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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen
Sägezahnwellengenerator und eine Signalinterpolationsvorrichtung,
welche diesen verwendet, und insbesondere einen
Sägezahnwellengenerator zum Erzeugen einer Sägezahnwelle, deren
Amplitude sich in Übereinstimmung mit einer Phasenveränderung eines
Eingangssignals, das eine Phaseninformation hat, linear
verändert, sowie eine Signalinterpolationsvorrichtung, welche
diesen Sägezahnwellengenerator verwendet, um ein
Interpolationssignal zu erzeugen, welches dasselbe Muster einmal für
jede vorbestimmte Phasenänderung des Eingangssignals
wiederholt -
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Wenn man ein Eingangssignal beim Festlegen einer
Phasenposition desselben, beispielsweise bei der Übertragung des
Eingangssignals durch mechanische Drehung zum Einstellen von
Betriebsbedingungen, wie etwa der Frequenz und des Pegels einer
elektronischen oder optischen Einrichtung verwendet, ist es
im Vergleich zur direkten Verarbeitung der Phaseninformation
oftmals praktisch, Daten nach der Umwandlung einer
Phasenveränderung in eine lineare Pegelveränderung auf der Basis von
zwei sinusförmigen Signalen A (θ) und B (θ), die sich
verändern, wobei ihre Phasen θ um 90º verschobene Drehpositionen
darstellen, zu verarbeiten. Es besteht große Nachfrage nach
einer einfachen Vorrichtung mit hoher Betriebsgeschwindigkeit
zum Feineinstellen der Betriebsbedingungen einer derartigen
elektronischen Vorrichtung.
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Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen
Sägezahnwellengenerator und eine Signalinterpolationsvorrichtung,
welche die Ansprechgeschwindigkeit, Linearität und
Gerätegröße bei der Umwandlung einer Phase in einen Pegel
berücksichtigen, um die vorstehend beschriebenen Anwendungen
umzusetzen.
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Die Erzeugung einer Sägezahnwelle oder eines
Interpolationssignals bei Empfang von zwei sinusförmigen Signalen A(θ) und
B(θ), deren Phasen θ um 90º verschoben sind, wird
herkömmlicherweise durch eine Vorrichtung ausgeführt, die als eine
Codiereinrichtung zur Umwandlung beispielsweise einer
mechanischen Drehung in ein elektrisches Signal als
Phaseninformation und Ausgeben der Phaseninformation bezeichnet wird. Die
folgenden herkömmlichen Codiereinrichtungen sind verfügbar:
1. Sägezahnwellengenerator und
Signalinterpolationsvorrichtung gemäß dem Arkustangensschema
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Gemäß diesem Schema werden die Werte (Arkustangenswerte) der
Phasen θ von zwei sinusförmigen Signalen A = sinθ und B =
cosθ, deren Phasen θ um 90º verschoben sind, erhalten, und
ein Sägezahnwellenwert wird unter Verwendung eines Flanken-
bzw. Rampenabschnitts, der sich annähernd linear verändert,
ausgegeben. Ein Impuls wird an einer Position erzeugt, der
dem Sägezahnwellenwert entspricht. Als Resultat wird eine
Impulsfolge als eine Reihe von Impulsen ausgegeben.
Beispielsweise ist eine in der japanischen Patentanmeldung
KOKAI-Veröffentlichung Nr. 4-290312 aufgezeigte Technik verfügbar und
allgemein in Fig. 9 beschrieben. Gemäß dieser Technik werden
tanθ und cotθ von zwei sinusförmigen Signalen A = sinθ und B
= cosθ erhalten, deren Phasen um 90º verschoben sind, und
Impulse werden ausgegeben. Es sei angemerkt, daß keine
deutliche Beschreibung des Prozesses zum Ausgeben der Impulse von
tanθ und cotθ vorliegt, aber die θ-Werte des linearen Abschnitts
in dem nicht divergenten Bereich von tanθ und cotθ
verwendet werden.
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Genauer ausgedrückt sind, wie Fig. 9 zeigt, ein Paar eines
ersten und eines zweiten Detektors 11a und 11b nahe an den
Positionen einer Codierplatte 10 angeordnet, die Codierungen
10a aufweist, die durch Schlitze oder dergleichen gebildet
sind. Ein sinNθ-Signal als ein analoges A-Phasensignal, das
von dem zweiten Detektor 11b erhalten wird, wird einem ersten
A/D-Wandler 13a durch einen ersten Verstärker 12a eingegeben.
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Ein cosNθ-Signal als ein analoges B-Phasensignal, das von dem
zweiten Detektor 11b erhalten wird, wird durch einen zweiten
Verstärker 12b einem zweiten A/D-Wandler 13b eingegeben. Das
erste und das zweite digitale Signal, die von den
A/D-Wandlern 13a und 13b erhalten werden, werden einem Signalteiler
14 eingegeben.
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Das sinNθ- und cosNθ-Signal werden von dem Signalteiler 14
wie folgt geteilt.
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Es werden die Divisionen cosNθ/sinNθ = cotNθ und sinNθ/cosNθ
= tanNθ berechnet, um Relativwerte A und B des sinNθ- und
cosNθ-Signals zu erhalten.
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Die Amplitudenschwankungen des sinNθ- und cosNθ-Signals in
den vorstehend beschriebenen Divisionen werden wie folgt
aufgehoben.
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Es sei angenommen, daß die Amplituden von sinNθ und cosNθ als
A bzw. B definiert sind, was AsinNθ und BcosNθ ergibt, und
die Amplituden werden so eingestellt, daß A = B gilt.
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Unter der Annahme, daß die Drifts von sinNθ und cosNθ bei
Temperaturveränderungen und im Lauf der Zeit jeweils als ΔVA
bzw. ΔVe definiert sind, wird ΔVA = ΔVB eingestellt. Dabei
werden sinNθ und cosNθ (A + ΔVA) sinNθ und (B + ΔVB) cosNθ. Die
direkte Verwendung der A/D-Daten dieser Signale verursacht
eine Zunahme des Fehlers. Aus diesem Grund werden sinNθ und
cosNθ geteilt, um (A + ΔVA) sinNθ/(B + ΔVB) cosNθ = tanNθ zu
erhalten, (da A + ΔVA sinNθ (B + ΔVB). Daher können die
Amplitudenschwankungen aufgehoben werden.
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Die Relativwerte tanNθ und cotNθ sind zwei Phasensignale, die
frei von Schwankungen sind, da diese Schwankungen der
Umgebungstemperatur, Frequenz und dergleichen, aufgehoben bzw.
gelöscht werden. Diese Relativwerte werden als ein
Ausgangssignal durch eine Vorwärts/Rückwärtsschaltung 15 und einen
Zähler 16 extrahiert.
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Der in Fig. 9 gezeigte Stand der Technik bezieht sich auf
ein Verfahren zur Interpolation eines
Codiereinrichtungssignals. Genauer ausgedrückt werden das sinNθ- und cosNθ-Signal
als analoge Signale geteilt, um einen Relativwert zu
berechnen, um ein digitales Signal mit hoher Präzision zu erhalten,
das frei von Schwankungen der Umgebungstemperatur oder
Frequenz ist. Zu diesem Zweck werden bei dem Verfahren zum
Interpolieren des Codiereinrichtungssignals, bei welchem sinNθ-
und cosNθ-Signale von N Codierungen extrahiert werden, die
auf der Codierplatte gebildet sind, um diese Signale durch
A/D-Wandler in digitale Signale umzuwandeln, die digitalen
Signale geteilt, um die Relativwerte der sinNθ- und cosNθ-
Signale zu erhalten.
2. Signalinterpolationsvorrichtung gemäß einem
Widerstandsteilungsschema
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Wie Fig. 10 zeigt, erhält eine
Signalinterpolationsvorrichtung gemäß diesem Schema aufeinanderfolgend Signale, deren
Phasen um einen vorbestimmten Wert verschoben sind, von einer
Summe der Vektoren von zwei sinusförmigen Signalen A = sinθ
und B = cosθ. Die resultierenden Signale werden Exklusiv-
ODER-behandelt, um ein Interpolationssignal zu erhalten.
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Im einzelnen zeigt Fig. 10 eine Technik, die zu einer
digitalen Interpolationsschaltung zum Interpolieren eines
Meßsignals gehört, wie auf Seite 8, 9 in dem vollständigen Katalog
von HEIDENHAIN Co. Ltd., Japan, beschrieben.
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In dieser digitalen Interpolationsschaltung werden
Abtastsignale Ie1 und Ie2, die in Fig. 11A gezeigt sind, verstärkt
und anschließend interpoliert. Wie Fig. 11B zeigt, wird bei
dieser Signalinterpolation eine Widerstandsschaltung (R) zur
zusätzlichen Erzeugung eines Phasendifferenzsignals bei der
Addition der Vektoren der beiden sinusförmigen Signale
verwendet. Fig. 10 zeigt die Details dieser Schaltung und die
Phasen der fünfstufigen Interpolation.
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In dem dargestellten Beispiel sind 10 Signale mit Phasen von
0º bis 162º gezeigt. Diese Signale werden in Rechtecksignale
umgewandelt und von zwei Exklusiv-ODER-Gates (XOR) in zwei
rechteckige Impulsabfolgen kombiniert. Wie Fig. 11C zeigt,
sind die Frequenzen von Aussgangssignalen Ua1 und Ua2 um das
Fünffache höher als diejenigen der Eingangssignale und um ¹/&sub4;
der Periode des Signals, das die höhere Frequenz der beiden
hat, phasenverschoben. Ein Referenzmarkensignal Ua0 wird
zwischen zwei kontinuierlichen Flanken der Ausgangssignale Ua1
und Ua2 ausgetastet.
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Die vier Signalflanken von Ua1 und Ua2 werden als Zählimpulse
während einer Signalperiode verwendet.
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Die Distanz zwischen den beiden Ausgangssignalen Ua1 und Ua2
ist eine Meßteilung, die 1/20 des
Skaleneinteilungsintervalles beträgt.
3. Signalinterpolationsvorrichtung gemäß einem
Interpolationstabellenschema.
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Wie Fig. 12 zeigt, handelt es sich bei diesem Schema um ein
Verfahren, bei dem zwei sinusförmige Signale A = sinθ und B =
cosθ in digitale Daten umgewandelt werden und die
Winkelposition einer Codiereinrichtung, welche den digitalen Daten
entsprechen, aus einer Interpolationstabelle (Speicher) erhalten
werden, die unter Verwendung der digitalen Daten im voraus
hergestellt wurde, wodurch ein Impuls unter Verwendung dieser
Position erzeugt wird.
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Das heißt, daß das Schema von Fig. 12 eine Technik ist, die
auch in dem vorstehend genannten vollständigen-Katalog
beschrieben ist.
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In diesem Fall werden zwei Ursprungssignale Ie1 und Ie2 von
beispielsweise lichtempfangenden Elementen verstärkt und in
Analogspannungen umgewandelt. Diese Spannungen werden in
Abtast-/Halteschaltungen (S/Hs) gehalten und durch A/D-Wandler
in regelmäßigen Intervallen (Takten) in digitale Signale
umgewandelt.
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Die momentanen Positionswerte innerhalb einer Signalperiode
werden in der Interpolationstabelle (IT) unter Verwendung
dieser beiden digitalen Spannungswerte erzeugt. Die
Gleichlaufschaltung TC vergleicht jeden momentanen Positionswert
mit dem in dem vorangehenden Taktzyklus erhaltenen Wert. Der
Gleichlaufzähler TC erzeugt 0º- und 90º-Signale aus der
Differenz dieser beiden Positionswerte.
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Inkrementale rechteckige Signale Ua1 und Ua2 erscheinen an der
Ausgangsstufe der Gleichlaufschaltung TC.
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Die folgenden Nachteile finden sich bei den drei vorstehend
beschriebenen herkömmlichen Techniken.
1. Sägezahnwellengenerator und
Signalinterpolationsvorrichtung gemäß dem Arkustangensschema.
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Gemäß diesem Schema erhalten die Arkustangenswerte divergente
Komponenten, die von den Werten der Phasen θ abhängig sind,
so daß der annähernd lineare Abschnitt schmal ist. Wenn der
annähernd lineare Abschnitt einen Phasenbereich θ von 360º
abdecken soll, ist das arithmetische Volumen sehr hoch. Aus
diesem Grund werden die Meßwerte allgemein durch A/D-Wandler
in digitale Werte umgewandelt und die arithmetische Operation
dieser digitalen Werte wird von einer CPU durchgeführt. Die
Ansprechgeschwindigkeit eines Ausgangssignals bei einer
Veränderung der Phase θ ist somit von der CPU abhängig. Die in
der japanischen Patentanmeldung KOKAI-Veröffentlichung Nr. 4-
290312 beschriebene Technik ist offenbar ebenfalls von einer
CPU abhängig. Um die arithmetische Geschwindigkeit durch eine
CPU zu beschleunigen, muß eine Hochgeschwindigkeits-CPU
verwendet werden. Neben einer derartigen CPU sind ein Programm,
ein ROM und ein RAM erforderlich.
2. Signalinterpolationsvorrichtung gemäß einem
Widerstandsdivisionsschema.
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Gemäß diesem Schema ist das Ausmaß der Interpolation auf 20
Wiederholungen des Ausgangssignals für einen einzelnen
wiederholten Wert der Phase θ beschränkt.
3. Signalinterpolationsvorrichtung gemäß einem
Interpolationstabellenschema.
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Da gemäß diesem Schema Daten direkt aus der
Interpolationstabelle (Speicher) unter Verwendung der digitalen Daten
ausgelesen werden, die durch Umwandeln von zwei sinusförmigen
Signalen A = sinθ und B = cosθ erhalten werden, spiegelt sich
eine mangelhafte Linearität der umgewandelten digitalen Daten
direkt in den Endergebnissen wider. Obgleich die Linearität
auf der Seite der Interpolationstabelle kompensiert werden
kann, ist die Interpolationstabelle überlastet und die
interpolierbare Linearität hat ihre Grenzen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
neuen und verbesserten Sägezahnwellengenerator und eine
Signalinterpolationsvorrichtung, welche diesen verwendet, zu
schaffen, welche insbesondere die Ansprechgeschwindigkeit
steigern können und die Vorrichtungsgröße unter
Berücksichtigung der Ansprechgeschwindigkeit, Linearität, des Ausmaßes
der Interpolation und der Vorrichtungsgröße reduzieren
können.
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Zur Lösung der vorstehend beschriebenen Aufgabe werden die
folgenden Einrichtungen verwendet.
1. Einrichtung zum Erzeugen von Sägezahnwellen, deren Pegel
linear über einen weiten Phasenbereich zunehmen oder
abnehmen.
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Wenn zwei sinusförmige Signale als A = sinθ und B = cosθ
definiert sind und eine positive Konstante al, welche B ± a1 ≠
0 erfüllt, als ein geeigneter Wert ausgewählt wird,
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ergibt ein Signal X = A/(B + α1) eine Sägezahnwelle, deren
Pegel sich linear verändert, während die Phase θ sich um
mindestens 180º ändert (eine sinusförmige Welle wird
linearisiert),
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kann dann, wenn ein Signal Y = A/(B - α1) ebenfalls
erzeugt wird, dieses sinusförmige Signal über einen weiteren
180º -Drehungsintervall linearisiert werden, so daß eine
Sägezahnwelle erhalten werden kann, während die Phase θ
sich um 360º ändert und
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können mindestens zwei dieser Signale X und Y in den
vorstehend beschriebenen arithmetischen Operationen
arithmetisch erhalten werden, da diese Operationen durch analoge
Hochgeschwindigkeitsarithmetikoperationen sowie durch
Hochgeschwindigkeits-CPU-Operationen durchgeführt werden
können. Arithmetische Verarbeitung mit einem geringen
Volumen, die in der Lage ist, ein
Hochgeschwindigkeitsansprechverhalten zu erzielen, und in der Lage ist, eine
Größenverringerung zu erzielen, kann unter der Annahme
realisiert werden, daß eine gute Linearität über einen
breiten Bereich (0-360º) erhalten wird.
2. Signalinterpolationsvorrichtung
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Daten mit vorbestimmten Mustern werden vorab in einem
Speicher in einer Adreßreihenfolge gespeichert und auf eine
Adresse des Speichers wird durch ein
Sägezahnwellenpegelausgangssignal von der Einrichtung zur Erzeugung einer
Sägezahnwelle gemäß 1. zugegriffen, so daß dadurch eine einzelne
Signalinterpolationsvorrichtung geschaffen wird, die in der
Lage ist, ein Interpolationssignal zur feinen Festlegung der
Phase θ auszugeben.
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Die praktische Anordnung ist wie folgt:
A) Anordnung gemäß Anspruch 1
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Ein arithmetischer Operationsabschnitt empfängt zwei
sinusförmige Signale A und B, die sich mit Phasen, die um 90º
verschoben sind, verändern, und führt eine erste und eine zweite
arithmetische Operation jeweils unter Verwendung eines
Signals X = A/(B + a) (worin α eine Konstante ist, die B + α ≠
0 erfüllt) und eines Signals Y = A/(B + β) (worin β eine
Konstante ist, die B + β ≠ 0 erfüllt), aus. Eine Schalteinheit
wählt abwechselnd lineare Flankenabschnitte der Signale X und
Y aus, um eine Sägezahnwelle auszugeben. Als typisches
Beispiel haben dann, wenn A = sinθ, B = cosθ (oder A und B
können vertauscht werden), α > 1 und β = - α gilt, die Signale X
und Y annähernd lineare Flankenabschnitte in jedem
Phasenintervall θ von 180º. Die Schalteinheit schaltet die
Flankenabschnitte für jeden Nulldurchgang des sinusförmigen Signals B
und gibt dadurch eine Sägezahnwelle aus.
B) Anordnung gemäß Anspruch 2
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Um die Ansprechgeschwindigkeit zu erhöhen, führt der
arithmetische Operetionsabschnitt analoge arithmetische Operationen
aus. Zusätzlich ist eine erste arithmetische
Operationseinheit zur Durchführung der ersten arithmetischen Operation
parallel zu einer zweiten arithmetischen Operationseinheit
zur Durchführung der zweiten arithmetischen Operation
geschaltet. Ein erster und ein zweiter A/D-Wandler sind
vorgesehen, um die Ausgangssignale der ersten und der zweiten
arithmetischen Operationseinheit in digitale Signale
umzuwandeln. Eine digitale Schalteinheit zum Schalten der digitalen
Signale X und Y mit hoher Geschwindigkeit ist ebenfalls
vorgesehen.
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Ein Speicher, der Daten mit vorbestimmten Mustern in einer
Adreßreihenfolge vorab speichert, empfängt die digitalen
Sägezahnwellensignale als Adreßwerte, um ein vorbestimmtes
Musterslgnal auszugeben. Als ein typisches Beispiel des
Speichers sind Daten, die vier Statuswerte (die Mindestdaten sind
eine 2-Bit-Kombination aus "0" und "1") darstellen, so
gespeichert, daß sie sich in der Adreßreihenfolge wiederholen,
so daß die Werte der Sägezahnflankenabschnitte, die sich
linear verändern, ausgelesen werden, um zwei Impulsabfolgen mit
unterschiedlichen Phasen auszugeben.
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In diesem Fall werden "0" und "1" wiederholt aus dem Speicher
ausgelesen, um Impulse zu erhalten, welche den Bereich der
Phase θ von 360º durch 128 teilen.
C) Anordnung gemäß Anspruch 3
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Wie bei der Anordnung gemäß Anspruch 2 enthält der
arithmetische Operationsabschnitt ein erstes und ein zweites analoges
arithmetisches Operationselement, die miteinander parallel
geschaltet sind. Nachdem eine Umschalteinheit die analogen
Ausgangssignale von der ersten und der zweiten arithmetischen
Operationseinheit umgeschaltet hat, wird eine Sägezahnwelle,
die in Form eines digitalen Wertes ausgedrückt ist, von einem
A/D-Wandler ausgegeben. Der übrige Operationsablauf der
Anordnung von Anspruch 3 ist gleich demjenigen nach Anspruch 2.
Die Anordnung von Anspruch 3 hat eine niedrigere
Ansprechgeschwindigkeit als die gemäß Anspruch 2, erfordert jedoch nur
einen A/D-Wandler.
D) Anordnung gemäß Anspruch 4
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Diese Anordnung hat eine bessere Linearität als die der
vorstehend beschriebenen Anordnungen. Zu diesem Zweck teilt der
arithmetische Operationsabschnitt einen Phasenbereich θ von
360º in vier Phasenintervalle, das heißt
90º-Phasenintervalle, und Ausgangssignale X1, X2, X3 und X4, welche lineare
Abschnitte in diesen vier Phasenintervallen darstellen. Die
Signale X1, X2, X3 und X4 haben eine Beziehung, bei der jedes
Signal gegenüber dem benachbarten Signal um 90º verschoben
ist.
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Bei Empfang von zwei sinusförmigen Signalen A(θ) und B (θ)
sind die Signale X1, X2, X3 und X4 wie folgt dargestellt:
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Signal X1 A(θ)/{ (B (θ) + γ1}
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Signal X2 - A(θ + 90º)/{(B(θ + 90º) + γ2}
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Signal X3 = A(θ + 180º)/((B(θ + 180º) + γ3}, und
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Signal X4 = A(θ + 270º)/{(B(θ + 270º) + γ4}
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wobei γ1, γ2, y3 und γ4 Konstanten sind, die jeweils B (θ) + γ1
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≠ 0, B(θ + 90º) + γ2 ≠ 0, B(θ + 180º) + γ3 ≠ 0 und B(θ + 270º)
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+ γ4 ≠ 0) erfüllen.
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Die Schalteinheit schaltet sequentiell und abwechselnd die
Signale X1, X2, X3 und X4, die von der arithmetischen
Operationseinheit ausgegeben werden, um eine kontinuierliche
Sägezahnwelle auszugeben.
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Demgemäß handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um
einen Sägezahnwellengenerator gemäß der Definition in
Anspruch 1 und eine Signalinterpolationsvorrichtung, die den
Sägezahnwellengenerator enthält, gemäß der Definition in
Anspruch 2 und 3.
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Die Erfindung ist aus der folgenden detaillierten
Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser
verständlich.
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung eines
Sägezahnwellengenerators gemäß der ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 2 ist eine Kurve, die Hauptsignalwellenformen der
ersten Ausführungsform zeigt;
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Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer
Signalinterpolationsvorrichtung gemäß der zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 4 ist eine Tabelle, die Speicherdaten eines Speichers
zeigt;
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Fig. 5 ist eine Ansicht, die die Wellenformen eines
Interpolationsignals zeigt;
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Fig. 6 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Erzeugung eines
Interpolationssignals bei der Teilung einer Sägezahnwelle.
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Fig. 7 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer
Signalinterpolationsvorrichtung gemäß der dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer
Signalinterpolationsvorrichtung gemäß der vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer
Signalinterpolationsvorrichtung gemäß einem herkömmlichen
Arkustangensschema zeigt;
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Fig. 10 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer
Signalinterpolationsvorrichtung gemäß einem herkömmlichen
Widerstandsteilungsschema zeigt;
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Fig. 11A, 11B und 11C sind Diagramme zur Erläuterung des
Betriebes des herkömmlichen Widerstandsteilungsschemas; und
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Fig. 12 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer
Signalinterpolationsvorrichtung gemäß einem herkömmlichen
Interpolationstabellenschema zeigt.
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Nachfolgend wird im Detail auf die gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsformen der Erfindung gemäß der Darstellung in den
beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in welchen gleiche
Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in den
verschiedenen Ansichten bezeichnen.
1. Ausführungsform gemäß Anspruch 1 (nachfolgend als erste
Ausführungsform bezeichnet)
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Anordnung gemäß der
ersten Ausführungsform zeigt.
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Wie Fig. 1 zeigt, gibt ein Phasensignalgenerator 1 zwei
sinusförmige Signale A und B aus, die mit um 90º verschobenen
Phasen wechseln. Der Phasensignalgenerator 1 enthält
beispielsweise eine Einrichtung, die von Hand oder durch einen
Motor angetrieben wird, um eine mechanische Drehposition als
Phaseninformation auszugeben, wie in der in der japanischen
Patentanmeldung KOKAI-Veröffentlichung Nr. 4-290312
beschriebenen Codiereinrichtung. Die sinusförmigen Signale A und B
sind als A = asinθ und B = bcosθ (wobei a und b dasselbe
Vorzeichen haben) definiert. Der Einfachheit der Beschreibung
halber ist in der folgenden Beschreibung a = b = 1 gegeben
(spezifische Werte mit der Ausnahme von a ≠ 1 und b ≠ 1 sind
ebenfalls in der vorliegenden Erfindung gültig).
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Ein arithmetischer Operationsabschnitt. 2 empfängt die
sinusförmigen Signale A = sinθ und B = cosθ und gibt Signale X und
Y aus, deren Phasen um 180º verschoben sind. Dies geschieht
durch die folgenden Operationen.
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Signal X = A/(B + α) wobei α eine Konstante ist,
die B + α ≠ 0 erfüllt, und
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Signal Y = A/(B + β) wobei β eine Konstante ist,
die B + β ≠ 0 erfüllt.
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Die Konstanten α und β sind so gewählt, daß sie α > 1 und β <
-1 unter der Bedingung a = b = 1 erfüllen und daß die Signale
X und Y abwechselnd Flankenabschnitte mit annähernd geraden
Linien jeweils in den Bereichen von 180º in jedem
Phasenintervall θ von etwa 180º haben, wie in Fig. 2 gezeigt. Es sei
angemerkt, daß Fig. 2 alle möglichen Werte der Signale X und
Y für β = - α zeigt. Die Phase θ ist entlang der Abszisse von
Fig. 2 aufgetragen und die normalisierte Größe ist entlang
ihrer Ordinate aufgetragen.
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Die absoluten Werte α und β der Konstanten α und β sind
beinahe gleich den Gesamtamplitudenbreiten 2A und 2B der
sinusförmigen Wellen. Das heißt, wenn a = b = 1, ist jeder
der geeigneten Werte von α und β etwa 2.
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Der arithmetische Operationsabschnitt 2 kann durch einen
analogen arithmetischen Operationsabschnitt gebildet sein, in
Abhängigkeit von den Arten der sinusförmigen Eingangssignale
A und B. Alternativ kann der arithmetische
Operationsabschnitt 2 digitale arithmetische Operationen durchführen. Ein
Phasenintervall von 360º kann durch annähernd gerade Linien
gemäß zwei arithmetischen Operationen abgedeckt werden, die
frei von der Divergenz der Signale X und Y sind. Auch wenn
die arithmetischen Operationen durch die CPU ausgeführt
werden, kann die CPU-Belastung im Vergleich zum Stand der
Technik verringert werden. In diesem Fall müssen vor den
arithmetischen Operationen die sinusförmigen Signal A = sinθ und B =
cosθ in digitale Daten umgewandelt werden. Anders als bei der
Umwandlung einer geraden Linie ist die Auflösung des A/D-
Wandlers sehr wichtig.
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Eine Schalteinheit 3 verbindet die Flankenabschnitte der
angenähert geraden Linien der Signale X und Y und gibt eine
kontinuierliche Sägezahnwelle aus. Die Wellenform dieser
Sägezahnwelle
ist durch die dicken durchgezogenen Linien in
Fig. 2 wiedergegeben. In der Anordnung von Fig. 1 werden eine
erste arithmetische Operationseinheit 2a und eine zweite
arithmetische Operationseinheit 2b in dem arithmetischen
Operationsabschnitt parallel betrieben, um die Signale X und Y
zu berechnen. Die Schalteinheit 3 schaltet die
Ausgangssignale von den arithmetischen Operationseinheiten 2a und 2b in
jedem Phasenintervall θ von etwa 180º um. Die Ausgangssignale
von der ersten und der zweiten arithmetischen
Operationseinheit 2a und 2b können jedoch über einen Puffer (nicht
dargestellt) oder dergleichen geschaltet werden, um die
Eingangsseite der arithmetischen Operationseinheiten 2a und 2b zu
schalten. Alternativ kann die Schalteinheit die erste und die
zweite arithmetische Operationseinheit. 2a und 2b steuern, so
daß sie in Reihe betrieben werden, oder eine arithmetische
Operationseinheit kann abwechselnd die Signale X und Y in
Abhängigkeit von der Anordnung des arithmetischen
Operationsabschnitts 2 berechnen.
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Wenn die beiden arithmetischen Operationseinheiten 2a und 2b
des arithmetischen Operationsabschnitts 2 parallel betrieben
werden, um deren Ausgangssignale auszuwählen, wie in Fig. 1
dargestellt, umfaßt die Schalteinheit 3 einen
Zeitgebungsgenerator 3b und einen Schalter 3a. Der Zeitgebungsgenerator 3b
erfaßt jeden Nulldurchgangspunkt, beispielsweise des
sinusförmigen Signals B, und gibt ein Zeitgebungsschaltsignal aus,
das zum Auswählen der Flankenabschnitte der Signale X und Y
erforderlich ist. Bei Empfang dieses Schaltsignals schaltet
der Schalter 3a die Ausgangssignale von den beiden
arithmetischen Operationseinheiten 2a und 2b um, so daß eine
kontinuierliche Sägezahnwelle ausgegeben wird.
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Es sei angemerkt, daß der Schalter 3a der Schalteinheit 3 ein
analoger oder digitaler Schalter in Abhängigkeit von der Art
der Signale X und Y von dem arithmetischen
Operationsabschnitt 2 sein kann.
2. Ausführungsform gemäß Anspruch 2 (nachfolgend als zweite
Ausführungsform bezeichnet)
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Die Anordnung der zweiten Ausführungsform ist in Fig. 3
dargestelt.
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Die zweite Ausführungsform zeigt als Beispiel eine
Signalinterpolationsvorrichtung unter Verwendung des
Sägezahnwellengenerators der ersten Ausführungsform, um ein
Interpolationssignal auszugeben, das bei jeder Phasenänderung θ um eine
vorbestimmte Größe wiederholt wird.
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Dieselben Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform
bezeichnen die gleichen Teile in Fig. 3. In der zweiten
Ausführungsform enthalten die erste und die zweite arithmetische
Operationseinheit 2a und 2b jeweils analoge arithmetische
Operationseinheiten und ein Schalter 3a umfaßt einen
digitalen Schalter. In diesem Fall können die erste und die zweite
arithmetische Operationseinheit 2a und 2b Konstanten a und β
jeweils als analoge Spannungswerte berechnen.
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Wie Fig. 3 zeigt, enthält ein Datenumwandlungsabschnitt 4
einen ersten und einen zweiten A/D-Wandler 4a und 4b.
Ausgangssignale X und Y von der ersten und der zweiten
arithmetischen Operationseinheit 2a und 2b werden von dem ersten
bzw. dem zweiten A/D-Wandler 4a und 4b in digitale Daten X
und Y umgewandelt und ausgegeben.
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Der Schalter 3a empfängt ein Schaltsignal von einem
Zeitgebungsgenerator 3b und die Daten X und Y, wählt Daten
entsprechend den linearen Rampen- bzw. Flankenabschnitte der Signale
X und Y, wie in Fig. 2 gezeigt, aus und gibt kontinuierliche
digitale Sägezahnwellendaten aus.
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Ein Speicher 5 speichert im voraus Interpolationssignaldaten,
die unter Verwendung der digitalen Sägezahnwellendaten von
dem Schalter 3a direkt ausgelesen werden können.
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Wenn beispielsweise zwei Phasenimpulse als ein
Interpolationssignal ausgegeben werden, speichert der Speicher 5
praktischerweise Daten von vier Statuswerten, die zwei
Phasenimpulswellen haben. Fig. 4 zeigt die in dem Speicher
gespeicherten Daten. Wie Fig. 4 zeigt, werden vier Statuswerte
durch ein Minimum von 2 Bits ausgedrückt. Wie Fig. 5 zeigt,
werden derartige Daten direkt unter Verwendung der digitalen
Sägezahnwellendaten ausgelesen, so daß zwei
Phasenimpulsabfolgen direkt ausgegeben werden können. Die Drehrichtungen
der Phasen θ der Sinussignale A und B von dem
Phasensignalgenerator 1 können ebenfalls unter Verwendung dieser beiden
Phasenimpulsabfolgen erfaßt werden. Das heißt, daß wie Fig.
4 zeigt, wenn die "S-Phasen"-Daten und die "T-Phasen"-Daten
"0" bzw. "1" sind, die Phase θ als in der normalen Drehung
befindlich festgestellt wird. Wenn jedoch die "S-Phasen"-
Daten bzw. die "T-Phasen"-Daten "1" bzw. "0" sind, wird
festgestellt, daß die Phase θ in Rückwärtsdrehung befindlich
ist.
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Die zweite Ausführungsform mit der vorstehend beschriebenen
Anordnung hat die folgenden Merkmale:
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1. Die beiden analogen arithmetischen Operationseinheiten 2a
und 2b werden parallel betrieben, um eine
Ansprechgeschwindigkeit von bis zu mehreren kHz mit einer einfacheren
Anordnung als derjenigen bei dem Arkustangensschema unter
Verwendung einer CPU und eines Speichers zu erzielen.
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2. Die Verzögerung einer Zeit (200-300 us), die
erforderlich ist, um einen analogen Schalter und dessen
Ansteuersystem zu stabilisieren, kann bei der Verwendung von zwei A/D-
Wandlern und des digitalen Schalters 3a reduziert werden.
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3. Hoch lineare Signale X und Y werden durch die
arithmetischen Operationen der beiden analogen arithmetischen
Operationseinheiten 2a und 2b erhalten und A/D umgewandelt, um die
Belastung des Speichers 5 zu reduzieren (wenn die
A/D-Umwandlung für Abschnitte durchgeführt wird, die eine schlechte
Linearität haben, wie bei der Verwendung der
Interpolationstabelle nach dem Stand der Technik, müssen korrigierte Daten
auf der Speicherseite gespeichert werden, wodurch die
Belastung erhöht wird.)
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Da die A/D-Umwandlung durch arithmetische Operationen bei der
Umwandlung in gerade Linien durchgeführt wird, kann die
Belastung der A/D-Wandler reduziert werden und ein
Interpolationssignal kann eine höhere Auflösung haben.
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4. Wenn die Speicherdaten des Speichers 5 in zwei Bits
angeordnet sind, können 2-Phasen-Impulsabfolgen mit einer hohen
Geschwindigkeit mit einer einfachen Anordnung erzielt werden.
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Die Werte des Hauptteiles der zweiten Ausführungsform werden
nachfolgend untersucht. In diesem Fall wird angenommen, daß
eine durch Teilen einer Periode einer Sägezahnwelle in Fig.
6 durch 128 und ihres Pegels durch 64 erhaltene Impulsabfolge
ausgegeben wird.
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Wie ebenfalls aus Fig. 5 ersichtlich ist, sind vier
Datenpunkte für den ersten und den zweiten A/D-Wandler 4a und 4b
erforderlich, um einen zweiphasigen 250-kHz-Impuls zu
erzeugen. Für diesen Zweck ist ein Taktsignal mit 1 MHz ( = 250 ·
4) als Abtastzeitgebungsimpuls erforderlich.
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Die Pegelauflösung wird 2&sup8; ( = 64 · 4) und mindestens eine
Auflösung von 8 Bits ist erforderlich.
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In der Praxis muß eine Auflösung von 12 Bits vorbereitet
werden.
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Um Daten von 512 Punkten ( = 128 · 4) pro Umdrehung der Phasen
θ der sinusförmigen Signale A und B in einem A/D-Wandler, der
eine Albtastrate von 1 MHz hat, zu erfassen, wird ein Signal
von 512 us ( = 512 · 1 us) verarbeitet.
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Die erste und die zweite arithmetische Operationseinheit 2a
und 2b verarbeiten ein Signal, das eine maximale Frequenz von
etwa 2 kHz hat, als den Kehrwert des Signals mit 512 us.
Diese Anweisung ist als Regel ausreichend, um das Ansprechen
einer analogen arithmetischen Einheit zu erlauben.
3. Ausführungsform gemäß Anspruch 3 (nachfolgend als dritte
Ausführungsform bezeichnet)
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Eine Anordnung gemäß der dritten Ausführungsform ist in Fig.
7 gezeigt.
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In der in Fig. 7 gezeigten Anordnung ist ein dritter A/D-
Wandler 6 mit dem Ausgang eines Sägezahnwellengenerators in
Fig. 1 verbunden und ein Speicher 5 der zweiten
Ausführungsform ist mit dem Ausgang des dritten A/D-Wandlers 6
verbunden. Es sei angemerkt, daß die erste arithmetische
Operationseinheit 2a und 2b und ein Schalter 3a in dem
Sägezahnwellengenerator 9 jeweils analoge Operationen ausführen.
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Die Operation des Sägezahnwellengenerators 9 ist gleich wie
bei der ersten Ausführungsform und die Operation der
Signalinteroolationsvorrichtung, die den dritten A/D-Wandler 6 und
den Speicher 5 enthält, ist identisch mit der zweiten
Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß die Eingangsposition des
A/D-Wandlers von derjenigen der zweiten Ausführungsform
verschieden ist und die Ansprechgeschwindigkeit geringer ist als
diejenige der zweiten Ausführungsform, da der analoge
Schalter 3a verwendet wird. In diesem Fall ist jedoch nur ein A/D-
Wandler erforderlich, um die Anordnung zu vereinfachen.
4. Ausführungsform gemäß Anspruch 4 (nachfolgend als vierte
Ausführungsform bezeichnet)
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Die Anordnung der vierten Ausführungsform ist in Fig. 8
gezeigt.
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Während der 360º-Drehbereich der Phasen θ der sinusförmigen
Signale A und B in der ersten Ausführungsform von zwei um
1800 verschobene arithmetische Operationen interpoliert wird
(Signale X und Y), wird in der vierten Ausführungsform dieser
Bereich durch vier um 90º verschobene arithmetische
Operationen abgedeckt. In der vierten Ausführungsform wird die Größe
der Vorrichtung nicht in den Vordergrund gestellt und die
Linearität hat höchste Priorität.
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Die gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform
bezeichnen die gleichen Teile in Fig. 8.
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Wie Fig. 8 zeigt, empfängt eine arithmetische
Operationseinheit 7 zwei sinusförmige Signale A(θ) und B(θ) von einem
Phasensignalgenerator 1 und berechnet die folgenden Signale X1,
X2, X3 und X4 und gibt diese aus:
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Signal X1 = A(θ) / {(B(θ) + γ1 },
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Signal X2 = A(θ + 90º)/{(B(θ + 90º) + γ2}
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Signal X3 = A(θ + 180º)/{(B(θ + 180º) + γ3}, und
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Signal X4 = A(θ + 270º)/{(B(θ + 270º) + γ4}
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wobei γ1, γ2, γ3 und γ4 Konstanten sind, die dieselben
Funktionen wie die Konstanten α und β der ersten Ausführungsform
haben und jeweils B (θ) + γ1 ≠ 0, B (θ + 90º) + γ2 + 0, B (θ +
180º) + γ3 ≠ 0 und B(θ + 270º) + γ4 ≠ 0) erfüllen.
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Eine Schalteinheit 8 enthält einen Schalter 8a und einen
Zeitgebungsgenerator 8b. Der Zeitgebungsgenerator 8b empfängt
die sinusförmigen Signale A und B, erfaßt beispielsweise die
Nulldurchgangspunkte dieser Signale und gibt ein Schaltsignal
zum Extrahieren des Flankenabschnitts der angenäherten
geraden Linie jedes der Signale X1, X2, X1 und X4 mit jeder
Drehung von 90º aus. Bei Empfang dieses Schaltsignals werden die
Signale X1, X2, X3 und X4 sequentiell mit jedem
Phasenintervall θ von 90º geschaltet, um eine kontinuierliche
Sägezahnwelle auszugeben.
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Die Bedingungen der anderen Bestandteile sind gleich wie bei
der ersten Ausführungsform. In der ersten Ausführungsform
werden die Signale X1 und X3 der vierten Ausführungsform, das
heißt die benachbarten Signale mit einer Phasendifferenz von
180º verwendet.
a) Vorteil von Anspruch 1
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Ein arithmetischer Operationsabschnitt empfängt zwei
sinusförmige Signale A und B, die sich mit der Phase verändern,
die um 90º verschoben ist, und führt eine erste und eine
zweite arithmetische Operation jeweils unter Verwendung eines
Signals X = A/(B + α) (worin α eine Konstante ist, die B + α
≠ 0 erfüllt) und eines Signals Y = A/(B + β) (wobei β eine
Konstante ist, die B + β ≠ 0 erfüllt) durch. Wenn die
Konstanten α und β jeweils als geeignete Werte ausgewählt
werden, kann eine Sägezahnwelle, deren Pegel sich linear
verändert, mit einer einfachen Anordnung erhalten werden, während
eine Phasenveränderung von 360º auftritt. Zusätzlich kann ein
Hochgeschwindigkeitsansprechverhalten auch bei analogen
arithmetischen Operationen erzielt werden.
b) Vorteil von Anspruch 2
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Der arithmetische Operationsabschnitt führt analoge
arithmetische Operationen durch. Zusätzlich ist eine erste
arithmetische Operationseinheit zur Durchführung der ersten
arithmetischen Operation parallel zu einer zweiten arithmetischen
Operationseinheit zur Durchführung der zweiten arithmetischen
Operation geschaltet. Ein erster und ein zweiter A/D-Wandler
sind so angeordnet, daß sie die Ausgangssignale von der
ersten und der zweiten arithmetischen Operationseinheit in
digitale Signale umwandeln. Die digitalen Signale X und Y
werden mit hoher Geschwindigkeit umgeschaltet. Ein
Interpolationssignal, das eine hohe Auflösung und eine verbesserte
Ansprechgeschwindigkeit hat, das heißt Impulse, die innerhalb
des Phasenbereichs θ von 360º durch 128 geteilt werden,
können mit einer einfachen Anordnung erhalten werden.
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Zusätzlich wird auf den Speicher unter Verwendung von
digitalen Daten direkt zugegriffen, um ein Interpolationssignal
direkt auszugeben. Unter diesem Gesichtspunkt kann die
Anordnung vereinfacht werden.
C) Vorteil von Anspruch 3
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Wie bei der Anordnung von Anspruch 2 enthält der
arithmetische Operationsabschnitt ein erstes und ein zweites analoges
arithmetisches Operationselement, die zueinander parallel
geschaltet sind. Nachdem eine Schalteinheit die analogen
Ausgangssignale von der ersten und der zweiten arithmetischen
Operationseinheit umschaltet, wird eine in Form eines
digitalen Wertes ausgedrückte Sägezahnwelle von einem A/D-Wandler
ausgegeben. Obgleich die Ansprechgeschwindigkeit geringer als
bei der zweiten Ausführungsform ist, kann die Größe der
Vorrichtung kleiner als bei der zweiten Ausführungsform
ausgeführt werden, da nur ein A/D-Wandler verwendet wird.