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Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur
Positionsmessung. Insbesondere betrifft die Erfindung
Schnittstellenschaltkreise, die mit elektromagnetischen
Positionswandlern verwendet werden.
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Positionswandler, die hier von Interesse sind, weisen
einen Drehmelder und Schieber- und Skalensysteme auf,
die Wechselspannungs- und Ausgangssignale in Antwort
auf Wechselspannungs-Erregungssignale erzeugen, wobei
eine Phasenverschiebung zwischen den Erregungssignalen
und den Ausgangssignalen durch die Relativposition
eines Wandlerankers und -stators eingeführt ist. Die
Position des Ankers relativ zu dein Stator wird durch
Erkennen dieser Phasendifferenz gemessen. Zwei
alternative Verfahren sind zum Erkennen der Phasendifferenz
bekannt: Eine Phasendiskriminationstechnik, bei der die
Erregungssignale auf Paare von Wicklungen, die in einem
Quadrat angeordnet sind, aufgebracht werden, und die
durch die Position induzierte Phasenverschiebung durch
einen Phasenvergleich des Ausgangssignals mit einem
Bezug erkannt wird, von dein die Erregungssignale
hergeleitet sind; und eine Amplitudentechnik, bei der die
Ausgangssignale durch die in einem Quadrat
angeordneten Wicklungen erzeugt werden und die von der Position
induzierte Phasenverschiebung aus dem Verhältnis der
jeweiligen Größen der Ausgangssignale hergeleitet wird.
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Es ist aus der US-A-4 270 077 bekannt, eine
Erregungsspannung auf einen Drehmelder aufzubringen, das ein
Signal mit einem Gleichspannungspegel von null Volt,
das symmetrisch und negativ bezüglich des
Nullspannungspegels variiert, aufweist, durch Verwendung eines
Erregungsverstärkers, der den Gleichspannungspegel der
Spannung auf das Massenpotential verschiebt.
Insbesondere wird eine rechteckige Wellenform auf eine
Spannungstreiberschaltung aufgebracht, deren Ausgang als
ein Eingang für einen Integrator vom
Operationsverstärker-Typ verwendet wird, der dazu dient, jedwede
Gleichspannungskomponente aus der Ausgangswellenform
unter Verursachung einer Ausgangswellenform zur
symmetrischen Variation um das Nullpotential zu entfernen.
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Diese Bezugnahme betrifft jedoch nicht das Problem der
Verringerung der effektiven Kopplungskapazität, wenn
die leitenden Kabel der Erregung und die
Ausgangssignale einander nahe angeordnet sind.
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Figur 1a zeigt eine Anordnung, die bei der
Amplitudentechnik unter Verwendung eines Drehmelders zur Messung
der Position eines beweglichen Elementes,
beispielsweise einer Werkzeugmaschine, eines Roboters oder einer
anderen positionsgesteuerten Einrichtung verwendet
wird. Der Drehmelder 10 weist einen Rotor 12 mit einer
Ankerspule 14 und einen Stator mit Statorspulen 16 und
18 auf. Der Rotor 12 wird relativ zu dem Stator durch,
beispielsweise, einen Motor 28 gedreht. Der Wandler 10
ist entfernt von einer Steuereinrichtung 20 angeordnet,
in der ein Treiberverstärker 22 ein Wechselspannungs-
Erregungssignal erzeugt, das auf die Ankerspule 14
aufgebracht wird. Ausgangssignale, die an den Statorspulen
16 und 18 auftreten, werden auf Differenzverstärker 24
und 26 zurückgeführt, die in der Steuerung 20
angeordnet sind. Die Rückflußseite des
Treiberverstärkerausgangs ist geerdet und die aufnehmenden Empfänger 24 und
26 stellen nicht angepaßten Impedanzen für den
Signalund den Rückflußweg dar, aufgrund des
Eingangswiderstandsnetzwerkes. Die Leitungskabel 30, 32 und 34,
typischerweise verdrillte Paare, bilden eine Verbindung
der Erregungs- und Ausgangssignale zwischen den
Schnittstellen-Schaltkreisen der Steuerung 20 und des
Drehmelders 10.
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Figur 1b zeigt eine Anordnung, die mit der
Phasendiskriminationstechnik verwendet wird unter Einsatz eines
Drehmelders zum Messen der Position eines beweglichen
Elementes. Bei dieser Anordnung werden Erregungssignale
durch Treiberverstärker 23 und 25 erzeugt und auf die
Statorspulen 17 und 19 des Drehmelders aufgebracht. Ein
Ausgangssignal erscheint an der Ankerspule 13 des
Drehmelders und wird auf den Differenzverstärker 21 in der
Steuerung 19 rückgeführt. Die Erregersignale werden von
einem einzigen Bezugssignal abgeleitet und sind
voneinander um π/2 Radian in ihrer Phase versetzt.
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Figur 2 zeigt die kapazitive Kopplung zwischen einem
Erregungssignalkabel und einem Ausgangssignalkabel, die
infolge der Nähe der Leiterkabel 30, 32 und 34 von
Figur 1a oder Kabel 29, 36 und 38 von Figur 1b vorhanden
sein wird. In Figur 2 stellen die Kapazitäten C1, C2,
C3 und C4 die zusammengefaßten Werte der
Kopplungskapazitäten, die über die Länge der Leiterkabel verteilt
sind dar, die Quelle SD stellt die Quelle der
Erregungssignale dar; und die Last LD repräsentiert die
Lastimpedanz, die das Ausgangssignal sieht. Die
induktive Kopplung der Rotor- und Statorwicklung soll
weggelassenwerden, um die Analyse der kapazitiven Kopplung
in den Leiterkabeln zu vereinfachen. Es ergibt sich aus
Figur 2, daß aufgrund der geerdeten Rückführungswege
lediglich die Kapazität C1 eine Fehlerkomponente für
das Ausgangssignal, das über der Last auftritt,
beiträgt.
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Die Spannungsfehlerkomponente in den Ausgangssignalen,
die von der kapazitiven Kopplung beruht, hat, wie in
Figur 2 gezeigt ist, eine Amplitude, die der Größe des
Erregungssignals gleich ist und in der Phase zu dieser
um π/2 Radian verschoben ist. Der Strom aufgrund dieser
Fehlerkomponente ist algebraisch auf die Amplitude des
Stroms des Ausgangssignals aufaddiert, was zu einem
Positionsfehler führt, der über den Bereich der von dem
Drehmelder gemessenen Position sich wiederholt. Solche
Fehler werden als "zyklische Fehler" bezeichnet. Es ist
allgemein übliche Praxis, einzelne Abschirmungen für
solche Leitungskabel zu schaffen, wie die Abschirmungen
31, 33 und 35, um die kapazitive Kopplung zwischen den
Erregerspulen und den Ausgangssignalspulen zu
vermindern oder zu vermeiden. Die Kosten derartiger
Abschirmungen erhöht den Materialaufwand und die
Arbeitskosten, die mit der Installation solcher Kabel verbunden
sind.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Vorrichtung zur Positionsmessung durch
elektromagnetische Positionswandler zu schaffen, die eine inherente
Elimination und Reduktion von kapazitiv gekoppelten
Signalen zwischen dem die Erregung führenden Kabel und
das Ausgangssignal führenden Kabel bewirkt.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Vorrichtung zur Positionsmessung durch
elektromagnetische Positionswandler zu schaffen, die
Erregungssignale haben, die symmetrisch bezüglich der Masse
sind, wodurch eine inherente Reduktion einer ersten Art
von kapazitiv gekoppelten Signalen zwischen den
Erregungskabeln und den das Ausgangssignal führenden Kabeln
hat.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Vorrichtung zur Positionsmessung durch
elektromagnetische Positionswandler zu schaffen mit
ausgeglichenen Signal- und Rückführungswegen für die
Ausgangssignale, wodurch eine inherente Reduktion einer zweiten
Art von kapazitiv gekoppelten Signalen zwischen den die
Erregung führenden und den die Ausgangssignale
führenden Kabeln erfolgt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Zeichnungen und
der nachfolgenden Beschreibung.
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In Übereinstimmung mit den vorangehend genannten
Aufgaben schafft die vorliegende Erfindung eine Quelle für
ein Erregersignal zur Verwendung mit
elektromagnetischen Positionswandlern, die ein
Gleichspannungs-Erregersignal erzeugt, das bezüglich der Masse symmetrisch
ist. Ein erstes Wechselspannungssignal wird invertiert,
um ein zweites Wechselspannungssignal zu erzeugen und
das Erregungssignal wird als die Differenz zwischen dem
ersten und dem zweiten Wechselspannungssignal genommen.
In Übereinstimmung mit den vorangehend genannten
Aufgaben wird ein Empfänger zur Verwendung mit den
elektromagnetischen Positionswandlern geschaffen, der
angepaßte Impedanzen für die Signalleitung und die
Rückführungsleitungen eines Ausgangssignals.
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Fig. 1a und 1b zeigen vorbekannte Schaltungen für
die Positionsmessung unter Verwendung
eines Drehmelders.
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Fig. 2 zeigt eine kapazitive Kopplung zwischen
den das Erregungssignal und das
Ausgangssignal leitenden Kabeln.
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Fig. 3 zeigt die Schaltungen nach der
vorliegenden Erfindung, wie sie bei einem
Drehmelder verwendet werden.
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Fig. 4a 4b und 4c sind Ersatzschaltbilder, die
die Wirkungen der Schaltkreise nach den
Figuren 3 bei einer kapazitiven Kopplung,
wie sie in Figur 4 gezeigt ist,
verdeutlichen.
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Fig. 5 zeigt Schaltungen nach der vorliegenden
Erfindung, angewendet auf ein
Schlitten- und Skalensystem.
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Um die Erfindung zu erläutern, sollen
Schnittstellenschaltkreise für elektromagnetische Positionswandler
einer Motorsteuerung, wie sie für die Cincinnati
Milacron Inc., die Anmelderin der vorliegenden Erfindung,
entwickelt worden sind in ihren Einzelheiten
beschrieben werden. Obwohl die Schnittstellenschaltkreise, die
zu beschreiben sind, ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel bilden, soll dadurch der Schutzbereich der
Erfindung nicht auf deren Einzelheiten beschränkt werden.
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Es wird auf Figur 3 Bezug genommen. Ein Drehmelder 40,
der mechanisch mit einem Motor 50 gekoppelt ist, ist
entfernt von der Motorsteuerung 60 angeordnet
dargestellt. Keine der Einzelheiten der Motorsteuerung 60,
die zur Steuerung des Motors 50 dient, sind für die
vorliegende Erfindung von Bedeutung, diese Einzelheiten
sollen hier nicht beschrieben werden. Der Motor 50
bewirkt unter der Steuerung des Controllers 60 die
Drehung des Rotors 42 relativ zu einem Stator des
Drehmelders. Die Statorspulen 46 und 48 sind relativ zu dem
Stator des Drehmelders fest und erzeugen
Wechselspannungs-Ausgangssignale in Antwort auf ein
Wechselspannungs-Erregersignal, das auf die Rotorspule 44
aufgeprägt wird. Die Ausgangssignale F1 und F2 sind als
Funktionen des Erregersignals und die relative
Winkelposition des Rotors 42 und des Stators wie folgt:
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F1 = E * sin (θ) * sin (Wt)
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F2 = E * cos ((θ) * sin (Wt)
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wobei:
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E = die Größe des Erregungssignals,
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θ = die Position des Rotors und des
Status des Drehmelders in Radian,
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W = die Frequenz des Erregungssignals in
Radian und
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t = die Zeit
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angibt.
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Obwohl das Erregersignal direkt auf die Rotorspule 44
aufgebracht gezeigt ist, kann das Erregersignal bei
bürstenlosen Drehmeldern tatsächlich induktiv auf den
Stator gekoppelt sein. In jedem Fall sind die
Signalund Rückflußwege des Erregungssignals durch ein
verdrehtes Paar von Leiterkabeln 52 verwirklicht. Die
Signal- und Rückführungswege für die Ausgangssignale F1
und F2 sind, jeweils, durch ein Paar von Leiterkabeln
54 und 56 dargestellt. Aufgrund des symmetrischen
Erregersignals und der symmetrischen Impedanz der Empfänger
des Ausgangssignals, die durch die Schaltung nach der
vorliegenden Erfindung gebildet werden, ist die
kapazitive Kopplung zwischen den Erregungs- und
Ausgangssignalen inherent vermieden und die verdrillten Paare von
Leiterkabeln können vorteilhafterweise durch eine
einzige Abschirmung 58 umschlossen sein.
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Es wird im folgenden auf Figur 3 Bezug genommen. Es ist
erkennbar, daß das Erregersignal V1 über den Ausgängen
der Verstärker 62 und 64 abgenommen ist. Der Verstärker
62 nimmt ein sinusförmiges Wechselspannungssignal S1
von konstanter Frequenz W auf, das von einer
Rechteckwelle abgeleitet ist. Der Ausgang des Verstärkers 62
wird durch den Verstärker 64 invertiert. In Reihe
liegende Induktivitäten 66 und 68 sind vorgesehen, um die
Möglichkeit von hochfrequenten Schwingungen, die an den
Ausgängen der Verstärker 62 und 64 auftreten, wenn sie
mit den Kabeln verbunden sind, relativ hohe kapazitive
Lasten bilden, zu reduzieren. Widerstände R1 und R2 zum
Einstellen der Verstärkung, haben den gleichen Wert
innerhalb einer angemessenen kleinen Toleranz, wie sie
einfach erreichbar ist, beispielsweise von 1 %
-Komponenten. Das Erregungssignal VI ist aufgrund der
Invasion des Ausgangs des Verstärkers 262 durch den
Verstärker 64 symmetrisch zur Masse.
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Die Wirkung des Schaffens eines Erregungssignals
symmetrisch bezüglich Masse in Kombination mit den
vorbekannten Empfängerschaltungen ist durch das
Ersatzschaltbild von Figur 4a dargestellt. Mit dem an dem
Empfänger geerdeten Rückflußweg treten die Signale, die
durch Kapazitäten C4 und C3 gekoppelt sind, nicht in
dem Ausgangssignal auf und die Kapazitäten treten nicht
in dem Ersatzschaltbild auf. Die verbleibenden
Kapazitäten C1 und C2 koppeln das Erregungssignal mit dem
Ausgangssignal unter Erzeugen einer Fehlerkomponente,
die eine Amplitude hat, die als eine Funktion der
Amplitude des Erregersignals wie folgt ausgedrückt ist:
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VCA = E * (C1 - C2) / (C1 + C2)
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Es wird jetzt auf Figur 3 Bezug genommen. Die
Ausgangssignale F1 und F2 werden durch Differenzverstärker 70
und 72 aufgenommen, die die Potentialdifferenz, die
über dem Signal und Rückkehrwegen des verdrehten Paares
von Leiterkabeln 56 und 54 auftreten, verstärken. Die
Verwendung von Differenzverstärkern bildet eine
erhebliche Abweisung von Rauschsignalen, die den
Verstärkereingängen gemeinsam sind. Die die Verstärkung
bestimmenden Komponenten R4, R7 und R6, R9 sind so gewählt,
daß sie innerhalb einer Bauteiltoleranz von 0,1 %
haben, um eine Analog/Digital-Wandlung mit einer
Genauigkeit von 12 Binärzahlen zu erlauben. Die die
Verstärkung bestimmenden Bauelemente R8 und R3 des Verstärkers
70 und die Widerstände R10 und R5 des Verstärkers 70
sind ebenfalls so gewählt, daß sie innerhalb einer
Toleranz der Bauteile von 0,1 % liegen.
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Um die vorhandenen Impedanzen, die durch den Signalweg
und den Rückflußweg an den Eingängen des
Motorcontrollers 60 bilden, sind bezüglich der Impedanz angepaßten
Widerstände R11 und R12 zwischen dem Eingang des
Rückflußweges und Masse an dem Verstärker 70 bzw. dem
Verstärker 72 verbunden. Der Widerstand Rll hat einen
Wert, der gleich der Hälfte des Produktes aus Oder
Summe der Werte der Widerstände R7 und R8 ist,
multipliziert durch das Verhältnis von R7 zu R8. Der Widerstand
R12 hat einen Wert, der gleich der Hälfte des Produktes
aus der Summe der Werte der Widerstände R9 und R10 und
dem Widerstand R9 zu R10 ist.
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Die Wirkung der Vorsehung von auf die Impedanzen der
Signalleitung und der Rückflußleitung angepaßten
Impedanzen in Kombination mit einem unsymmetrischen
Erregungssignal nach dem Stand der Technik ist durch das
Ersatzschaltbild von Figur 4b gezeigt. In diesem
Schaltkreis ist die eine Seite der Quelle geerdet. Der
Beitrag zu der Fehlerkomponente des Ausgangssignals von
den Kapazitäten C2 und C4 von Figur 2 ist daher null
und diese Kapazitäten treten nicht in dem
Ersatzschaltbild auf. Die Größe der Fehlerkomponente des
Ausgangssignals, das von den verbleibenden Kapazitäten C1 und
C3 beigetragen wird, wird als eine Funktion der
Amplitude des Erregersignals wie folgt ausgedrückt:
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VCB = E * (C1 - C3) / (C1 + C3)
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Der kombinierte Effekt der Vorsehung eines
Erregungssignals, das bezüglich Masse symmetrisch ist und die
angepaßten Impedanzen der Signalleitung und der
Rückflußleitung an den Empfängern des Ausgangssignals ist
durch das Ersatzschaltbild von Figur 4c dargestellt.
Die Größe der Fehlerkomponente der Ausgangssignale, die
durch die kapazitive Kopplung beigetragen wird, ist als
eine Funktion der Amplitude E des Erregungssignals wie
folgt ausgedrückt:
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Vcc = E * (C1 + C4 - C2 -C3) /
(C1 + C2 + C3 + C4)
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Von den Ersatzschaltbildern nach den Figuren 4a, 4b und
4c und der Analyse der Amplitude der Fehlerkomponente,
die der resultierenden kapazitiven Kopplung zugehörig
ist, ergibt sich, daß die Fehlerkomponente in den
Fällen eliminiert ist, in denen C1 = C2 = C3 = C4. In
Fällen, wo diese Kapazitäten nicht gleich sind, ist die
Größe der Fehlerkomponente wesentlich verringert, was
ein Verzicht auf einzelne Abschirmungen erlaubt, die
sonst dazu dienen, die Wirkungen der kapazitiven
Kopplung zwischen den das Erregungssignal und das
Ausgangssignal führenden Kabel zu verringern. Es wird
weiter deutlich, daß eine erhebliche Verringerung der
Amplitude der Fehlerkomponente erreicht wird durch
Verwendung entweder eines Erregersignals, das bezüglich
Masse symmetrisch ist oder aber angepaßten Impedanzen
in der Signalleitung und der Rückflußleitung des
Ausgangssignals.
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Figur 5 zeigt die Verwendung eines symmetrischen
Erregungssignals und eines Empfängers für das
Ausgangssignal mit balancierter Impedanz, wie es angewendet wird
auf ein Meßsystem 80 mit einem Schlitten und einer
Skala. Ein von der Skala erregtes Signal, das von einem
Skalenempfänger 88 ausgegeben ist, wird auf eine Skala
82 aufgebracht. Die Skala 82 hat einen geformten
Leiter, der Polsegmente SPI mit einem Abstand 1 definiert.
Ausgangssignale des Schlittens werden induziert in
einem vom Schlitten gebildeten Leiter 85 und 86 durch das
die Skala erregende Signale. Die in dem Schlitten
gebildeten Leiter 85 und 86 definieren Polsegmente APSI
und APCI mit demselben Abstand I wie die Polsegmente
der Skala. Die Polsegmente des Schlittens sind relativ
zueinander angeordnet, um durch einen Abstand von
einander von I/4 getrennt zu sein. Die Ausgangssignale des
Schlittens werden auf Zeilenverstärkern 89 übertragen,
die dem Schlitten 85 benachbart sind über Leiterkabel
118 und 120. Leitungsverstärker 89 erzeugen
Ausgangssignale, die auf die Steuerung 90 über Leiterkabel 112
und 114 übertragen werden. Ein Erregungssignal, das an
der Steuerung 90 erzeugt wird, wird auf den
Skalenverstärker 88 benachbart der Skale 82 über das
Leitungskabei 110 übertragen. Der Skalenverstärker 88 erzeugt ein
Skalenerregungssignal, das durch das Kabel 116 zu der
Skala 82 geleitet wird.
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Die relative Position des Schlittens 84 und der Skala
82 kann aus den Ausgangssignalen des Schlittens unter
Verwendung der Amplitudentechnikbestimmt sein, die für
die Verwendung mit Drehmeldern beschrieben worden ist.
Aufgrund der geringen Impedanz der Schnittstelle
zwischen dem Schlitten und derjenigen der Verstärker 88
und 89, führt die kapazitive Kopplung zwischen den
Ausgangssignalen des Erregungssystems der Skala und des
Schlittens im allgemeinen keine Erhöhung zu einer
anzunehmenden Fehlerkomponente in der gemessenen Position.
Die Schnittstelle zwischen der Steuerung 90 und den
Verstärkern 88 und 89 ist, umgekehrt, anfällig für
dieselben kapazitiven Effekte, die unter Bezugnahme auf
Figur 2 diskutiert worden sind. Die Verwendung eines
Erregungssignals, das bezüglich der Masse symmetrisch
ist und angepaßte Impedanzen in der Signalleitung und
der Rückflußleitung der Ausgangssignale bieten
dieselben Vorteile wie oben diskutiert, wodurch sie den
Anschluß der Kabel 110, 112 und 114 innerhalb einer
einzigen Abschirmung 130 erlauben. Die Schaltungen der
Steuerung 90, die in dieser Anmeldung verwendet werden,
sind dieselben, wie sie in Figur 3 gezeigt werden.
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Die in der vorangehenden Beschreibung oder in den
nachfolgenden Ansprüchen oder aber den beiliegenden
Zeichnungen offenbarten Merkmalen, die in ihren besonderen
Ausbildungen oder in den Ausdrücken oder Mitteln zum
Ausführen der gewünschten Funktion ausgedrückt sind
oder aber eine Methode oder ein Verfahren zur Bewirkung
des offenbarten Ergebnisses, können einzeln oder in
beliebiger Kombination dieser Merkmale für die
Verwirklichung der Erfindung in ihren unterschiedlichen
Ausführungsformen Verwendung finden.