DE1132365B

DE1132365B - Analog-Digitalwandler zur Umwandlung eines Drehwinkelwertes in einen binaeren Zahlenwert mittels Rotationsschalter

Info

Publication number: DE1132365B
Application number: DET15121A
Authority: DE
Inventors: Zdenek Fixa
Original assignee: Tesla AS
Current assignee: Tesla AS
Priority date: 1958-05-06
Filing date: 1958-05-06
Publication date: 1962-06-28

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

T15121 IXc/42m

ANMELDETAG: 6. MAI 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 28. JUNI 1962

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digitalwandler zur Umwandlung eines Drehwinkelwertes in einen binären Zahlenwert mittels Rotationsschalter.

Ziffernrechenmaschinen finden wegen ihrer hohen Genauigkeit und Anpassungsfähigkeit bei der Lösung verschiedener Aufgaben in der modernen Wissenschaft und Technik eine stets wachsende Anwendungsmöglichkeit. Bei· der automatischen Steuerung von Produktions-, Meß- und anderen Prozessen stößt jedoch die volle Ausnutzung solcher Rechenmaschinen auf Schwierigkeiten, weil die Umwandlung von analogen, stetig veränderlichen Größen in entsprechende Zahlenwerte nicht mit genügender Genauigkeit erfolgt.

Bisher bekannte Verfahren erfordern genau geteilte lineare oder kreisförmige Skalen, was auch bei Anwendung der genauesten Produktionsverfahren die Endgenauigkeit der Umwandlung auf etwa 0,03% (fünfzehn Dualziffern) beschränkt. Dabei ist die Herstellung einer mit einer solchen Genauigkeit arbeitenden Vorrichtung sehr kostspielig, und die Vorrichtung selbst ist sehr groß, die minimale Länge ihrer Skala beträgt 1000 mm.

Bekannte Wandler benutzen zum Verhindern der Vieldeutigkeit bei dem Übergang hauptsächlich zwei Methoden:

a) Ausgang aus dem Wandler im symmetrischen Kode (Gray-code, Cyclic code),

b) der Wandler hat zwei bis vier mit Elektronenröhren oder Relais umschaltbare Bürsten je nach Größenordnung.

Die Lösung nach a) ist unvorteilhaft, denn es ist notwendig, einen Zusatzdekoder zum stehenden Konverter zwecks Umsetzung einer Zahl in einen normalen binären Kode anzuschließen. Die Lösung b) erfordert weitere Elektronenröhren, Transistoren oder Relais für den Dekoder, und zwar so viele, wie der Konverter binäre Stellen besitzen soll oder wie bei einem bekannten Wandler eine doppelte Anzahl von Dioden.

Es wurden bereits Versuche gemacht, um die Zweideutigkeiten in den bekannten Wandlern zu beseitigen. Zu diesem Zweck wurden Wandler mit fotoelektrischer Ablesung verwendet.

Einen Ausgang mit dem direkten binären Kode weist ein bekannter Wandler auf, bei welchem zur Beseitigung der Fehler beim Übergang Zusatzelemente benutzt werden. Weitere bekannte Wandler haben ein Relais je Größenordnung oder ein Relais, einen Transistor und eine Diode je Größenordnung oder vier Bürsten und zwei in den Wandler eingebaute Dioden je Größenordnung.

Analog-Digitalwandler zur Umwandlung eines Drehwinkelwertes in einen binären Zahlenwert mittels Rotationsschalter

Anmelder: TESLA, närodni podnik, Prag

Vertreter: Dipl.-Ing. A. Spreer, Patentanwalt, Göttingen, Groner Str. 37

Zdenek Fixa,

Vsenory, Dobrichovice (Tschechoslowakei), ist als Erfinder genannt worden

Keiner der bekannten Wandler hat einen direkten Ausgang ohne Zusatzelemente,wie Relais, Elektronenröhren oder Dioden usw. Die Zahl dieser Elemente ist

as relativ hoch, ein bis zwei Elemente pro Größenordnung.

Das Wesen der Erfindung, welche sich auf einen Analog-Digitalwandler zur Umwandlung der Werte eines Drehwinkels in einen im dualen System ausgedrückten Zahlenwert mittels Rotationsschalter bezieht, besteht darin, daß die Größe des abzutastenden Eingangswinkels direkt bzw. über Umsetzungsgetriebe die Winkellage der Bürste des ersten Rotationsschalters beeinflußt, wobei eine Reihe von Rotationsschaltern folgt, von denen jeder zwei Bürsten besitzt, die mit einer geraden Anzahl von gegeneinander isolierten leitenden Segmenten zusammenarbeiten und hintereinander derart angeordnet sind, daß die Anzahl der umgeschalteten Segmente jedes einzelnen Schalters in einer Zeiteinheit doppelt so groß ist wie die Anzahl der umgeschalteten Segmente des unmittelbar nachfolgenden Schalters, wobei an zwei Segmente eines jeden Schalters eine positive bzw. negative Spannung angeschlossen ist und an zwei weitere, mit diesen Segmenten benachbarte Segmente der Ausgang und inverse Ausgang des unmittelbar vorangehenden Schalters angeschlossen ist und die Bürsten eines jeden Schalters, die gegeneinander um zwei Segmente verstellt sind, den Ausgang bzw. den inversen Ausgang aus diesem Schalter in Richtung zum unmittelbar darauffolgenden Schalter vermitteln.

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Jeder dieser Rotationsschalter entspricht einer Dualziffer der gewünschten Ausgangszahl. Durch Anwendung von zwanzig Rotationsschaltern dieser Art kann also eine zwanzigstellige duale Zahl erreicht werden, was einer Genauigkeit, die höher als ΙΟ"⁶ (0,001 %o) ist, für den gesamten Meßbereich entspricht. Die Zahl der erreichten Ziffern kann jedoch für andere Gesamtdrehungszahlen der Konvektorwelle beliebig gesteigert werden.

Segment usw. Eines der Segmente ist mit dem Ausgang des Schalters der Größenordnung n, — 1 verbunden. An das unmittelbar in der durch den Pfeil bezeichneten positiven Richtung nachfolgende Segment ist eine negative Spannung angeschlossen. An das unmittelbar vorangehende Segment ist eine positive Spannung angeschlossen, und an das diesem Segment vorangehende Segment ist der inverse Ausgang aus dem Schalter der Größenordnung η — 1

Berm Übergang von einem niedrigeren auf einen 10 angeschlossen. An die Bürsten, deren mittlerer

höheren Zahlenwert wurde bei der Ausbildung des erfindungsgemäßen Wandlers von den folgenden Eigenschaften der dualen Zahlen Gebrauch gemacht:

1. Ändert sich in der Größenordnung (n — 1) der ¹S Wert von 0 auf 1, dann ändert sich der Wert in der Größenordnung η nicht.

a) Bei jeder ungeradzahligen Änderung bleibt der Wert in der Größenordnung« gleich 0.

b) Bei jeder geradzahligen Änderung bleibt der Wert in der Größenordnung « gleich 1.

2. Ändert sich in der Größenordnung (« — 1) der Wert von 1 auf 0, ändert sich der Wert gleichzeitig in der Größenordnung«.

a) Bei jeder ungeradzahligen Änderung ist der Zustand der Größenordnung η in inverser Beziehung zum Zustand in der Größenordnung (« - 1).

b) Bei jeder geradzahligen Änderung ist der Zustand der Größenordnung η identisch mit dem Zustand in der Größenordnung (n — 1).

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Die Erfindung soll nun an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erklärt werden.

Fig. 1 zeigt einen Rotationsschalter der Größenordnung « gemäß der Erfindung mit vier Segmenten;

Fig. 2 zeigt ebenfalls einen Rotationsschalter der Größenordnung «, jedoch mit sechzehn Segmenten;

Fig. 3 zeigt beispielsweise eine erfindungsgemäße Schaltung mit mehreren Rotationsschaltern.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, wird der Ausgang des Rotationsschalters der Größenordnung « — 1 einem der Segmente des Rotationsschalters der Größenordnung « und der inverse Ausgang aus dem Schalter der Größenordnung « — 1 dem gegenüberliegenden Segment des Schalters der Größenordnung « zugeführt. Mit den übrigen zwei Segmenten ist eine positive bzw. negative Spannung verbunden. Der Ausgang aus dem Schalter der Größenordnung «, welcher dem Schalter der unmittelbar höheren Größenordnung « + 1 zugeführt wird, ist an eine Bürste angeschlossen, während an die zweite Bürste dieses Schalters der inverse Ausgang der Größenordnung « angeschlossen ist. Die positive Drehrichtung ist durch den Pfeil bezeichnet.

Fig. 2 zeigt, daß die Anzahl der Segmente des Rotationsschalters ein Vielfaches von Vier sein kann. Der dargestellte Schalter der Größenordnung « besitzt sechzehn Segmente. Die einzehien Segmente des Schalters sind stets über vier Segmente durchgeschaltet, d. h. das erste, fünfte, neunte und dreizehnte Segment; das zweite, sechste, zehnte und vierzehnte Winkel dem doppelten Abstand der Segmente gleicht, ist der Ausgang bzw. der inverse Ausgang aus dem Schalter der Größenordnung « in Richtung zum Schalter der Größenordnung η + 1 angeschlossen.

Die gegenseitige mechanische Verbindung der einzelnen Schalter ist derart ausgeführt, daß die Anzahl der umgeschalteten Segmente des Schalters der Größenordnung « zweimal größer ist als bei dem Schalter « + 1. Dies kann entweder durch Verwendung von Schaltern mit gleicher Anzahl von Segmenten und einer Geschwindigkeitsübersetzung von 1 : 2 zwischen benachbarten Schaltern oder durch unmittelbare mechanische Verbindung zwischen benachbarten Schaltern, bei denen die Anzahl der Segmente im Verhältnis von 2 : 1 steht, erzielt werden. Außerdem können diese zwei Lösungen auf verschiedene Weise untereinander kombiniert werden.

Eine Reihe von derart mechanisch und elektrisch verbundenen Schaltern ermöglicht die Umwandlung eines durch Drehung einer Welle gegebenen Wertes in eine duale Zahl, wobei diese Reihe durch einen ersten Schalter und ein Widerstandsnetz gemäß Fig. 3 derart ergänzt wird, daß die Änderung des Zustandes des direkten und inversen Ausganges aus dem Schalter der nullten Größenordnung genau gleichzeitig erfolgt.

Der in Fig. 3 dargestellte Wandler arbeitet wie folgt:

Die Schalter F₀, V\, V₂ usw. sind durch Übersetzungen, die kein Schlüpfen zulassen, derart mechanisch miteinander verbunden, daß zwei Umdrehungen des Schalters F₃, vier Umdrehungen des Schalters F₂, acht Umdrehungen des Schalters F₁ usw. auf eine Umdrehung des Schalters F₄ entfallen.

Der Schalter F₀ bildet einen einfachen Kontakt, welcher zwischen den Punkten χ und y der zwischen den Schaltern Vq und Fj angeordneten Widerstandsbrücke geschaltet ist. Diese Brücke wird mit einer Gleichspannung, gegebenenfalls auch mit einer Wechselspannung ES, die erdsymmetrisch ist, gespeist. Die Widerständet, B der Brücke werden derart gewählt, daß zwischen den Punkten u und ν der Brücke bei geöffnetem Schalter Vq eine Spannung der Größe e liegt, deren Polarität oder Phase mit Bezug auf die Polarität oder Phase der Spannung E umgekehrt ist.

Dieser Zustand drückt aus, daß sich in der nullten Größenordnung der Zahl die Ziffer 0 befindet. Beim geschlossenen Schalter F₀, also bei einem Kurzschluß zwischen den Punkten χ und y, befindet sich zwischen den Ausgangspunkten u und ν eine Spannung von gleicher Größe e, aber mit derselben Polarität (Phase) wie die Spannung E. Diese Eigenschaft der Brücke kann erzielt werden, wenn die Wertet, B und C die folgende Gleichung erfüllen:

2 B² - C2 + 2 AB + AC + BC = 0.

(Zum Beispiel A = 20 kß; B = 50kß; C = 126kß.) Der Wert der Ausgangsspannung ist dann

„ c C-A-B

C + A + B

(im Beispiel e = 0,286 £). Den Punkten, die in Fig. 1 und 2 mit + und — bezeichnet sind, muß eine Spannung mit diesem Wert zugeführt werden. Um keine besondere Spannungsquelle vorsehen zu müssen, werden an die sechs Widerstände, aus denen die Brücke besteht, drei weitere Widerstände angeschlossen, die einen Widerstandsspannungsteiler D, F, D bilden. Dadurch wird diese Spannung e aus der Speisespannung E abgeleitet.

Dieser Spannungsteiler wird derart berechnet, daß die folgende Beziehung gilt

.F _ C-A-B

2D +F C+A+B

einen Teil eines Wandlers, die eine Winkellage der Welle durch eine siebenstellige binäre Zahl mit einer Genauigkeit von etwa 2,8° gibt.

Durch Verbindung einer weiteren, ähnlich ange-5 ordneten Gruppe, deren Bürsten jedoch von den Wellenumdrehungen in einem Übersetzungsverhältnis 1 : 64 abhängig sind, kann eine genaue Angabe über Umdrehungszahlen 0 bis 63 erreicht werden. Der Rotationsschalter V₀ wird nicht benutzt.

ίο Die Bürsten des Rotationsschalters V₆ der ersten Gruppe werden mit den Segmenten des Rotationsschalters V\ der zweiten Gruppe anstatt mit den Ausgangspunkten u, ν der Brücke, welche bei der zweiten Gruppe wegfällt, verbunden.

Die Gruppen des zweiten Types können beliebig zugefügt werden, und dadurch wird auch der Bereich des Wandlers auf höhere Umdrehungszahlen erweitert.

(im betrachteten Beispiel wählt man z. B. F = 64 kü, D = 80 kfl).

Die binäre Ausgangszahl kann dann abgegriffen werden, entweder von den Ausgängen 0, 1, 2 usw., wo ein negativer Spannungswert die Ziffer 0 in der betreffenden Größenordnung und ein positiver Spannungswert die Ziffer 1 ausdrückt, oder von den Ausgängen 0, 1, 2 usw. in inverser Form.

Eine Änderung der Eingangsgröße, d. h. eine Winkeländerung einer Welle, eines Hebelmechanismus usw., beeinflußt direkt oder über Getriebe die Winkeländerung der Bürste des ersten Rotationsschalters V₀. Zweck dieses Rotationsschalters V₀ ist es, die Wechselschaltung seiner Bürste mit dem Segment 0 oder mit dem Segment 1 zu sichern. Dabei kann jedes dieser Segmente entweder 180° oder einen beliebigen ganzen Teil von 180° auf dem Schalter einnehmen. Die Unterteilung der einzelnen Rotationsschalter ist von der mechanischen Konstruktion abhängig und wird gewöhnlich als ganze Potenz von 2 gewählt, 2¹, 2², 2³ usw. Man kann für die nullte Größenordnung 2⁶ = 64 wählen. Dadurch entsteht ein Wandler, welcher die Lage der Eingangswelle in eine Zahl mit einer Genauigkeit von 1 : 128 der Umdrehung überführt. Es ist also möglich, einen überführenden Winkel in Zahlform von einer Genauigkeit 2,8° abzutasten. Eine feinere Unterteilung könnte durch eine besondere Konstruktion, z. B. durch Vergrößerung des Durchmessers des Rotationsschalters, oder Verkleinerung der Bürstenabmessungen od. dgl. erreicht werden.

Wenn für die nullte Größenordnung ein Rotationsschalter mit hundertachtundzwanzig Kontakten verwendet wird, so muß auch der Rotationsschalter der ersten Ordnung im Falle der direkten Verbindung mit dem Rotationsschalter hundertachtundzwanzig Kontakte besitzen. Diese Kontakte sind ähnlich wie in der Fig. 2, wo zur Vereinfachung nur sechzehn Kontakte eingezeichnet sind, durchgeschaltet. Der weitere Rotationsschalter V₂ ist in derselben Weise durchgeschaltet, jedoch wird die Zahl der Umschaltkontakte auf vierundsechzig herabgesetzt. F₃ ist mit zweiunddreißig Kontakten, F₄ mit sechzehn Kontakten usw. bis V₆ mit vier Kontakten versehen. Aus den Rotationsschaltern F₀ bis F₆ wird eine mechanische Einheit, z. B. durch gedruckte Schaltungen gebildet, deren Bürsten direkt in Abhängigkeit von dem Eingangswinkel kontrolliert werden. Diese Anordnung der Rotationsschalter V₀ bis F₆ bildet

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Analog-Digitalwandler zur Umwandlung eines Drehwinkelwertes in einen binären Zahlenwert mittels Rotationsschalter, dadurch gekenn zeichnet, daß die Größe des abzutastenden Eingangswinkels direkt bzw. über Umsetzungsgetriebe die Winkellage der Bürste des ersten Rotationsschalters beeinflußt, dem eine Reihe von Rotationsschaltern folgt, von denen jeder zwei Bürsten besitzt, die mit einer geraden Anzahl von gegeneinander isolierten, leitenden Segmenten zusammenarbeiten und hintereinander derart angeordnet sind, daß die Anzahl der umgeschalteten Segmente jedes einzelnen Schalters in einer Zeiteinheit doppelt so groß ist wie die Anzahl der umgeschalteten Segmente des unmittelbar nachfolgenden Schalters, daß an zwei Segmente eines jeden Schalters eine positive bzw. negative Spannung angeschlossen ist und an zwei weitere, mit diesen Segmenten benachbarte Segmente der Ausgang und inverse Ausgang des unmittelbar vorangehenden Schalters angeschlossen ist und die Bürsten eines jeden Schalters, die gegeneinander um zwei Segmente verstellt sind, den Ausgang bzw. den inversen Ausgang aus diesem Schalter in Richtung zum unmittelbar darauffolgenden Schalter vermitteln.

2. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsschalter mit der gleichen Anzahl von Segmenten durch eine mechanische Übersetzung derart hintereinandergeschaltet sind, daß die Drehgeschwindigkeit der Arme eines jeden Schalters gleich der halben Drehgeschwindigkeit der Arme des unmittelbar vorangehenden Schalters ist.

3. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Arme aller Rotationsschalter mit der gleichen Geschwindigkeit drehen und daß jeder Schalter die doppelte Anzahl von Segmenten des unmittelbar nachfolgenden Schalters aufweist.

4. Analog-Digitalwandler na-.'h Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, da£ Jar Rotationsschalter der niedrigsten Größenordnung, welcher lediglich einen Arm aufweist, mit dem Rotationsschalter der nächst höheren Größenordnung über ein Widerstandsnetz verbunden ist, welches als nicht abgeglichene Brücke ausgebildet ist,

und der erste Rotationsschalter zwischen zwei symmetrische Punkte geschaltet ist, die zwei gegenüberliegende Zweige der Brücke in zwei ungleiche Teile teilen.

5. Analog-Digitalwandler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß je einer von zwei gegenüberliegenden Scheitern der Brücke an je eines von zwei gegenüberliegenden Segmenten des unmittelbar folgenden Rotationsschalters angeschlossen ist, an die beiden anderen

Scheitel der Brücke ein Spannungsteiler geschaltet ist, von welchem die den beiden anderen Segmenten des Schalters zugeführte Spannung abgeleitet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»The Institution of Electrical Engineers«, Vol. 103,

Part B, S. 42 bis 51, H. 7, Januar 1956;
»Instruments and Automation«, Vol. 29, H. 6,

Juni 1956, S. 1109 bis 1117.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

I 209 617/210 6.62