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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung. Das Verfahren
und die Vorrichtung werden z.B. zur Messung der
Geschwindigkeit eines Fahrzeuges über dein Boden, d.h. der
Bodengeschwindigkeit verwendet.
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Eine bekannte Technik zur Messung der Bodengeschwindigkeit
eines Fahrzeuges verwendet Querbeziehungen zwischen den
Ausgängen bzw. den Ausgangsgrößen von zwei Sensoren. Jeder
Sensor weist ein lichtempfindliches Element, z .B. einen
Fototransistor auf, das im Brennpunkt einer konvexen Linse
angeordnet ist. Die Sensoren sind in Längsrichtung des
Fahrzeuges auf Abstand voneinander angeordnet, wobei die optischen
Achsen der Linsen vertikal verlaufen. Während der Bewegung
des Fahrzeuges empfangen die Sensoren reflektiertes Licht
von dem gleichen Weg entlang dem Boden, jedoch mit einer
Zeitverzögerung zwischen der Zeit, zu der der erste Sensor
jede Stelle des Weges abbildet bzw. wahrnimmt, und der Zeit,
zu der der zweie Sensor jede Stelle des Weges abbildet bzw.
wahrnimmt. Durch Querbeziehungen zwischen den Ausgängen bzw.
Ausgangsgrößen der beiden Sensoren läßt sich die
Zeitverzögerung finden und die Bodengeschwindigkeit aus der
Zeitverzögerung und dem bekannten Abstand der Sensoren berechnen.
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Die Querbeziehung-Technik ist genau und zuverlässig und wird
nicht durch Wechsel der Höhe der Sensoren über dem Boden
berührt, wie sie z.B. durch die normale Bewegung des
Fahrzeuges in seiner Aufhängung verursacht wird. Jedoch verlangt
die Querbeziehung-Technik sehr viel Berechnung,was sie
teuer, langsam und ungeeignet für Geschwindigkeitsmessungen
an Bord eines Fahrzeuges, insbesondere für
Antiblockiergeräte macht.
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Eine weitere bekannte Technik zur Messung der
Bodengeschwindigkeit eines Fahrzeuges ist in Fig. 1 der beigefügten
Zeichnung gezeigt und umfaßt eine Linse 1, welche den Boden
oder eine Straßenoberfläche 2 auf einem Fotodetektor 3
abbildet,
und zwar durch den räumlichen Filter 4, der
unmittelbar vor dem Fotodetektor 3 angeordnet ist. Das
Ausgangssignal des Fotodetektors ist einer Sinuswelle einer
Frequenz angenähert, die der räumlichen Frequenz Fs des
räumlichen Filters 4 und der Geschwindigkeit v relativ zu der
Straßenoberfläche 2 proportional ist, vorausgesetzt, daß
die Höhe der Linse 1 über der Straßenoberfläche 2 im
wesentlichen konstant ist. Ein praktischer Nachteil dieser
Technik ist, daß die Höhe sich wesentlich ändert. Die
Proportionalitätskonstante ist gleich B/H, wobei B der Abstand
zwischen der Linse 1 und dem Filter 4 ist und H die Höhe
der Linse über der Straßenoberfläche ist. Auch muß die
Linse eine große Öffnung, z.B. einen Durchmesser von
ungefähr 30 mm haben und muß die fotoempfindliche Oberfläche
des Fotodetektors relativ groß sein, was die Verwendung
relativ teuerer Bestandteile verlangt. Die Bestandteile
müssen vor der Verwendung genau positioniert und/oder genau
kalibriert werden, was die Herstellung unbequem und teuer
macht. Eine Anwendung dieser Art ist in der DE-A-2450439
gezeigt.
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Einige dieser Nachteile sind durch die Anordnung
überwunden, die in Fig. 2 der beigefügten Zeichnung dargestellt
ist. Bei dieser Anordnung werden statt eines einzigen
großen Fotodetektors und eines gesonderten räumlichen
Filters zwei ineinandergreifende Reihen 10 von Fotodetektoren
verwendet und diese sind mit den invertierenden und
nichtinvertierenden Eingängen eines Differentialverstärkers 11
verbunden, um so die gleiche Funktion zu verwirklichen.
Jede Reihe ist mit einem Vorverstärker 12, 13 versehen, um
das Signalniveau anzuheben. Um die Geschwindigkeitsmessung
unabhängig von der Höhe zu machen, ist zwischen der Linse 1
und den Reihen 10 im Brennpunkt der Linse ein optischer
Schlitz 14 vorgesehen. Die Grundfrequenz f des rohen, d.h.
unverarbeiteten Signals Sr am Ausgang des
Differentialverstärkers 1 ist dann gegeben durch:
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f = (A/F).Fs.V,
wobei A der Abstand zwischen dem Schlitz 14 und den Reihen
10 ist, F die Brennweite der Linse 1 ist und Fs und v
weiter oben definiert sind.
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Fig. 2 stellt eine weitere mögliche signalverarbeitende
Einrichtung dar, die einen Vergleicher 15 zur Erzeugung
eines Rechtecksignal-Ausganges Ss und einen
Frequenz-Spannung-Umwandler 16 umfaßt, der ein Ausgangssignal Sv
schafft, dessen Spannung die gemessene Geschwindigkeit
wiedergibt.
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Obwohl das Vorhandensein des Schlitzes 14 die Anordnung
gemäß Fig. 2 unempfindlich gegen Änderungen der Höhe macht,
vermindert der Schlitz 14 die Menge an Licht ganz
erheblich, das von der Straßenoberfläche 2 auf die Reihen 10 von
Fotodetektoren reflektiert wird. Dies vermindert das
Signal/Störung-Verhältnis des Ausgangssignals der Reihen Stark
und verlangt wieder die Verwendung einer großen und
kostspieligen Linse 1. Ein Ausgleich für den Verlust an Licht
läßt sich schaffen, indem die Intensität der
Flächenbeleuchtung gesteigert wird, indem z.B. starke Lichtquellen
17, 18 vorgesehen werden. Dies steigert jedoch die Kosten
des Systems wesentlich und macht die Zuverlässigkeit des
Systems von der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer der
Lichtquellen abhängig. Diese Anordnung hat auch noch den
Nachteil, daß die verschiedenen Bestandteile in der genauen
Beziehung zueinander angeordnet sein müssen.
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DE-A-2342696 zeigt eine Anordnung, bei der Licht durch zwei
Sätze von Schlitzen über Spiegel auf zwei Fotodetektoren
gerichtet wird. Es ist eine Vielzahl von Lichtwegen durch
die Schlitze und Spiegel gegeben. Jeder Lichtweg erstreckt
sich durch einen Schlitz des vorderen Satzes und einen
Schlitz des zweiten Satzes und wird dann durch die ersten
und zweiten Spiegel gesteuert, bevor er einen der
Fotodetektoren erreicht.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen eine Vorrichtung zur
Geschwindigkeitsmessung, mit einer Vielzahl von
Fotodetektoren in einer Anordnung zum Empfangen von Licht von einander
folgenden Bereichen einer zusammenwirkenden Oberfläche,
wobei die Fotodetektoren in einem ersten Satz und in einem
zweiten Satz angeordnet sind und die Fotodetektoren des
erstens Stazes zum Sehen alternierender Bereiche der
zusammenwirkenden Oberfläche angeordnet sind, und mit einer
Einrichtung zur Bildung der Differenz zwischen einem
kombinierten Ausgang des ersten Satzes und Fotodetektoren und
einem kombinierten Ausgang des zweiten Satzes von
Fotodetektoren, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fotodetektoren zum Empfang von Licht angeordnet sind, das von den
einander folgenden Bereichen zu den Fotodetektoren entlang
im wesentlich parallelen Wegen verläuft.
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Es ist somit möglich, auf die große und teuere abbildende
Linse, wie sie bei vorbekannten Anordnungen verwendet wird,
zu verzichten. Eine Beleuchtung der zusammenwirkenden
Oberfläche, z.B. des Bodens, ist normalerweise notwendig; weil
keine Notwendigkeit zur Verwendung eines Schlitzes gegeben
ist, um die Geschwindigkeitsmessung unabhängig von der Höhe
zu machen, ist es jedoch nicht notwendig, die intensive
Beleuchtung zu verwenden, die bei Anordnungen der in Fig. 2
gezeigten Art nötig ist. Weil die Fotodetektoren die
Oberfläche entlang parallelen Lichtwegen sehen, haben
Änderungen der Höhe der Fotodetektoren relativ zu Oberfläche
keine Auswirkung auf die Geschwindigkeitsmessung. Die
Geschwindigkeit wird durch die Frequenz des Ausgangssignals
der differenzbildenden Einrichtung wiedergegeben und diese
Frequenz ist dem Produkt der räumlichen Frequenz der
Fotodetektoren und der Geschwindigkeit der Relativbewegung
zwischen den Fotodetektoren und der Oberfläche gleich.
Normalerweise sind die Fotodetektoren in gleichmäßig
beabstandeten Reihen zur Messung der Bewegungsgeschwindigkeit
angeordnet und in diesem Fall ist die räumliche Frequenz gleich
dem Reziproken des Abstandes zwischen benachbarten
Fotodetektoren. Es sind jedoch auch andere Konfigurationen
möglich, indem z. B. die Fotodetektoren entlang einem
Kreisbogen angeordnet sind, um Drehgeschwindigkeiten zu messen.
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Vorzugsweise spricht jeder Fotodetektor auf Licht an, das
parallel zu dem Lichtweg in einem prismatischen Strahl
verläuft. Auf diese Weise sieht jeder Fotodetektor einen
Bereich der Oberfläche, der unabhängig von der Höhe über der
Oberfläche von konstanter Gestalt und Fläche ist und der
sich nicht mit irgendeinem anderen, von einem anderen
Fotodetektor gesehenen Bereich überlappt. Das Ausgangssignal
der differenzbildenden Einrichtung ist somit vollständig
unabhängig von Änderungen in der Höhe. Dies läßt sich
erreichen, indem jeder Fotodetektor als ein
fotoempfindlicher Umwandler eingerichtet ist, der am Brennpunkt einer
Sammel-Linse angeordnet ist. Es ist jedoch in der Praxis
schwierig, die Lichtempfindlichkeit von einem Fotodetektor
auf einen prismatischen Strahl zu beschränken und die
Konvergenz oder Divergenz des Strahles kann ohne Gefährdung
der Unabhängigkeit der Geschwindigkeitsmessung von der Höhe
toleriert werden. Vorzugsweise überlappen sich die von den
Fotodetektoren gesehenen Bereiche bei keiner Höhe, die in
der Praxis voraussichtlich auftritt. Jedoch ist das nicht
wesentlich für eine korrekte Wirkungsweise und eine
Überlappung von gesehenen Bereichen ist an sich zulässig.
Es ist für die gesehenen Bereiche wesentlich, daß sie nicht
identisch sind. Das zulässige Maß an Überlappung hängt von
der besonderen Konfiguration der Vorrichtung, der
Oberfläche und anderen Faktoren ab und läßt sich für die
jeweiligen Verhältnisse liecht feststellen.
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Vorzugsweise ist vor jedem Fotodetektor ein optischer
Schlitz angeordnet. Solche Schlitze sind eine brauchbare
Hilfe zur Begrenzung des Strahls des Fotodetektors und
brauchen jedoch nicht so klein zu sein, daß sie die Menge
an empfangenem Licht wesentlich beschränken und daß sie
besondere Maßnahmen erforderlich machen, um eine ausreichende
Beleuchtung der Oberfläche zu schaffen.
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Um unerwünschte, durch Seitenlappen der räumlichen
Filterung verursachte Signalkomponenten im Ausgangssignal der
differenzbildenden Einrichtung zu vermeiden, werden die
individuellen Beiträge bzw. Abgaben durch die
Fotodetektoren auf die kombinierten Ausgänge so gewichtet, daß die
Abgaben zu den mittleren Fotodetektoren relativ zu den
endseitigen Fotodetektoren betont werden. Dies läßt sich, wenn
optische Schlitze vorgesehen sind, erreichen, indem die
Schlitze der mittleren Fotodetektoren weiter bzw. breiter
gemacht werden als die Schlitze der endseitigen
Fotodetektoren. Bei einer anderen Ausführungsform ist dies erreicht,
indem eine grössere Verstärkung auf die Ausgangssignale der
mittlere Fotodetektoren angewendet wird als auf die der
endseitigen Fotodetektoren.
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Die differenzbildende Einrichtung umfaßt vorzugsweise einen
Differentialverstärker. Der Ausgang des
Differentialverstärkers ist vorzugsweise mit dem Eingang eines
Bandpaßfilters verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang eines
Vergleichers verbunden ist. Eine solche Signalverarbeitung
ergibt rechtwinkelige Wellen bzw. Rechtecksignale, die für
ein Zählen oder eine andere Verarbeitung bequem sind. Ein
Frequenz-Spannung-Umwandler wird an den Ausgang des
Vergleichers angeschlossen, um ein Signal zu schaffen, dessen
Niveau der Geschwindigkeit proportional ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter
Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt
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Fig. 1 und 2 jeweils schematisch eine vorbekannte
Vorrichtung zur Geschwindkeitsmessung,
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Fig. 3 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Geschwindigkeitsmessung und
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Fig. 4a und 4b jeweils einen Schaltkreis als Teil der
Vorrichtung gemäß Fig. 3.
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Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung ist dazu bestimmt, die
Bodengeschwindigkeit eines Fahrzeuges zu messen, z.B. bei
Antigleit- bzw. Antiblockier-Bremssystemen oder bei
Anwendungen einer Wegstreckenführung. Es ist ein Boden 20
vorgesehen und ein Fahrzeug mit einer durch einen Pfeil
angegebenen Geschwindigkeit v vorgesehen.
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Die Vorrichtung umfaßt einen Kasten 21, dessen untere Seite
mit einer Vielzahl von Schlitzen 22 versehen ist, die sich
quer zur Bewegungsrichtung des Fahrzeuges erstrecken.
Abgesehen von den Schlitzen 22 ist der Kasten lichtdicht. Hinter
jedem der Schlitze 22 ist ein Fotodetektor angeordnet, der
eine Sammel-Linse 23 und einen Fototransistor 24 aufweist,
der am Brennpunkt der Sammel-Linse 23 angeordnet ist. Bei
der bevorzugten Ausführungsform sind zehn Fotodetektoren
vorgesehen, von denen jedoch der Klarheit wegen in Fig. 3
nur sechs gezeigt sind. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform ist jeder der Fototransistoren 24 und jede der Linsen
23 durch ein Gerät der Typennummer OP843 gebildet, das auf
dem Markt zugänglich ist. Die Linse 23 ist einstückig aus
Kunststoff und der lichtempfindliche Bereich des
Fototransistors 24 ist am Brennpunkt angeordnet.
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Die Fotodetektoren sind in einer linearen Reihe angeordnet,
die sich parallel zur Bewegungsrichtung des Fahrzeuges
erstreckt. Die Fotodetektoren und die Schlitze 22 haben einen
gleichmäßigen Abstand voneinander und ein Abstand von 8 mm
hat sich als zufriedenstellend erwiesen. Die Weiten bzw.
Breiten der Schlitze 22 liegen zwischen 1 und 5 mm und sind
z.B. alle gleich. Um jedoch die Wirkungen der Gleitlappen
des räumlichen Filters, das durch die Schlitze und die
Fotodetektoren gebildet ist, zu entfernen, ändern sich die
Weiten der Schlitze von einem Minimalwert der Schlitze an
den beiden Enden der Reihe zu einem Maximalwert der Schlitze
in der Mitte. Zum Beispiel haben im Fall von zehn
Fotodetektoren das innere Paar von Schlitzen eine Weite von 5
mm, der nächste Schlitz in jeder Richtung eine Weite von 4
mm usw.,so daß der Schlitz an jedem Ende eine Weite von 1 mm
hat.
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Die Fotodetektoren sind so angeordnet, daß die optischen
Achsen der Linsen 23 zueinander parallel sind und sich
vertikal abwärts erstrecken, wenn die Vorrichtung im Fahrzeug
angebracht ist. Wegen der Größe der empfindlichen Bereiche
der Fototransistoren 24, reagieren die Fotodetektoren nicht
nur auf Licht, das parallel zu den optischen Achsen
verläuft, sondern auch auf Licht, das entlang konvergierenden
Wegen innerhalb eines Strahls verläuft, wie es durch die
"Lichtkonen" 25 angedeutet ist. Das Ausmaß jedes Strahls
ist nur durch das optische System definiert, das den
Schlitz 22 und die Linsen 25 vor jedem Fototransistor 24
umfaßt. Die Anordnung ist derart, daß für alle Höhen der
unteren Fläche des Licht-Kastens 21 über dem Boden 20, die
gewöhnlich in der Praxis, d.h. im Rahmen des Ausmaßes der
vertikalen Bewegung des Fahrzeuges an seiner Aufhängung
auftreten, die Fotoelektroden sich nicht überlappende
Gebiete bzw. Bereiche der Bodenfläche sehen, die gleichmäßig
beabstandet sind und einander in Bewegungsrichtung des
Fahrzeuges folgen.
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Die Fotodetektoren sind in zwei Sätzen angeordnet, deren
erster an einen Vorverstärker 26 und deren zweiter an einen
Vorverstärker 27 angeschlossen ist. Der erste Satz von
Fotodetektoren umfaßt abwechselnde Fotodetektoren in
Bewegungsrichtung des Fahrzeuges und der zweite Satz umfaßt die
übrigen Fotodetektoren, die daher mit den Fotodetektoren
des ersten Satzes abwechseln.
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Die Ausgänge der Verstärker 26 und 27 sind an invertierende
und nicht-invertierende Eingänge eines
Differentialverstärkers 28 angeschlossen, dessen Ausgang ein Signal ähnlich
einer Sinuswelle erzeugt, wenn die Vorrichtung in Gebrauch
ist und das Fahrzeug in Bewegung ist. Dieses Signal wird in
einem Bandpaßfilter 29 gefiltert, dessen Ausgangssignal
einem Vergleicher 30 zugeführt wird, der ein
rechtwinkeliges bzw. Rechteckwellen-Ausgangssignal erzeugt. Das
Ausgangssignal
des Vergleichers 30 wird einem
Frequenz-Spannung-Umwandler 31 zugeführt. Der Ausgang des Vergleichers 30
wird für Zählwecke genützt, z.B. um eine digitale Anzeige
der Geschwindigkeit zu schaffen, und der Ausgang des
Umwandlers 31 wird zum Betrieb einer analogen Spannungsanzeige
genutzt.
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Die Anordnung der Fotodetektoren vermeidet die Notwendigkeit
teuerer optischer Systeme und ist bezüglich der Herstellung
nicht bedenklich. Die mit den Fototransistoren einheitlichen
Linsen 23 genügen zusammen mit den Schlitzen 22, um die
Strahlen der Fotodetektoren zu bestimmen, und es ist nur
notwendig sicherzustellen, daß die Fotodetektoren so
angeordnet sind, daß sie vertikal abwärts durch den
entsprechenden Schlitz 22 sehen. Diese Anordnung läßt sich leicht und
billig herstellen, da die Fotodetektoren relativ billige
Standardkomponenten sind. Die wirksamen Öffnungen der
Fotodetektoren sind relativ groß und es besteht, obwohl
normalerweise eine Bodenbeleuchtung nötig ist, keine
Notwendigkeit zu besonderen Einrichtungen, um eine intensive
Beeuchtung der Bodenoberfläche zu schaffen.
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Fig. 4a verdeutlicht die Fototransistoren 24 und die
Vorverstärker 26 und 27. Die Kollektoren der Fototransistoren des
ersten Satzes sind an einen Anschluß 40 angeschlossen, um
eine positive Versorgungsspannung zu erhalten. Die Emitter
der Fototransistoren 24 sind miteinander verbunden und über
einen Lastwiderstand 41 an eine gemeinsame
Versorgungsleitung angeschlossen, die in der Zeichnung als
Bodenverbindung gezeigt ist. Die Emitter der Fototransistoren
sind auch an den nicht-invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers angeschlossen, der den Vorverstärker 26
bildet und der als eine Verstärkungs-Trennstufe-Einheit
angeordnet ist, wobei deren Ausgang an den invertierenden
Eingang angeschlossen ist. Der zweite Satz von
Fototransistoren ist mit einem Lastwiderstand 42 versehen und diese
Transistoren und der Vorverstärker 27 sind in der gleichen
Weise verbunden wie bei dem ersten Satz von
Fototransistoren.
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Die Ausgänge der Vorverstärker 26 und 27 sind an die
invertierenden bzw. nicht-invertierenden Eingänge des
Differentialverstärkers 28 angeschlossen, wie es in Fig. 4b
gezeigt ist. Der Differentialverstärker umfaßt einen
Operationsverstärker 50, Widerstände 51 bis 54 und Kondensatoren
55 und 56.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers 50 ist an den
Bandpaßfilter 29 angeschlossen. Der Bandpaßfilter 29 umfaßt
einen Operationsverstärker 60, dessen nicht-invertierender
Eingang an die gemeinsame Versorgungsleitung angeschlossen
ist und dessen invertierender Eingang über eine
Reihenschaltung eines Kondensators 61 und eines Widerstandes 63
an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen ist
und durch eine Parallelschaltung eines Widerstandes 62 und
eines Kondensators 64 an den Ausgang des
Operationsverstärkers angeschlossen ist.
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Der Vergleicher 30 umfaßt einen integrierten Vergleicher-
Schaltkreis 65, dessen invertierender Eingang an den
Ausgang des Bandpaßfilters 29 angeschlossen ist. Der Ausgang
des integrierten Schaltkreises 65 ist über einen
Lastwiderstand 66 an die positive Versorgungslinie und über eine
Serienschaltung von Widerständen 67 und 68 an die
gemeinsame Versorgungsleitung angeschlossen. Der
nicht-invertierende Eingang ist an die Verbindungsstelle zwischen den
Widerständen 67 und 68 angeschlossen und diese Einrichtung
schafft einige Hysterese in der Wirkung des Vergleichers,
was die Stabilität der Operation sichert.
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Es gibt zwei mögliche Ausgangseinrichtungen, die von der
jeweils gewünschten Wirkungsweise abhängen. In einem Fall
ist die Vorrichtung dazu gedacht, ein Impulssignal zu
erzeugen, z.B. für Zählzwecke, um eine digitale Anzeige der
Geschwindigkeit zu erzeugen; dann ist der Ausgang von dem
Vergleicher 30 an einen nicht gezeigten Frequenzzähler
angeschlossen. In einem alternativen Fall oder zusätzlich ist
die Vorrichtung dazu gedacht, ein Signal zu erzeugen,
dessen Spannung der Höhe der Geschwindigkeit entspricht, z.B.
um eine analoge Anzeige zu erzeugen; dann ist der Ausgang
des Vergleichers 30 an den Frequenz-Spannung-Umwandler
angeschlossen, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.