erzeugen. Beispielsweise könnte eine Scheibe mit 2·2.500 Zyklen verwendet werden, um Auflösungen von 2·10.000, 2·75.000, 2·12.500, usw. gleichzeitig zu erzeugen - und zwar einfach durch Speicherung der entsprechenden Werte in dem PROM.
• Ein weiteres Merkmal dieser Ausführungsform ist, daß die Speichereinrichtung nur die Interpolationsergebnisse für einen Quadranten speichern muß. Das höchstwertige Bit jedes Analog-Digital-Umsetzer-Ausgangssignals wird verwendet, um den Quadranten des Eingangssignal-Zyklus anzugeben. Dies ist in der Fig. 4 veranschaulicht. Zwei Bits geben den Quadranten an, und die restlichen zwei Bits geben den Sektor innerhalb des Quadranten an. Wenn die Speichereinrichtung auf Daten, nämlich die Interpolationsergebnisse für einen Quadranten, beschränkt ist, dann sollte, wenn das Adreß-Ausgangssignal der Analog-Digital-Umsetzer auf andere Quadranten übergeht, eines der Umsetzer-Ausgangssignale komplementiert werden. Außerdem sollte jede Adresse komplementiert werden, wenn ihr Vorzeichenbit eine Eins ist, so daß die Adreßstelle am Ende jedes Quadranten zurückprallt. Dies kann durch Gates erreicht werden, wie in der Fig. 5 veranschaulicht ist. Dabei ist anzumerken, daß dies eine alternative Anordnung ist, die verwendet werden kann, wenn gewünscht wird, eine Speicherung der Information für einen vollen Zyklus in der Speichereinrichtung zu vermeiden.
• Die Fig. 4 veranschaulicht die Codierung eines Zyklus, mit dem Ziel, um 90º phasenverschobene Rechteckwellenformen mit 4-facher Scheibenauflösung zu erzeugen. Die äußeren Bits geben die PROM-Ausgangssignale an, bevor W komplementiert wird, um B zu erzeugen. Dies ist ein Beispiel für eine inkrementale Codierung. Die Sequenz zeigt, wie bei Verwendung der Vorzeichenbits, um den PROM-Eingangssignalcode zu komplementieren, wie in der Fig. 5 dargestellt ist, an jeder Quadrantgrenze ein Reflexionseffekt hervorgerufen wird. Die Fig. 6 ist eine Wahrheitstabelle für die Fig. 4 und 5.
• Die Fig. 7, 8 und 9 veranschaulichen die Interpolation bei absoluter Codierung. Insbesondere zeigen die Fig. 7 und 8 die Interpolation eines Scheibenmusterzyklus einer Scheibe bei 32 Codes. Die Fig. 9 veranschaulicht eine Anordnung zur Verwirklichung einer solchen Interpolation, wobei die Interpolation auf 1024 Codes pro Scheibenmusterzyklus (10 Bits) ausgedehnt ist, sowie die Korrelation mit einem 14 Bit-Grobcode.
• Die Anordnung der Fig. 5 umfaßt zwei 6 Bit-Analog-Digital-Umsetzer 40 und 42 und einen PROM 44. Der PROM 44 speichert die Interpolationsergebnisse für nur einen Quadranten, und das höchstwertige Bit, X und Y, jedes Analog-Digital-Umsetzers wird auf ein Exklusiv-ODER-Gate 46 gegeben, dessen Ausgangssignal, zusammen mit dem Signal W des PROM-Ausgangs, auf ein Exklusiv-ODER-Gate 48 gegeben wird. Das höchstwertige Bit, X und Y, jedes Analog-Digital-Umsetzers steuert außerdem eine Wahrheits/Komplement- Schaltung 50 bzw. 52, die auf die restlichen 5 Bits des Analog-Digital- Umsetzer-Ausgangssignals wirkt, wie dies für Quadrantgrenzenänderungen erforderlich ist.
• Die Fig. 6 ist eine Signalwert-Tabelle, die die digitalen Werte der in der Schaltung der Fig. 5 erzeugten Signale wiedergibt, nämlich die höchstwertigen Bits X und Y der Analog-Digital-Umsetzer, die PROM-Ausgangssignale W und V, und die Codierer-Endsignale A und B. Die Tabelle ist aus Gründen der Einfachheit auf eine 4-fache Interpolation begrenzt. Jeder Zyklus der Codiererscheibe ist also in 4 Zyklen unterteilt, und das Endsignal der Schaltung der Fig. 5 ist ein Signal in 2 Bit-Form.
• Eine moderne praktische Einheit mit 8 Bit-Analog-Digital-Umsetzern und einem 4096 (64·64) Wort-PROM sollte eine 80-fache Interpolation praktisch ausführen können.
• Ein getrennter Ausgang des PROM's liefert einen kurzen Impuls pro Zyklus des Scheibenmusters (oder pro Viertelzyklus bei einem über einen Quadranten codierten PROM), der mit dem Scheibenmarkierer auf ein Gate gegeben werden könnte, um einen Impuls pro Umdrehung zu erhalten. Die Schaltung der Fig. 5 zeigt außerdem die Verwirklichung eines solchen Nullmarkierers, des Signals Z. Das Signal Z ist von einem NUND-Gate 53 mit 4 Eingängen abgeleitet, auf das die höchstwertigen Bits X und Y der Analog- Digital-Umsetzer, ein Hilfs-Ausgangssignal U des PROM's, und ein von den Codiererscheiben-Detektoren abgeleitetes Markierersignal gegeben werden. Das Nullmarkierersignal Z kann in der Tat über eine weite Auswahl von Winkeln erzeugt werden, wenn es auch im allgemeinen erforderlich sein mag, daß es mit einer bestimmten Kombination von Zählausgangszuständen zusammenfällt.
• Zur Interpolation eines absoluten Codierers wird der PROM gewöhnlich so programmiert, wie dies in der Fig. 7 veranschaulicht ist.
• In der Fig. 8 sind die zwei Vorzeichenbits und drei PROM-Ausgangssignalbits aufgelistet, wie sie durch Komplementieren der letzteren in anderen Quadranten erhalten werden könnten. Die Auflistung veranschaulicht, daß dabei eine natürliche binäre Sequenz aus den drei von dem PROM abgeleiteten Bits erhalten werden kann, aber daß ein Vorzeichenbit eine Inversion bei dem zweiten Halbzyklus erfordert, um eine herkömmliche, natürliche binäre 5 Bit-Sequenz zu erzeugen.
• Die Hauptschaltung der Fig. 9 sieht natürlich ähnlich aus wie die Schaltung der Fig. 5. Die Analog-Digital-Umsetzer 54 und 56 sind jedoch als 8 Bit-Einrichtungen dargestellt, und anstatt Exklusiv-ODER-Gates zu verwenden, um die Einerkomplemente des PROM-Ausgangs zu erzeugen, wird ein größerer PROM 58 (128·256-Matrix) verwendet. Die PROM-Adresse wird immer noch komplementiert, wenn die Vorzeichenbits Einsen sind. Um einen absoluten Codierer zu verwirklichen, müssen mehr Bits des PROM-Ausgangs codiert werden, und die Interpolationsbits müssen mit dem direkt abgelesenen Grobcode korreliert werden. Die Schaltung der Fig. 9 veranschaulicht die Verwendung einer "Addier 1"-Technik, um eine Korrelation zu erhalten, wobei die PROM-Wörter in dem natürlichen binären System codiert werden. Dies ist eine relativ einfache Technik, bei der das von dem 14 Bit-Grausignal einer absoluten Codiererscheibe abgeleitete Ausgangswort, das heißt, das von 14 Spuren auf der Scheibe abgelesene Signal, inkrementiert wird, wenn das niedrigstwertige Grobbit, nach Umwandlung in das natürliche binäre System, verschieden ist von dem höchstwertigen Bit des feinen (interpolierten) Wortes. Das 14. Grobbit ist in der Tat ein redundantes Bit, das nur für die Korrelation verwendet wird. Das 14. Ausgangssignalbit der ADDIER 1-Schaltung wird daher weggelassen. Die um 90º phasenverschobenen Feinsignale werden von einer oder mehreren zusätzlichen Spuren abgeleitet, die einen halben Zyklus pro Quantum des Grobcodes haben. Gewöhnlich umfaßt dies 2·8192 Zyklen. Da die Analog-Digital-Umsetzer 8 Bits aufweisen, ist die Ausgangsleistung der Schaltung ein 23 Bit-Ausgangswort. Die praktische Grenze der Auflösung ist gewöhnlich ein 21 Bit-Ausgangswort im natürlichen binären System, aber die zusätzlichen Bits könnten es ermöglichen, einen Binärcode für Dezimalziffern zu verwenden, wie beispielsweise 0-359999 und 0-639999.
• Die Grobsignale, die auf die Eingänge 1-14 der Anordnung der Fig. 9 gegeben werden, werden durch die in dem Block 60 enthaltenen Verstärker verstärkt, und danach in dem Block 62 in binäre Signale umgewandelt. Die Umwandlung in binäre Signale ist erforderlich, um die "Addier 1"-Technik verwenden zu können.
• Die vorliegende Erfindung kann auf Wellenwinkelcodierer angewandt werden, bei denen andere optische Sensoren als die oben beschriebenen, oder nicht-optische Sensoren, wie beispielsweise magnetische Sensoren, verwendet werden. Ein spezielles Beispiel für einen anderen optischen Sensor ist ein optischer Sensor, bei dem die Codiererscheibe eine Polarisierung des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts bewirkt. Die Photodetektoren sind umgedreht, und zwischen jedem Photodetektor und der Scheibe ist ein Polarisationsfilter angeordnet. Die Polarisationsebenen dieser Filter sind gegenseitig unter 45º geneigt. Dabei werden zwei sinusförmige, um 90º phasenverschobene Signale pro Umdrehung der Scheibe erzeugt, die auf die Analog-Digital-Umsetzer gegeben werden, wie dies oben beschrieben wurde.
• Das allgemeine Prinzip der vorliegenden Erfindung, das auf einem Interpolationsverfahren basiert, wurde vorstehend bei Anwendung auf Wellenwinkelcodierer ausführlich beschrieben. Für Fachleute ist jedoch sofort ersichtlich, daß das allgemeine Prinzip der vorliegenden Erfindung auch auf viele andere Anwendungen anwendbar ist. Beispiele für solche Anwendungen sind Synchron-Digital-Umsetzer, Faseroptik-Transducer und Leistungsmesser.
• Eine weitere Anwendung des allgemeinen Konzepts der vorliegenden Erfindung basiert auf der Verwendung des Interpolationsverfahrens bei einem Synchron-Digital-Resolver. Dies wird unter Bezugnahme auf die Fig. 10 beschrieben.
• Ein Synchronresolver erzeugt, wenn er mit Wechselstrom erregt wird, zwei Ausgangssignale, und zwar beide mit der Erregungsfrequenz, aber mit Amplituden, die proportional zu dem Sinus bzw. Cosinus des Wellenwinkels sind. Wenn die (Stator)-Ausgangssignale synchron zu der Bezugs(Rotor)- Erregung abgetastet werden, werden die relativen Sinus- und Cosinusamplituden erhalten. Diese abgetasteten Spannungen werden in digitale Wörter umgewandelt, und verwendet, um einen geeignet codierten PROM zu adressieren, wie dies oben beschrieben wurde, mit dem Ziel, absolute oder inkrementale Daten zu erhalten.
• Verglichen mit herkömmlichen Resolver-Digital-Umsetzungstechniken kann ein solches System bei besonders hohen Geschwindigkeiten arbeiten, insbesondere, wenn Blitz-Analog-Digital-Umsetzer verwendet werden. Die Umsetzungszeit kann sehr kurz sein, selbst wenn mehrere Resolver zu einem solchen Interpolator multiplext werden, da keine Zählung oder Nachführung damit verbunden ist.
• Die Verwendung eines Synchronresolvers, der 3 phasenverschobene Ausgänge anstatt der oben beschriebenen zwei aufweist, kann ermöglicht werden durch entweder 3 Analog-Digital-Umsetzer und eine komplexere PROM- Programmierung, oder eine Reduzierung auf Zweiphasen-Signale mittels eines Scott-T-Transformators.
• Eine einfache Resolver-Digital-Umsetzeranordnung ist in der Fig. 10 veranschaulicht. Der Resolver 66 erhält ein Eingangssignal von einem Oszillator 68, der auch eine Programmiereinheit 70 steuert. Die Programmiereinheit 70 gibt Steuersignale (Zeitsteuersignale) auf zwei Abfrage- und Speicherschaltungen 72 und 74, und auf zwei Analog-Digital-Umsetzer 76 und 78. Die Ausgangssignale der Analog-Digital-Umsetzer adressieren einen PROM 80, der das endgültige Ausgangswort erzeugt. Die Ausgangssignale des Resolvers 66 werden auf die Abfrage- und Speicherschaltungen 72 und 74 gegeben, die wiederum Signale auf die Umsetzer 76 und 78 geben. Die Verarbeitung zwischen den Umsetzern 76 und 78 und dem PROM 80 erfolgt in der gleichen Weise, wie dies oben für andere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde.
• Die Fig. 11 und 12 veranschaulichen eine Anwendung des Interpolationsverfahrens der vorliegenden Erfindung, bei der ein Codierer- Ausgangssignal mit hoher Auflösung erhalten wird. Das gewünschte Ausgangssignal hat die Form von zwei sinusähnlichen Signalen, die um 90º phasenverschoben sind. Es ist äußerst schwierig, einen Codierer herzustellen, der unmittelbar um 90º phasenverschobene Signale mit hoher Auflösung liefert. Bei der Anordnung der Fig. 11 werden die zwei um 90º phasenverschobenen Signale A und B eines normalen Codierers jedoch digitalisiert, und verwendet, um einen ROM zu adressieren, der so programmiert ist, daß er eine digitalisierte analoge Sequenz ausgibt. Diese Sequenz wird einer Digital-Analog-Umsetzung unterworfen, um die Ausgangssignale C und D zu erhalten. Die Ausgangssignale haben keine glatten Wellenformen und weisen kleine Quantisierungs-Unstetigkeiten auf. Solche geringen Unvollkommenheiten bei den Ausgangssignal-Wellenformen können so weit reduziert werden, daß sie tatsächlich nicht wahrnehmbar sind. Die Fig. 12 veranschaulicht eine vierfache Erhöhung der Auflösung. Die Auflösung in Richtung der Amplitudenachse kann über die erforderliche Anzahl von Ausgangssignal-Bits des ROM ausgewählt werden. Die Auflösung in Richtung der Winkelachse variiert so, wie dies oben im Zusammenhang mit dem Quantisierungsfehler beschrieben wurde. Das heißt, die Winkelauflösung ist abhängig von der Anzahl der Bits, die erzeugt werden, um den ROM zu adressieren. Außerdem ist leicht ersichtlich, daß diese Anordnung verwendet werden kann, um andere Änderungen als Auflösungsänderungen, oder zusätzliche Änderungen vorzunehmen. Insbesondere können Änderungen der Ausgangssignal- Wellenform verwirklicht werden. Die Phase zwischen zwei Ausgangssignalen kann geändert werden. Es ist möglich, eine Phasenwinkel-Multiplikation auszuführen. Das heißt, die Frequenz eines Signals kann um einen ganzzahligen Faktor erhöht werden. Diese Techniken können in verschiedenen Kombinationen über praktisch jeden Eingangsfrequenzbereich verwendet werden.
• Faseroptik-Transducer gewinnen infolge ihrer Sicherheitsmerkmale, wie beispielsweise kein Funkenbildungsrisiko und sehr zuverlässige Datenübertragung, zunehmende Bedeutung in der Industrie. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann bei Faseroptiktransducer-Anwendungen verwendet werden, um Nicht-Linearitäten zu vermeiden, die mit vielen vorhandenen Komponenten, die mit Faseroptiken verwendet werden, verbunden sind. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann auch verwendet werden, um den relativen Farbgehalt eines Faseroptiksignals, die Amplitude des Signals, oder die Modulationsfrequenz des Signals zu bestimmen.
• Solche Faseroptiksysteme können optische Transducer enthalten, bei denen der Wert des zu messenden Parameters die Wellenlänge des von dem Transducer übertragenen Lichts bestimmt. Ein Beispiel ist ein Gittermonochromator, der die Winkelverschiebung in eine Wellenlängenänderung umwandelt. Über die Messung der Wellenlängenänderung kann also die Winkelposition des Gittermonochromators bestimmt werden. Eine lineare Verschiebung kann mittels einer Fresnelzonenplatte gemessen werden. Eine Fresnelzonenplatte hat die Eigenschaft, daß sie das gesamte einfallende Licht einer bestimmten Wellenlänge in einem einzigen Punkt vereinigt. Bei einfallendem Licht, das eine Vielzahl von Wellenlängen aufweist, wird folglich eine Änderung der Wellenlänge wahrgenommen, wenn die Platte linear verschoben wird. In jedem Falle wird eine optische Faser verwendet, um weißes Licht zuzuführen, und eine weitere optische Faser verwendet, um einen schmalen Bereich von vereinigten Wellenlängen zu sammeln. Beide Beispiele weisen die Vorteile auf, daß sie unabhängig von der Lichtmenge sind und nur eine Messung der Wellenlänge erfordern. Wenn das Ausgangssignal der Transducer auf zwei Detektoren mit verschiedener spektraler Empfindlichkeit gegeben wird, können die Ausgangssignale dieser Detektoren die Eingangssignale für die Analog-Digital-Umsetzer der Anordnung der vorliegenden Erfindung bilden.
• Als weiteres Beispiel kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung bei einem Spannungsmeßgerät verwendet werden. Analoge Signale werden in digitale Signale umgewandelt, die dann verwendet werden, um einen PROM zu adressieren. Der PROM speichert Korrekturfaktoren, um Nicht-Linearitäten der Kennlinie des Meßtransducers zu kompensieren. Auf die gleiche Weise kann auch Strom gemessen werden. Bei Gleichstromsignalen ist es daher möglich, einen digitalen Meßwert für die Leistung zu erhalten, wenn sowohl der Meßwert für die Spannung, als auch der Meßwert für den Strom auf einen Analog- Digital-Umsetzer gegeben werden, um danach einen vorcodierten PROM zu adressieren. Bei einer Wechselstromschaltung ist es möglich, den Leistungsfaktor als eine dritte Dimension zu verwenden, und dadurch einen sinnvollen digitalen Meßwert für die Wechselstromleistung zu erhalten. Um eine solche dreidimensionale Anordnung zu verwirklichen, kann einfach ein PROM mit 12 Eingängen genommen werden, wobei jeder Dimension 4 Eingänge zugeteilt werden. Diese Technik kann auf weitere Dimensionen, wie beispielsweise die Zeit, ausgedehnt werden, wobei die PROM-Eingänge in geeigneter Weise auf die Variablen aufgeteilt werden.
• Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich also, daß das Interpolationsverfahren der vorliegenden Erfindung ein leistungsfähiges Hilfsmittel ist, das bei Anwendungen aus einem sehr weiten Bereich eingesetzt werden kann.

Claims (11)

1. Codierer mit auf die Position ansprechenden Mitteln (10, 12, 14, 16, 18) zur Erzeugung von zwei analogen Signalen (20, 22), von denen jedes einer relativen Winkel- oder Längenposition entspricht, Analog-Digital-Umsetzungsmitteln (34, 36), die die analogen Signale in digitale Wörter umsetzen, von denen jedes eine Vielzahl von Bits aufweist, einer Speichereinrichtung (38), die Daten enthält, die Interpolationsergebnisse für Kombinationen von Werten der analogen Signale (20, 22) umfassen, und Speicheradressiermitteln zum Adressieren der Speichereinrichtung (38) entsprechend den digitalen Wörtern, um die vorgespeicherten Ergebnisse aus der Speichereinrichtung (38) auszugeben, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicheradressiermittel die Speichereinrichtung (38) mit einer einzigen Speicheradresse adressieren, die als eine Verbundadresse der digitalen Wörter definiert ist, von denen jedes einen Teil der Verbundadresse bildet, wobei die Interpolationsergebnisse für bestimmte Kombinationen von Werten der analogen Signale (20, 22) bei den jeweiligen Adressen in der Speichereinrichtung (38) vorgespeichert werden.

2. Codierer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Analog- Digital-Umsetzungsmittel (34, 36) einen Analog-Digital-Umsetzer (34, 36) für jedes der zwei analogen Signale (20, 22) umfassen.

3. Codierer gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung (38) einen Festwertspeicher (38) umfaßt.

4. Codierer gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgespeicherten Ergebnisse die Form von Befehlssignalen für die nachfolgende Schaltung haben.

5. Codierer gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß manche Speicheradressen Fehlermeldungen enthalten, die von der Speichereinrichtung (38) ausgegeben werden, wenn die Signale der Analog-Digital-Umsetzungsmittel (34, 36) außerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegen.

6. Codierer gemäß Anspruch 1, der als Wellen-Winkelcodierer ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die auf eine Position ansprechenden Mittel eine an einer Welle (12) zu befestigende Codiererscheibe (10), und von der Codiererscheibe (10) gesteuerte Sensormittel (16, 18) umfassen, um die zwei analogen Ausgangssignale (20, 22) zu erzeugen.

7. Codierer gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung (38) die Interpolationsergebnisse speichert, die nur einem Quadraten einer Umdrehung der Codiererscheibe (10) entsprechen, und die Adressiermittel (38) Mittel zur Ausführung von Adressenänderungen an den Quadrantengrenzen umfassen.

8. Codierer gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Codierer ein absoluter Codierer ist.

9. Codierer gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, der als linearer Codierer ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Position ansprechenden Mittel Transducermittel umfassen, die die zwei analogen Signale liefern.

10. Codierer gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, der der als ein Synchron-Digital-Umsetzer ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Position ansprechenden Mittel (10, 12, 14, 16, 18) einen Resolver umfassen, der zwei analoge Signale (20, 22) erzeugt, die Winkelpositionen entsprechen.

11. Verfahren zum Interpolieren zwischen zwei analogen Signalen (20, 22), bei dem jedes analoge Signal (20, 22) in ein digitales Wort umgesetzt wird, das eine Vielzahl von Bits aufweist, und bei dem die umgesetzten Wörter verwendet werden, um eine Speichereinrichtung (38) zu adressieren, in der das Ergebnis der geforderten Interpolation für Kombinationen von Werten der analogen Signale (20, 22) vorgespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Adressieren der Speichereinrichtung (38) eine einzige Speicheradresse gebildet wird, die als eine Verbundadresse der zwei digitalen Wörter definiert ist, von denen jedes einen Teil der Verbundadresse bildet, wobei die Interpolationsergebnisse für bestimmte Kombinationen von Werten der analogen Signale (20, 22) bei den jeweiligen Adressen in der Speichereinrichtung (38) vorgespeichert werden.