DE4211430C1 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines zeitvariablen Ausgangssignals - Google Patents

Description

Die Erfindung gilt aus von einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines zeitvariablen Ausgangssignals nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Schaltung kann in der gesamten Meß- und Regeltechnik zum Einsatz kommen, in der die Messung physikalischer Größen und deren Umwandlung in elektrische Wechselsignale zur Meßgrößenwei­ terverarbeitung von Vorteil gegenüber einer Wandlung und Weiter­ verarbeitung der Meßgrößen in elektrische Gleichsignale ist. Die Anwendung von elektrischen Wechselsignalen wird im allgemeinen durch die Möglichkeit der besseren Störsignalausfilterung gegen­ über der Arbeit mit Gleichsignalen bevorzugt.

Gemäß DE-OS 14 66 741 ist bekannt, eine Schaltungsanordnung (Ge­ rät) zur Umwandlung des Verhältnisses zweier elektrischer Wech­ selsignale in einen Gleichstrom vorzusehen. In dieser Schal­ tungsanordnung werden die beiden Wechselsignale erst in Wechsel­ spannungseingangsverstärkern verstärkt. Die Weiterverarbeitung erfolgt mit Hilfe eines abgeglichenen Demodulators mit Glät­ tungskreis und einem Rückkopplungskreis mit Hallplatte. Die Ein­ speisung der elektrischen Wechselsignale in die Schaltungsanord­ nung erfolgt über magnetische Feldspulen und als Ausgangssignal gibt die Schaltungsanordnung eine Gleichspannung ab.

Hauptnachteil der Schaltungsanordnung nach DE-OS 14 66 741 sind die extrem schlechten dynamischen Eigenschaften, hervorgerufen durch die integrierenden Eigenschaften des Glättungskreises. Integrierende Teilschaltungen mit Tiefpaßeigenschaften zum Aus­ filtern der Trägerfrequenz findet man in fast allen Geräten und Schaltungsanordnungen, die mit elektrischen Wechselsignalen ar­ beiten. Die von der Schaltungsanordnung abgegebene Gleichspan­ nung läßt sich schlecht und nur mit hohem Aufwand störungsfrei über große Entfernungen übertragen und muß für eine rechentech­ nische Weiterverarbeitung erst noch digitalisiert werden. Der Demodulator in dieser Schaltungsanordnung erfordert einen hohen Abgleichaufwand und die verwendeten magnetischen Feldspulen so­ wie die Hallplatte sind große voluminöse Bauelemente, die einer Integration der Schaltungsanordnung, zum Beispiel in einen inte­ grierten Schaltkreis, entgegenstehen. Eine einzelne Hallanord­ nung, wie sie in der DE-OS 14 66 741 benutzt wird, ist zudem auch mechanisch anfällig. Beide magnetische Bauelemente lassen sich in ihren elektrischen Eigenschaften schlechter als andere elektrische Bauelemente beherrschen.

Nach DE-OS 19 06 484 ist eine Schaltungsanordnung zum Vergleichen zweier elektrischer Wechselgrößen derselben Frequenz bekannt, die eine Amplitudenvergleicheinrichtung enthält, der einerseits eine aus der einen elektrischen Wechselgröße abgeleitete Meßgrö­ ße und andererseits eine aus der anderen Wechselgröße mit einer vorbestimmten Phasenverschiebung abgeleitete weitere Meßgröße zu jeweils einem durch eine Steuereinrichtung vorbestimmten Zeit­ punkt der Halbwellen einer der beiden Meßgrößen zugeführt wird, und daß ausgangsseitig an die Amplitudenvergleicheinrichtung ein Impulsformer angeschlossen ist, an den von der Amplitudenver­ gleicheinrichtung dann ein Signal abgegeben wird, wenn zu einem vorbestimmten Zeitpunkt der Halbwellen einer der beiden Meßgrö­ ßen die Differenz der Amplituden der beiden Meßgrößen ein vorbe­ stimmtes Vorzeichen aufweist. Die Steuereinrichtung besteht da­ bei aus einer Torschaltung und einem Steuergenerator.

Bei dieser Lösung legt die Steuereinrichtung den Zeitpunkt zum Amplitudenvergleich fest. Besitzt die Differenz der Amplituden der beiden Meßgrößen zu einem anderen Zeitpunkt (der Halbwellen einer der beiden Meßgrößen) das vorbestimmte Vorzeichen, so gibt die Amplitudenvergleicheinrichtung kein Signal ab. Dieses Ver­ halten ist für eine Schutzanordnung geeignet, da das Vorzeichen der Differenz der Amplituden der beiden Meßgrößen nur zu dem vorbestimmten Zeitpunkt einen Fehler anzeigt. Das von der Ampli­ tudenvergleicheinrichtung abgegebene Signal liegt entweder nur zu dem vorbestimmten Zeitpunkt vor oder kann sich nur zu diesem Zeitpunkt ändern.

Für eine Meßschaltung ist ein derartiges Verhalten ungeeignet.

Aus der deutschen Patentschrift 9 04 439 ist ein Verfahren zur Messung des Amplitudenverhältnisses zweier elektrischer Wechsel­ spannungen gleicher Frequenz bekannt, bei der eine der beiden Wechselspannungen gegen die andere um 90° in der Phase verscho­ ben wird und die beiden Spannungen vektoriell einmal addiert und einmal subtrahiert werden, wobei die Phasenverschiebung zwischen den beiden hierbei entstehenden gleich großen resultierenden Wechselspannungen ein Maß für das Amplitudenverhältnis der Wech­ selspannungen ist. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht in dem großen technischen Aufwand fuhr die vektorielle Addition und Sub­ traktion sowie für die Ermittlung der Phasenverschiebung.

Es besteht somit die Aufgabe, eine Lösung anzugeben, die mit geringen schaltungstechnischem Aufwand in regelmäßigen Abständen ein zeitvariables Ausgangssignal mit einer vom Amplitudenver­ hältnis zweier periodischer Signale abhängigen Zeitdauer er­ zeugt. Eine vektorielle Addition oder Subtraktion der periodi­ schen Signale soll vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Signalformer ist durch die Aufteilung in zwei Verar­ beitungszweige entsprechend den anliegenden und in ihrem Ampli­ tudenverhältnis zu bestimmenden Eingangssignalen gekennzeichnet. In einem Zweig wird das eine Eingangssignal um einen bestimmten Betrag in seiner Phasenlage zum anderen Signal verschoben. Der Betrag der Verschiebung sollte vorzugsweise 90° betragen. Die Phasenverschiebung kann mit allen gängigen und bekannten Arten von Phasenschiebern erfolgen. So zum Beispiel mit elektronischen Phasenschiebern, die mit RC-Gliedern, mit LC-Gliedern, als in­ tegrator- oder als Differentiatorschaltung aufgebaut sind. Die Art des eingesetzten Phasenschiebers richtet sich nach der Kur­ venform der zu verarbeitenden periodischen Signale. So kann zum Zwecke der Erzeugung des notwendigen Phasenversatzes bei kompli­ zierten Kurvenformen auch ein Laufzeitglied verwendet werden.

Im anderen Zweig des Signalformers findet eine Gleichrichtung des anderen Eingangssignals statt. Für die Gleichrichtung werden im Signalformer die seit langem bekannten Präzisiongleichrich­ terschaltungen verwendet. Diese bestehen meist aus einem oder mehreren Operationsverstärkern, mit deren Hilfe das Prinzip der idealen Diode realisiert wird. Die beiden Ausgangssignale der beiden Zweige des Signalformers werden den Eingangsklemmen eines Vergleichers, der als analoger Komparator ausgeführt ist, zuge­ führt. Der Ausgang des Vergleichers schaltet immer zu dem Zeitpunkt seinen Ausgangspegel um, wenn die Momentanwerte der Ausgangssignale des Signalformers, also des Phasenschiebers wie des Gleichrichters, den gleichen Betrag aufweisen. Der Verglei­ cher kann so an den Signalformer geschaltet sein, daß der Aus­ gang des Vergleichers ein "logisch Eins" annimmt, wenn das Aus­ gangssignal des Präzisionsgleichrichters größer oder gleich dem Ausgangssignal des Phasenschiebers ist. Es können auch die bei­ den Anschlüsse des Vergleichers vertauscht werden. Hierbei tritt eine Invertierung des Ausgangssignals des Vergleichers auf.

Für eine nachfolgende Auswertung des zeitvariablen Signals, das die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung als Ausgangssignal zur Verfügung stellt, ist die Polarität, also die Invertierung oder Nichtinvertierung der Ausgangssignalimpulsfolge, nicht von Be­ deutung, denn ein nachfolgender Impulslängenzähler kann mit der negativen oder positiven Flanke von Impulsen getriggert werden.

Als zeitvariables Ausgangssignal kann einerseits die Länge der Ausgangsimpulse des Vergleichers wie auch die Lücke zwischen den Impulsen genutzt werden. Es ist natürlich auch möglich, mit Hil­ fe der fallenden und der steigenden Flanken der Ausgangsimpuls­ folge des Vergleichers eine weitere Impulsfolge, insbesondere Nadelimpulse oder Impulse von sehr kurzer zeitlicher Dauer zu generieren und damit den Impulslängenzähler zu starten oder zu stoppen, um das zeitvariable Signal in seiner zeitlichen Dauer zu bestimmen.

Pro Periode der Eingangssignale der Schal­ tungsanordnung wird ein zeitvariables Ausgangssignal gebildet. Zur Verdopplung der Anzahl der Ausgangssignale pro Periode der Eingangssignale der Schaltungsanordnung wird das Signal des Zweiges des Signalformers, in dem sich der Phasenschieber befin­ det, nach Durchlaufen des Phasenschiebers ebenfalls gleich­ gerichtet. Dazu kann ein Gleichrichter mit gleichem Aufbau wie im ersten Zweig des Signalformers verwendet werden. Der Tausch der beiden Eingangsanschlüsse des Vergleichers kann in dieser Anordnung wieder vorgenommen werden.

Das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung ist unipolar. Zur Erzeugung eines bipolaren oder vorzeichenbehafteten Ausgangssi­ gnals müssen die beiden Signale des Signalformers einer Rechen­ schaltung zugeführt werden. Das Ausgangssignal der Rechenschal­ tung wird anschließend mit einem Signal des Signalformers, vor­ zugsweise dem gleichgerichteten Signal, mit Hilfe des Verglei­ chers verglichen.

Eine der kompliziertesten Baugruppen der Schaltungsanordnung stellt der Präzisionsgleichrichter dar. Er begrenzt durch die technischen Daten der verwendeten Operationsverstärker die maxi­ mal verwendbare Trägerfrequenz. Um auch sehr hohe Trägerfrequen­ zen mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verarbeiten zu können, kann der Präzisionsgleichrichter durch einen invertie­ renden Verstärker ersetzt werden. Dieser invertierende Verstär­ ker bildet ein drittes Signal innerhalb der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, das einem ersten analogem Komparator zuge­ führt wird. Das zweite Signal, das dem ersten analogen Kompara­ tor zugeführt wird, ist das Ausgangssignal des Phasenschiebers und dieses Signal wird auch gleichzeitig dem einen Eingang eines zweiten analogen Komparators zugeführt. Das zweite Eingangssi­ gnal des zweiten analogen Komparators ist das Eingangssignal des invertierenden Verstärkers. Die Ausgangsimpulse der beiden ana­ logen Komparatoren sind immer eine halbe Periode der zu verar­ beitenden periodischen Signale lang. Sie sind aber entsprechend dem zu bestimmenden Amplitudenverhältnis der beiden Eingangssi­ gnale der Schaltungsanordnung gegeneinander in verschiedener Phasenlage. Um diesen Phasenversatz zu ermit­ teln, dessen zeitliche Länge abhängig vom Amplitudenverhältnis ist, werden die beiden Ausgangssignale der analogen Komparatoren einem digitalen Komparator in Form eines Exklusiv-Oder-Gatters zugeführt. Die Eingänge der analogen Komparatoren können belie­ big vertauscht werden mit der Bedingung, daß das Ausgangssignal des Phasenschiebers jeweils an einem Eingang der beiden analogen Komparatoren anliegt.

Sollten die in ihrem Amplitudenverhältnis zu bestimmenden perio­ dischen Signale bereits mit einem Phasenversatz von annä­ hernd 90° vorliegen, zum Beispiel wenn die periodischen Signale von induktiven oder kapazitiven Sensoren stammen, kann der Pha­ senschieber im Signalformer entfallen oder wird nur zur Erzie­ lung der korrekten Phasenverschiebung von zum Beispiel 90° einge­ setzt. Hier ist es zum Beispiel auch möglich, die in ihrem Am­ plitudenverhältnis zu bestimmenden Signale so aufzuteilen, daß ein Signal durch die Trägerfrequenz selbst gebildet wird und das andere Signal die zu bestimmende Größe selbst enthält.

Die an den Eingängen der Schaltungsanordnung anliegenden periodischen Signale können beispielsweise von einem induktiven Wegaufnehmer oder einer positionsempfindlichen Foto­ diode erzeugt werden.

Die Schaltungsanordnung ist vollständig in einen integrierten Schaltkreis integrierbar. Die erfindungsgemäße Schaltungsanord­ nung weist sehr gute dynamische Parameter auf. Es ergibt sich eine theoretische Abtastfrequenz der Meßwerte von einem Vielfa­ chen der verwendeten Frequenz der zu vergleichenden periodischen Signale.

Das zeitvariable Signal läßt sich problemlos über große Entfer­ nungen übertragen, ist unempfindlich gegenüber Störsignalen und vereinfacht eine Digitalisierung entscheidend. Die Digitalisie­ rung reduziert sich auf eine Zeitmessung, welche durch bekannte Zählfrequenzverfahren einfach realisierbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung 55 mit dem Signalformer 1, der mit dem Vergleicher 2 in Reihe geschal­ tet ist. An der Eingangsklemme 3 und der Eingangsklemme 4 liegen die beiden in ihrem Amplitudenverhältnis zu bestimmenden Signale an. Die Ausgangsklemme 5 stellt den Ausgang der erfindungsgemä­ ßen Schaltungsanordnung dar, an dem das zeitvariable Ausgangs­ signal 10 abgenommen wird.

Fig. 2 stellt eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 55 nach Fig. 1 dar. Der eine Zweig des Signalformers 12 wird durch den Präzisions­ gleichrichter 11 gebildet. Sein Eingang ist mit der Eingangs­ klemme 3 identisch. Sein Ausgang bildet ein Eingangssignal des Vergleichers 2, der als analoger Komparator ausgebildet ist, und ist mit der Klemme 6 identisch. Der andere Zweig des Signalformers 1 ist ein Phasenschieber 12. Der Eingang des Phasenschie­ bers 12 ist mit der Eingangsklemme 4 identisch. Sein Ausgang bildet das andere Eingangssignal des Vergleichers 2 und ist mit der Klemme 8 identisch.

An der Klemme 6 steht das Kontrollsignal 7, das nach Durchlaufen des Eingangssignals an der Eingangsklemme 3 durch einen Zweig des Signalformers 1 entstanden ist, und an der Klemme 8 steht das Kontrollsignal 9, das nach Durchlaufen des Eingangssignals an der Eingangsklemme 4 durch den anderen Zweig des Signalfor­ mers entstanden ist, zur Verfügung. An der Ausgangsklemme 5 läßt sich das Ausgangssignal 10 in Form des zeitvariablen Signals abnehmen.

Die drei Diagramme in der Fig. 3 stellen die beiden Kontroll­ signale 7 und 9 und das an dem Ausgangsanschluß 5 der Fig. 1 und 2 abnehmbare Ausgangssignal 10 dar. Die drei Diagramme 3a, 3b und 3c repräsentieren drei unterschiedliche Amplitudenver­ hältnisse der Eingangssignale an den Eingangsanschlüssen 3 und 4.

In der Fig. 3a ist die Amplitude des Eingangssignals am Ein­ gangsanschluß 4 nur 1/3 der Amplitude des Eingangssignals am Eingangsanschluß 3. In der Fig. 3b sind die Amplituden der Ein­ gangssignale an den Eingangsanschlüssen 3 und 4 gleich und in der Fig. 3c ist die Amplitude des Eingangssignals am Eingangs­ anschluß 3 nur 1/3 der Amplitude des Eingangssignals am Ein­ gangsanschluß 4. In allen drei Diagrammen stellt der Kurvenzug 7 auch das Kontrollsignal 7, das aus dem Eingangssignal am Ein­ gangsanschluß 3 nach Durchlaufen des Signalformers 1 entstanden ist, dar. Desweiteren wird in allen drei Diagrammen durch den Kurvenzug 9 auch das Kontrollsignal 9, das aus dem Eingangssi­ gnal am Eingangsanschluß 4 nach Durchlaufen des Signalformers 1 entstanden ist, dargestellt. Jeweils zu den Zeitpunkten, in de­ nen die Momentanwerte der beiden Kontrollsignale 7 und 9 gleich sind, schaltet der Vergleicher 2 an seinem Ausgang seinen Pegel um und bildet somit das geforderte Ausgangssignal 10.

In den Diagrammen kommt die Abhängigkeit der Impulslänge vom Amplitudenverhältnis gut zum Ausdruck. Die zum Beispiel kürzeste Impulslänge bzw. das Ausbleiben des Impulses entsteht bei Fort­ bleiben des Signals am Eingangsanschluß 4. Die maximale Impuls­ länge wird von der eingestellten Phasenverschiebung beeinflußt und beträgt in der dargestellten Variante mit einer Phasenver­ schiebung des Eingangssignals an der Eingangsklemme 4 zu dem Kontrollsignal 9 an der Klemme 8 von PI/2 (90 Grad) maximal PI (180 Grad). Bei einer eingestellten Phasenverschiebung des Ein­ gangssignals an der Eingangsklemme 4 zum Kontrollsignal 9 an der Klemme 8 von maximal PI (180 Grad), kann die Impulslänge des Ausgangssignals 10 auch den maximal möglichen Wert von 2*PI (360 Grad) annehmen.

Die beiden Eingänge des Vergleichers 2 können auch vertauscht werden. Dabei tritt eine Invertierung der Ausgangsimpulsfolge des Vergleichers 2 auf.

Fig. 4 stellt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung 55 mit einer zweiten Gleichrichterschaltung 13 nach dem Phasenschieber 12 dar. Hierbei wird die in Fig. 3 deutlich zu erkennende und nicht genutzte Halbwelle des Kontrollsignals 9 in den gleichen potentialbereich wie die genutzte Halbwelle des Kontrollsignals 9 gleichgerichtet und kann damit ebenfalls zur Bildung des zeitvariablen Ausgangssignals 10 des Vergleichers 2 herangezogen werden. Damit verdoppelt sich die Menge der zeitva­ riablen Ausgangsgrößen am Ausgang des Vergleichers 2.

Die beiden Eingänge des Vergleichers 2 können auch in dieser Schaltungsanordnung vertauscht werden. Dabei tritt wieder eine Invertierung der Ausgangsimpulsfolge des Vergleichers 2 auf.

Fig. 5 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 55 gemäß Fig. 2. Die Widerstände 14, 15, 16, 17 und 18, die Schaltdioden 19 und 20 sowie die Operationsverstärkeranordnungen 21 und 22 bil­ den in der Anordnung der Bauelemente und in ihrer Funktion einen Präzisionsgleichrichter. Am Eingang des Präzisionsgleichrich­ ters, der mit der Eingangsklemme 3 identisch ist, liegt eines der beiden in ihrem Amplitudenverhältnis zu bestimmenden Signale an. Die Widerstände 23 und 24, der Kondensator 25 sowie der Ope­ rationsverstärker 26 bilden einen invertierenden Verstärker, der eine durch den Kondensator 25 bestimmte obere Grenzfrequenz be­ sitzt. Die Bauelemente bewirken für die zu verarbeitende Träger­ frequenz, die in Form des Eingangssignals an der Eingangsklemme 4 anliegt, eine Phasenverschiebung von ca. -90°. Am Ausgang des Operationsverstärkers 22 läßt sich das Kontrollsignal 7 ab­ nehmen, daß der Kurve 7 in Fig. 3 entspricht. Am Ausgang des Operationsverstärkers 26 läßt sich das Kontrollsignal 9 abneh­ men, daß der Kurve 9 in Fig. 3 entspricht. Die Ausgangssignale der Operationsverstärker 22 und 26 werden den Eingangsanschlüs­ sen des Vergleichers 2, der als analoger Komparator ausgeführt ist, zugeführt. Am Ausgang 5 des analogen Komparators ist das Ausgangssignal 10 zu entnehmen.

Fig. 6 zeigt eine weitere mögliche Ausführung der erfindungs­ gemäßen Schaltungsanordnung 55. Die Widerstände 14, 15, 16, 17 und 18, die Schaltdioden 19 und 20 sowie die Operationsverstärkeranordnungen 21 und 22 bil­ den in der Anordnung der Bauelemente und in ihrer Funktion einen Präzisionsgleichrichter. Der Eingang des Präzisionsgleichrichters ist mit der Eingangs­ klemme 3 identisch und hier liegt ein Eingangssignal an. Der Kondensator 27, der Widerstand 28 sowie der Operationsverstärker 26 bilden eine Anordnung zur Differenzierung von Signalen, wobei der Differenzierer bezüglich der Schaltungsanordnung und seiner Funktion hinlänglich bekannt ist. Der Eingang des Differenzie­ rers entspricht der Eingangsklemme 4, an der ebenfalls ein Ein­ gangssignal der in ihrem Amplitudenverhältnis zu bestimmenden Signale anliegt. Diese Anordnung zur Differenzierung bewirkt eine Phasenverschiebung des Eingangssignals von der Eingangs­ klemme 4 von ca. +90°. Damit ist an der Klemme 6 das Kontroll­ signal 7, das dem Kurvenzug 7 in Fig. 3 entspricht, und an der Klemme 8 das Kontrollsignal 9, das dem Kurvenzug 9 in Fig. 3 entspricht, abnehmbar. Die Ausgangssignale von Präzisionsgleichrichter und Differenzierer werden den Eingängen eines als analogen Komparator ausgebildeten Vergleichers 2, zugeführt, an dessen Ausgang 5 das Ausgangssignal 10 abnehmbar ist.

Fig. 7 stellt eine mögliche Ausgestaltung des Phasenschiebers 12 dar. Die Widerstände 29, 30, und 31, der Kondensator 32 sowie der Operationsverstärker 33 bilden einen elektronischen Phasenschieber 12. Der Eingangsanschluß 4 der Schaltungsanordnung in Fig. 7 ist mit dem Eingangsanschluß 4 und der Ausgangsanschluß 8 in Fig. 7 ist mit dem Anschluß 8 der Schaltungsanordnung in Fig. 2 identisch. Die Schaltungsanordnungen in den Fig. 7a und 7b die sich nur durch das Vertauschen des Widerstands 31 mit dem Kondensator 32 unterscheiden, stellen eine sehr einfache Möglichkeit der Phasenverschiebung mit Hilfe von RC-Gliedern dar. Dieses Beispiel zeigt, daß der Phasenschieber in der Schal­ tungsanordnung 55 durch alle bekannten Arten von Phasenschiebern gebildet werden kann. Dazu zählt auch die Möglichkeit, die RC- Kombination durch eine LC-Kombination zu ersetzen. Es ist eben­ falls möglich, die Phasenverschiebung durch eine Verzögerung des Eingangssignals an der Eingangsklemme 4 durch ein Laufzeitglied, zum Beispiel in Form einer Verzögerungsleitung, zu erzwingen.

Fig. 8 stellt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung 55 mit einer Rechenschaltung 34 dar, die mit dem Si­ gnalformer 1 und dem Vergleicher 2 in Reihe geschaltet ist. Dabei wird aus den Signalen des Signalformers 1 ein drittes Si­ gnal am Ausgang der Rechenschaltung 34 gebildet und mit einem der beiden Ausgangssignale des Signalformers 1, vorzugsweise dem gleichgerichteten Signal, mit Hilfe eines Vergleichers 2 vergli­ chen. Bei der Rechenschaltung 34 kann es sich zum Beispiel um einen Addierer oder eine Subtrahierschaltung handeln.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 55. Das Eingangssignal an der Eingangsklemme 3 wird sofort dem in­ vertierendem Eingang eines analogen Komparators 35 zugeführt und zum zweiten einem invertierenden Verstärker 36 mit der Verstär­ kung von -1. Der Ausgang der invertierenden Verstärkerschal­ tung 36 wird dem invertierenden Eingang eines zweiten analogen Komparators 37 zugeführt. Die Eingangsklemme 4 ist mit dem Ein­ gang des Phasenschiebers 12 zur Phasenverschiebung des Signals um eine viertel Periodendauer beschaltet. Der Ausgang des Pha­ senschiebers 12 ist mit den nichtinvertierenden Eingängen der beiden analogen Komparatoren 35 und 37 verbunden. Der Ausgang des analogen Komparators 35 ist mit dem ersten Eingang eines Ex­ klusiv-Oder-Gatters 38, der Ausgang des analogen Komparators 37 ist mit dem anderen Eingang des Exklusiv-Oder-Gatters 38 verbun­ den und der Ausgang des Exklusiv-Oder-Gatters 38 ist mit dem Ausgang 5 der Schaltungsanordnung 55 in Fig. 1 identisch. An der Klemme 39 läßt sich ein Kontrollsignal 40, an der Klemme 41 läßt sich ein Kontrollsignal 42, an der Klemme 43 läßt sich ein Kontrollsignal 44, an der Klemme 45 läßt sich ein Kontrollsi­ gnal 46 und an der Klemme 47 läßt sich ein Kontrollsignal 48 abnehmen. Die Kontrollsignale 40, 42, 44, 46 und 48 entsprechen auch den Kurvenzügen 40, 42, 44, 46 und 48 in den Fig. 10a, 10b und 10c.

Ähnlich den Fig. 3a-3c stellen die Fig. 10a-10c die Signalverhältnisse in der Schaltungsanordnung nach Fig. 9 zu den entsprechenden Zeitpunkten und bei unterschiedlichen Amplituden­ verhältnissen an den Eingangsklemmen 3 und 4 dar. Die Fig. 10a zeigt, daß das Signal an der Eingangsklemme 4 mit seiner Amplitude nur 1/3 so groß wie die Amplitude des Signals an der Eingangsklemme 3 ist. In der Fig. 10b sind die Amplitu­ den der Eingangssignale an den Eingangsklemmen 3 und 4 gleich groß und in der Fig. 10c ist die Amplitude des Signals an der Eingangsklemme 3 nur 1/3 so groß wie die Amplitude des Signals an der Eingangsklemme 4. Man erkennt in den Fig. 10 eindeutig die Abhängigkeit der Impulslänge des Ausgangssignals 10 vom Am­ plitudenverhältnis der beiden Signale an den Eingangsklemmen 3 und 4. Gegenüber den anderen Schaltungsanordnungen hat sich die Anzahl der zu verwertenden Zeitintervalle pro Periodendauer der Trägerfrequenz verdoppelt.

Es gibt die Möglichkeit, die beiden Eingänge der analogen Kom­ paratoren 35 und 37 entweder an einem oder gleichzeitig an bei­ den Komparatoren zu vertauschen. Dies führt zu einer Invertie­ rung der Ausgangssignale des Exklusiv-Oder-Gatters 38 und stellt damit die Funktion eines digitalen Komparators dar.

Fig. 11 zeigt eine mögliche Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 55 für einen induktiven Wegaufnehmer. Der Generator 49 erzeugt periodische Schwingungen, für Träger­ frequenzverfahren insbesondere Sinusschwingungen, und steuert mit seinem Ausgang den Eingang eines nichtinvertierenden Ver­ stärkers 50 und den Eingang eines invertierenden Verstärkers 51 an. Der Ausgang des nichtinvertierenden Verstärkers 50 ist mit einem Eingang eines induktiven Wegaufnehmers 52 und der Ausgang des invertierenden Verstärkers 51 ist mit dem anderen Eingang des induktiven Wegaufnehmers 52 verbunden. Die Eingangsanschlüs­ se einer Rechenschaltung 53 sind mit dem Ausgang des nichtinver­ tierenden Verstärkers 50 sowie mit der Mittelanzapfung des in­ duktiven Wegaufnehmers 52 verbunden und die Eingangsanschlüsse einer Rechenschaltung 54 sind mit dem Ausgang des invertierenden Verstärkers 51 und mit der Mittelanzapfung des induktiven Weg­ aufnehmers 51 verbunden. Die Ausgänge der Rechenschal­ tungen 53, 54 sind mit den Eingängen 3 und 4 der Schaltungsan­ ordnung 55 beschaltet. Der Ausgang 5 der Schaltungsanordnung 55 ist an den Zähleingang eines Impulslängenzählers 56 geschaltet. Das Zählergebnis des Impulslängenzählers stellt das Ergebnis der gesamten Meßanordnung in Fig. 11 dar.

Aus der sinusförmigen Arbeitsfrequenz des Generators 49 gene­ riert der nichtinvertierende Verstärker 50 und der invertierende Verstärker 51 zwei gegenphasige Spannungen, die den Eingangsan­ schlüssen eines induktiven Wegaufnehmers 52 zugeführt werden. Die am Mittelabgriff des induktiven Wegaufnehmers 52 abnehmbare und von der Meßgröße X, z. B. Wegänderung, abhängige Meßspannung wird mit Hilfe einer Rechenschaltung 53 mit der Ausgangsspannung des nichtinvertierenden Verstärkers 50 addiert und wird von ei­ ner zweiten Rechenschaltung 54 mit der Ausgangsspannung des in­ vertierenden Verstärkers 51 ebenfalls addiert. Die beiden Aus­ gangsspannungen der Rechenschaltungen 53, 54 bilden die der Schaltungsanordnung 55 zuzuführenden Signale. Die Schaltungsan­ ordnung 55 bildet einen Impuls mit einer vom Amplitudenverhält­ nis der Ausgangssignale der beiden Rechenschaltungen 53 und 54 abhängigen Impulslänge. Diese Impulslänge wird von dem Impuls­ längenzähler 56 in seiner Länge ausgezählt.

Fig. 12 zeigt eine mögliche Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 55 für einen optischen Triangulationssen­ sor. Die Treiberstufe 57 erzeugt den notwendigen Steuerstrom durch die Lichtemitterdiode 58. Das reflektierte Licht aus dem opti­ schen System 59 fällt auf die positionsempfindliche Fotodio­ de 60. Die positionsempfindliche Fotodiode 60 wird von einer Referenzspannungsquelle 61 versorgt. Die Ausgänge der positions­ empfindlichen Fotodiode sind mit den Eingängen der Strom/Span­ nungswandler 62 und 63 verbunden. Die Ausgänge der Strom/Span­ nungswandler 62, 63 steuern die Eingänge der Bandpaßfilter 64 und 65, wobei die Ausgänge der Bandpaßfilter 64 und 65 die Si­ gnale für die Schaltungsanordnung 55 bereitstellen. Am Aus­ gang 5 der Schaltungsanordnung 55 steht das zeitvariable Aus­ gangssignal 10 zur Verfügung.

Die Treiberstufe 57 regelt den Strom durch die Lichtemitterdio­ de 58 so aus, daß das von der Lichtemitterdiode 58 ausgesandte Licht mit einer Trägerfrequenz intensitätsmoduliert ist. Dieses Licht fällt in das optische System 59 und wird entsprechend dem Abstand eines Körpers auf die positionsempfindliche Fotodiode reflektiert. Die positionsempfindliche Fotodiode 60 generiert auf Grund des fotoelektrischen Effekts die Ströme durch die ein­ zelnen Anschlüsse der Fotodiode 60. Die Referenzspannungsquel­ le 61 dient zur Vorspannungserzeugung für die Fotodiode 60. Aus den von der positionsempfindlichen Fotodiode generierten Strömen wandeln die Strom/Spannungswandler 62 und 63 proportionale Span­ nungen. Zur Unterdrückung von Störeinflüssen kann durch die Bandpaßfilter 64 und 65 die interessierende Trägerfrequenz von Störfrequenzen ausgefiltert und durch die Schaltungsanordnung 55 verarbeitet werden. Am Ausgang 5 der Schaltungsanordnung 55 steht das zeitvariable Ausgangssignal 10 zur Verfügung.

Bezugszeichenliste

 1 Signalformer
 2 Vergleicher
 3 Eingangsanschluß
 4 Eingangsanschluß
 5 Ausgangsanschluß
 6 Anschluß
 7 Kontrollsignal
 8 Anschluß
 9 Kontrollsignal
10 Ausgangssignal
11 Präzisionsgleichrichter
12 Phasenschieber
13 Präzisionsgleichrichter
14 Widerstand
15 Widerstand
16 Widerstand
17 Widerstand
18 Widerstand
19 Diode
20 Diode
21 Operationsverstärker
22 Operationsverstärker
23 Widerstand
24 Widerstand
25 Kondensator
26 Operationsverstärker
27 Kondensator
28 Widerstand
29 Widerstand
30 Widerstand
31 Widerstand
32 Kondensator
33 Operationsverstärker
34 Rechenschaltung
35 analoger Komparator
36 invertierender Verstärker
37 analoger Komparator
38 Exklusiv-Oder-Gatter
39 Klemme
40 Kontrollsignal
41 Klemme
42 Kontrollsignal
43 Klemme
44 Kontrollsignal
45 Klemme
46 Kontrollsignal
47 Klemme
48 Kontrollsignal
49 Generator
50 nichtinvertierender Verstärker
51 invertierender Verstärker
52 induktiver Wegaufnehmer
53 Rechenschaltung
54 Rechenschaltung
55 Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch
56 Impulslängenzähler
57 Treiberstufe
58 Lichtemitterdiode
59 optisches System
60 positionsempfindliche Fotodiode
61 Refrenzspannungsquelle
62 Strom/Spannungswandler
63 Strom/Spannungswandler
64 Bandpaß
65 Bandpaß

Claims (21)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines zeitvariablen Aus­ gangssignals mit einer vom Amplitudenverhältnis zweier pe­ riodischer Signale abhängigen Zeitdauer mit einem Signalformer (1) zur Änderung der Form mindestens eines der beiden periodi­ schen Signale und einem Vergleicher (2) zur Ausgabe des zeitvariablen Ausgangssignals, gekennzeichnet dadurch, daß der Vergleicher die Momentanwerte beider Signale auswertet und mindestens ein zeitvariables Ausgangssignal pro Periode der Eingangssignale bei definierten Momentanwerten der Signale des Signalformers erzeugt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Signalformer (1) aus einem Phasenschieber (12) zur Phasenverschiebung eines Signals um 90 Grad sowie einem Gleichrichter (II) für das andere Signal und der Vergleicher (2) aus einem analogen Komparator zum Vergleich des Momentan­ wertes des phasenverschobenen Signals mit dem Momentanwert des gleichgerichteten Signals und zur Erzeugung mindestens eines zeitvariablen Ausgangssignals pro Periode der Eingangssignale besteht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Signalformer (1) aus einem Phasenschieber (12) zur Phasenverschiebung eines Signals um 90 Grad, aus einem Gleichrichter (13) für das phasenverschobene Signal sowie aus einem Gleichrichter (11) für das andere Signal und der Vergleicher (2) aus einem analogen Komparator zum Vergleich des Momentanwertes des phasenverschobenen und gleichgerichte­ ten Signals mit dem Momentanwert des gleichgerichteten Signals und zur Erzeugung mindestens eines zeitvariablen Ausgangs­ signals pro Periode der Eingangssignale besteht.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Signalformer (1) außerdem eine Rechenschaltung (34) zur Erzeugung eines dritten Signals enthält und der Ver­ gleicher (2) aus einem analogen Komparator zum Vergleich des dritten Signals mit einem der beiden Eingangssignale und zur Erzeugung mindestens eines zeitvariablen Ausgangssignals pro Periode der Eingangssignale besteht.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Signalformer (1) aus einem invertierenden Verstärker (36) für das erste Signal sowie einem Phasenschieber (12) zur Phasenverschiebung des zweiten Signales um 90 Grad besteht und der Vergleicher (2) aus einem ersten analogen Komparator (35) zum Vergleich des Momentanwertes des invertierten ersten Signals mit dem Momentanwert des phasenverschobenen zweiten Signals, einem zweiten analogen Komparator (37) zum Vergleich des Momentanwertes des ersten Signals mit dem Momentanwert des phasenverschobenen zweiten Signals sowie einem digitalen Kom­ parator (38) zur Erzeugung eines zeitvariablen Ausgangssignals in der Zeit, in der eines der Ausgangssignale der beiden ana­ logen Komparatoren (35, 37) logisch Null und das andere Aus­ gangssignal logisch Eins ist, besteht.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß die invertierenden und nichtinvertierenden Eingangs­ anschlüsse der beiden analogen Komparatoren (35, 37) am jeweiligen Komparator vertauscht sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Signalformer (1) aus einem Gleichrichter (11) für ein Eingangssignal besteht.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Signalformer (1) aus je einem Gleichrichter (11, 13) für beide Eingangsignale besteht.

9. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2, 3 oder 5, gekenn­ zeichnet dadurch, daß der Phasenschieber (12) integrierende Eigenschaften besitzt.

10. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2, 3 oder 5, gekenn­ zeichnet dadurch, daß der Phasenschieber (12) differenzierende Eigenschaften besitzt.

11. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2, 3 oder 5, gekenn­ zeichnet dadurch, daß der Phasenschieber (12) aus einer RC- Kombination besteht.

12. Schaltungsanordnung nach der Ansprüchen 2, 3 oder 5, gekenn­ zeichnet dadurch, daß der Phasenschieber (12) aus einer LC- Kombination besteht.

13. Schaltungsanordnung nach der Ansprüchen 2, 3 oder 5, gekenn­ zeichnet dadurch, daß der. Phasenschieber (12) aus einem Laufzeitglied besteht.

14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ge­ kennzeichnet dadurch, daß der Vergleicher (2) ein zeitvaria­ bles Ausgangssignal in der Zeit erzeugt, in der der Momentan­ wert des phasenverschobenen Signals größer oder gleich dem Momentanwert des gleichgerichteten Signals ist.

15. Schaltungsanordnung nach einem derßAnsprüche 1 bis 13, ge­ kennzeichnet dadurch, daß der Vergleicher (2) ein zeitva­ riables Ausgangssignal in der Zeit erzeugt, in der der Mo­ mentanwert des phasenverschobenen Signals kleiner oder gleich dem Momentanwert des gleichgerichteten Signals ist.

16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ge­ kennzeichnet dadurch, daß das Ausgangssignal des Vergleichers (2) eine Impulsfolge mit variabler Impulsbreite der Einzel­ impulse ist.

17. Schaltungsanordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß das Ausgangs­ signal des Vergleichers (2) eine Impulsfolge mit variabler Zeitspanne zwischen den Impulsen ist.

13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ge­ kennzeichnet dadurch, daß das Ausgangssignal des Vergleichers (2) eine Impulsfolge mit variabler Impulsbreite der Einzel­ impulse und variabler Zeitspanne zwischen den Impulsen ist.

13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ge­ kennzeichnet dadurch, daß das Ausgangssignal des Vergleichers (2) ein zeitlicher Abstand zwischen den steigenden oder fallenden Flanken von Impulsen ist.

20. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ge­ kennzeichnet dadurch, daß die periodischen Signale von einem Triangulations-Sensor erzeugt werden.

21. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ge­ kennzeichnet dadurch, daß die periodischen Signale von einem induktiven Wegaufnehmer erzeugt werden.