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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln einer Gerätefunktion mit einem manuell bewegbaren Bedienelement und mit einer Auswerteschaltung, die einerseits mit dem Bedienelement und andererseits mit Mitteln zum Regeln der Gerätefunktion gekoppelt ist.
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Derartige Regler werden beispielsweise zum Einstellen der Lautstärke von Radios und Stereoanlagen verwendet oder auch in Verbindung mit anderen elektronischen Geräten, wie z. B. zum Einstellen von Oszilloskopen und sonstigen Messgeräten.
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In der Praxis werden solche Regler häufig in Form von mechanischen Potentiometern realisiert. Diese bestehen üblicherweise aus einem Träger, auf dem ein Widerstandsmaterial aufgebracht ist, zwei Anschlüssen an den beiden Enden dieses Widerstandselements und einem beweglichen, auch als Schleifer bezeichneten Gleitkontakt, der den festen Gesamtwiderstand des Widerstandselements in zwei variable Teilwiderstände aufteilt.
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Derartige Potentiometer sind relativ teuer. Zudem erfordert die Integration eines mechanischen Potentiometers in ein digitales Gerät immer zunächst eine Digitalisierung der analogen Potentiometereinstellung. Aber auch in anderer Hinsicht erweist sich die Verwendung von mechanischen Potentiometern zum Regeln von Gerätefunktionen als problematisch. So sind sie funktionsbedingt Verschleiß unterworfen, da das Widerstandsmaterial auf dem Träger durch den Schleifer abgerieben wird. Außerdem sind mechanische Potentiometer nicht medienresistent, sie sind insbesondere sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit und Verschmutzung.
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Neben den voranstehend beschriebenen mechanischen Potentiometern sind aus der Praxis Tasterlösungen zum Regeln von Gerätefunktionen bekannt. Bei diesem Konzept werden der Regelung die Anzahl und/oder Dauer des Tastendrucks einer „+”-Taste oder einer „–”-Taste zugrundegelegt. Dies erweist sich aber häufig als unergonomisch. So lässt sich beispielsweise die Lautstärke eines Radios wesentlich einfacher mit Hilfe eines Drehknopfs oder eines Schiebers regeln.
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Aus der
DE 201 04 246 U1 ist eine Pedaleinrichtung zum Regeln einer Kraftfahrzeugfunktion bekannt, bei dem die Schwenkstellung eines Pedalhebels durch ein Sensorelement erfasst wird. Obwohl das in der Schrift beschriebene Sensorelement als induktive Sensoreinheit ausgeführt wird, wird auch die Möglichkeit der Verwendung einer akustisch wirkenden Sensoreinheit erwähnt, ohne diese jedoch zu konkretisieren.
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Ein derartiges akustisches Sensorelement in Form eines mikromechanischen Mikrofons ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 040 597 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Regeln von Gerätefunktionen vorgeschlagen, die sehr bedienerfreundlich ist, äußerst robust im Gebrauch und sich einfach in digitale Systeme integrieren lässt.
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Dazu ist die Lagerung des manuell bewegbaren Bedienelements so ausgestaltet, dass eine Bewegung des Bedienelements ein Bewegungsgeräusch hervorruft. Die Auswerteschaltung, die einerseits mit dem Bedienelement und andererseits mit Mitteln zum Regeln der Gerätefunktion gekoppelt ist, umfasst erfindungsgemäß mindestens ein MEMS(Micro Electro Mechanical Sensor)-Mikrofon zum Erfassen des Bewegungsgeräuschs.
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Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, die Betätigung eines entsprechend gelagerten Bedienelements akustisch, mit Hilfe eines MEMS-Mikrofons zu erfassen. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Konzepts können – angepasst an die ergonomischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung – ganz unterschiedliche Bedienelemente eingesetzt werden. Da die Bewegung des Bedienelements berührungslos erfasst wird, kann das entsprechende Bauteil, nämlich das MEMS-Mikrofon, zusammen mit der Auswerteschaltung, aber getrennt vom Bedienelement angeordnet werden. Das MEMS-Mikrofon kann also zusammen mit der Auswerteschaltung geschützt vor Umwelteinflüssen, im Innern des Gerätegehäuses angeordnet werden, während das Bedienelement mit seiner Lagerung in die Gehäusefront integriert wird. Dies wirkt sich nicht nur vorteilhaft auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus, sondern vereinfacht auch deren Herstellung und Montage an und im Gerätegehäuse.
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Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung der einzelnen Komponenten der erfindungemäßen Vorrichtung zum Regeln einer Gerätefunktion.
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So kann als Bedienelement beispielsweise ein Drehregler oder auch ein Schieberegler verwendet werden. Dreh- und Schieberegler werden bevorzugt dann eingesetzt, wenn es nicht auf die absolute Winkeleinstellung oder Schieberposition ankommt, sondern auf das Ausmaß der Dreh- bzw. Schiebebewegung des Bedienelements, wie z. B. bei der Lautstärkeregelung. Neben der besonders hohen Ergonomität von Dreh- und Schiebereglern, kann diese Art von Bedienelement auch mit einer besonders hochwertigen optischen und haptischen Anmutung ausgestattet werden.
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Wie bereits erwähnt, bestimmt die konstruktive Ausgestaltung der Lagerung des Bedienelements die Art des zu erfassenden Bewegungsgeräuschs. Besonders vielfältige akustische Möglichkeiten für das Bewegungsgeräusch ergeben sich, wenn die Lagerung des Bedienelements eine erste, feststehende Reibfläche und eine zweite, mit dem Bedienelement bewegbare Reibfläche umfasst und die beiden Reibflächen so zueinander angeordnet sind, dass die zweite Reibfläche mit der Bewegung des Bedienelements über die feststehende Reibfläche schleift. Die beiden Reibflächen können dazu einfach mit einer definierten Rauhigkeit ausgestattet werden, beispielsweise durch geeignete Materialwahl und/oder eine Oberflächenbearbeitung der Reibflächen.
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Vorteilhafterweise sind die beiden Reibflächen so beschaffen, dass sich anhand des Bewegungsgeräuschs die Bewegungsrichtung des Bedienelements erkennen lässt. Dazu können die Oberflächen der beiden Reibflächen beispielsweise so beschaffen sein, dass sich das Frequenzspektrum des Bewegungsgeräuschs mit der Bewegungsrichtung des Bedienelements verändert.
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Umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Schieberegler als Bedienelement, dann lässt sich die Bewegungsrichtung des Bedienelements auch einfach mit Hilfe des Dopplereffekts erkennen, wenn das MEMS-Mikrofon an einem Ende der Schiebestrecke angeordnet ist.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn die beiden Reibflächen so beschaffen sind, dass sich anhand des Bewegungsgeräuschs sogar die Stellung des Bedienelements abschätzen lässt. Dazu könnte beispielsweise die Größe der Berührungsfläche der beiden Reibflächen abhängig von der Stellung des Bedienelements sein.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der Lagerung des Bedienelements Rasten ausgebildet, so dass das Bedienelement bei Erreichen einer Rastenstellung spürbar einrastet. Dieses Einrasten ruft außerdem ein entsprechendes Bewegungsgeräusch hervor, beispielsweise ein „Knacken”, das leicht und eindeutig ausgewertet werden kann. Diese Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich sehr einfach über die Anzahl der Rasten für unterschiedliche Anwendungen konfigurieren, indem lediglich die Lagerung des Bedienelements mit der entsprechenden Anzahl von Rasten versehen wird. Die Auswerteschaltung mit dem MEMS-Mikrofon muss hierfür nicht verändert werden.
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Im Hinblick auf eine zuverlässige Signalerfassung durch das MEMS-Mikrofon erweist es sich als vorteilhaft, wenn die beiden Reibflächen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Resonanzraum angeordnet sind, an den das MEMS-Mikrofon akustisch gekoppelt ist. Mit Hilfe des Resonanzraums wird das zu erfassende Bewegungsgeräusch verstärkt. Zudem kann der Einfluss von Störgeräuschen auf die Signalerfassung durch die akustische Ankopplung des MEMS-Mikrofons an den Resonanzraum weitgehend reduziert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Auswerteschaltung zumindest einen nicht flüchtigen Speicher, in dem die aktuelle Einstellung der Gerätefunktion beim Abschalten des Geräts gespeichert wird. In diesem Fall kann die abgespeicherte Einstellung als Defaultwert für die Gerätefunktion beim Wiedereinschalten des Geräts verwendet werden. Eine etwaige Regelung der Gerätefunktion erfolgt dann ausgehend von diesem Defaultwert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehreglers,
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2 zeigt eine Draufsicht auf die beiden Reibflächen eines zweiten erfindungsgemäßen Drehreglers
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch eine zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehreglers und
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4 veranschaulicht die Funktion des MEMS-Mikrofons anhand eines Blockschaltbilds.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine Vorrichtung zum Regeln einer Gerätefunktion in Form eines Drehreglers 10 dargestellt, der beispielsweise zur Regelung der Lautstärke eines Radios verwendet werden könnte. Als manuell bewegbares Bedienelement umfasst der Drehregler 10 einen Drehknopf 11, der an einem Ende einer Welle 12 befestigt ist. Das andere Ende dieser Welle 12 ist mit einem inneren Gehäuseteil 13 verbunden, das drehbar in einem äußeren Gehäuseteil 14 gelagert ist. Die beiden Gehäuseteile 13 und 14 umschließen einen Resonanzraum 15. Auf der Innenseite der geschlossenen Rückwand 141 des äußeren Gehäuseteils 14 und auf der Außenseite der geöffneten Rückwand 131 des inneren Gehäuseteils 13 befindet sich jeweils ein Reibbelag 142 bzw. 132. Der Reibbelag 142 bildet eine erste, feststehende Reibfläche 142, während der Reibbelag 132 eine zweite, mit dem Drehknopf 11 bewegbare Reibfläche 132 darstellt. Diese beiden Reibflächen 142 und 132 stehen in Berührungskontakt, so dass die zweite Reibfläche 132 mit der Bewegung des Drehknopfs 11 über die feststehende Reibfläche 142 schleift. Das dabei entstehende Bewegungsgeräusch wird im Resonanzraum 15 verstärkt und mit Hilfe eines MEMS-Mikrofons 16 erfasst, das an der Außenseite der Rückwand 141 des äußeren Gehäuseteils 14 angeordnet und dadurch akustisch an den Resonanzraum 15 angekoppelt ist. Das MEMS-Mikrofon 16 ist Teil einer Auswerteschaltung, die mit Mitteln zum Regeln der Gerätefunktion gekoppelt ist, was hier allerdings nicht im Einzelnen dargestellt ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Auswerteschaltung ganz oder auch nur teilweise in das MEMS-Bauelement integriert sein kann.
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Im Falle des in 1 dargestellten Drehreglers 10 wird das Bewegungsgeräusch durch zwei in Berührungskontakt stehende, deckungsgleiche, kreisringförmige Reibflächen 142 und 132 hervorgerufen, die mit der Betätigung des Drehknopfs 11 gegeneinander verdreht werden. Die Reibflächen können beispielsweise mittels einer geeigneten Beschichtung mit einer definierten Rauhigkeit realisiert sein oder auch durch eine Oberflächenbearbeitung der Gehäuseteile 14 und 13, bei denen es sich beispielsweise um Kunststoffspritzteile handeln kann. Zur Bestimmung der Drehrichtung des Drehknopfs 11 sind die Reibflächen 142 und 132 vorteilhafterweise so beschaffen, dass je nach Drehrichtung Bewegungsgeräusche mit unterschiedlichen Frequenzspektren entstehen. In den Reibflächen 142 und 132 können alternativ oder auch zusätzlich Rasten ausgebildet sein, so dass der Drehknopf in bestimmten Winkelstellungen spürbar einrastet, was bevorzugt auch von einem entsprechenden Knacken” begleitet wird. Zum einen lässt sich diese Art von Bewegungsgeräusch besonders einfach auswerten, zum anderen vermitteln derartige Drehknöpfe dem Benutzer eine qualitativ besonders hochwertige Anmutung.
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Analog zum beschriebenen Drehregler ist auch ein Schieberegler darstellbar, die Reibflächen und Raster sind dann nicht ringförmig sondern abgerollt angeordnet.
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Mit Hilfe der in 2 dargestellten Ausgestaltung der Reibflächen 24 und 23 lässt sich neben der Drehrichtung sogar in gewissen Grenzen die Winkelstellung des Drehknopfs bestimmen. Die feststehende Reibfläche 24 erstreckt sich hier ebenfalls über den Umfang eines Kreises, wobei die Kreisringbreite der Reibfläche 24 je nach Drehrichtung stetig zu- bzw. abnimmt. Die mit dem Drehknopf bzw. der Welle 22 gekoppelte bewegbare Reibfläche 23 ist rechteckig und deckt lediglich ein relativ kleines Kreissegment der Reibfläche 24 ab. Dementsprechend sind die Berührungsfläche der beiden Reibflächen 24 und 23 und damit auch das Bewegungsgeräusch abhängig von der Drehstellung des Drehknopfs. Dies wird in 2 durch die Darstellung der Reibfläche 23 in unterschiedlichen Drehstellungen der Welle 22 veranschaulicht.
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Analog zum beschriebenen Drehregler ist auch ein Schieberegler darstellbar, die Reibflächen sind dann nicht ringförmig sondern abgerollt angeordnet.
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Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehreglers 30 sind die mechanischen Bestandteile und das akustische MEMS-Mikrofon mit der Auswerteschaltung als getrennte Einheiten realisiert, die erst beim Zusammenbau des zu bestückenden Geräts, also beispielsweise eines Autoradios, mittels einer akustischen Brücke zu einer funktionalen Einheit zusammengefügt werden.
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Der Drehknopf 31 ist hier als ein erstes Gehäuseteil realisiert, das in Form und Funktion dem inneren Gehäuseteil 13 mit der Welle 12 und dem Drehknopf 11 des in 1 dargestellten Drehreglers 10 entspricht. Das Drehknopf-Gehäuseteil 31 ist drehbar in einem weiteren Gehäuseteil 32 gelagert und umschließt mit diesem zusammen einen Resonanzraum 33. Wie im Fall des Drehreglers 10 befinden sich auf der Innenseite der geschlossenen Rückwand 321 des Gehäuseteils 32 und auf der Außenseite der geöffneten Rückwand 311 des Drehknopf-Gehäuseteils 31 Reibflächen 322 und 312 zum Erzeugen von Bewegungsgeräuschen beim Verdrehen des Drehknopf-Gehäuseteils 31.
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Das Gehäuseteil 32 ist in die Gehäusefront 34 des zu bedienenden Geräts, beispielsweise eines Autoradios, integriert, kann also im gleichen Herstellungsschritt gefertigt werden wie die Gehäusefront 34. Das bewegliche Drehknopf-Gehäuseteil 31 wird hier einfach in das Gehäuseteil 32 eingeclipst. Die dafür erforderlichen Rastnasen 35 sind ebenfalls in der Gehäusefront 34 ausgebildet. Diese Variante ist besonders kostengünstig und eignet sich deshalb gut für Volumenprodukte.
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Das MEMS-Mikrofon 35 zum Erfassen der Bewegungsgeräusche des Drehknopf-Gehäuseteils 31 ist zusammen mit der Auswerteschaltung und ggf. weiteren Elektronikkomponenten des Autoradios auf einer Platine 36 im Innern des Gerätegehäuses und getrennt von den mechanischen Bestandteilen des Drehreglers 30 angeordnet. Das MEMS-Mikrofon 35 ist hier lediglich über eine akustische Brücke 37 mit dem Resonanzraum 33 verbunden, durch den die Bewegungsgeräusche des Drehknopf-Gehäuseteils 31 verstärkt werden.
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Analog zum beschriebenen Drehregler ist auch ein Schieberegler darstellbar, der in den wesentlichen Komponenten vergleichbar aufgebaut ist.
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Die Funktion des MEMS-Mikrofons eines erfindungsgemäßen Reglers wird nachfolgend anhand des Blockschaltbildes der 4 näher erläutert.
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Die Bewegungsgeräusche des Bedienelements, also beispielsweise eines Drehknopfs oder eines Schiebers, werden mit Hilfe der Mikrofonkomponente 1 in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt, das zunächst digitalisiert wird. Dazu wird das analoge Mikrofonsignal über einen Vorverstärker 2 einem AD-Wandler 3 zugeführt. Das digitale Ausgangssignal des AD-Wandlers 3 wird nun parallel den beiden Signalverarbeitungskomponenten 4 und 5 zugeleitet. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird mit der Signalverarbeitungskomponente 4 eine Fast Fourier Transformation des digitalen Signals berechnet, um anhand des Frequenzmusters die Drehrichtung im Falle eines Drehknopfs oder die Bewegungsrichtung im Falle eines Schiebers zu erkennen. Je nach Art des Bewegungsgeräuschs kann durch entsprechende Auswertung des Frequenzmusters auch die Bewegungsgeschwindigkeit des Bedienelements ermittelt werden. Dazu können beispielsweise definierte Frequenzmuster zum Vergleich mit den jeweils ermittelten Frequenzmustern hinterlegt sein. Im Rahmen der Auswertung können auch programmierbare Vergleichs-Frequenzmuster verwendet werden.
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Die Signalverarbeitungskomponente 5 führt eine Klassifizierung der Signalamplituden durch, die beispielsweise im Falle eines Schiebereglers einer Bewegungsrichtungserkennung zugrunde gelegt werden kann.
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Des Weiteren kann im Rahmen der digitalen Signalverarbeitung bzw. Signalauswertung ein Abgleich vorgenommen werden, beispielsweise um einem bestimmten Drehwinkel eines Drehreglers ein bestimmtes digitales Inkrement zuzuordnen.
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Die in 4 dargestellte Schaltungsanordnung 40 umfasst schließlich noch einen nicht flüchtigen Speicher 7, in dem die aktuelle Einstellung der zu regelnden Gerätefunktion beim Abschalten des Geräts abgespeichert wird. Diese Einstellung kann dann beim erneuten Einschalten des Geräts als Defaultwert für die Einstellung der zu regelnden Gerätefunktion abgerufen werden.
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Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die voranstehend beschriebenen Schaltungskomponenten zur Signalverarbeitung bzw. -auswertung und Speicherung, d. h. die Komponenten 2, 3, 4, 5 und 7, in ein MEMS-Mikrofonbauelement bzw. ein der mikromechanischen Mikrofonkomponente 1 angegliedertes ASIC-Bauelement integriert. Der Zeichnungsblock 6 stellt die Ausgangspins des MEMS-Mikrofonbauelements bzw. des ASICs dar, an die ein Steuergerät (z. B. μC) zur Weiterverarbeitung der Ausgangssignale angeschlossen wird. Idealerweise kann für ein Inkrement oder ein Dekrement ein Ausgang zur Verfügung stehen, der immer dann den Digitalpegel wechselt, wenn ein Dreh- oder Schiebeschritt in der entsprechenden Richtung erkannt wurde. Diese Information kann von Ports eines μC ausgewertet werden.
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Die Ausgangssignale können aber auch auf einen Bus mit einer bestimmten Breite (z. B. 8 Bit) ausgegeben werden, um die Richtungsanzeige über eine Zweierkomplement Kodierung zu realisieren.
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Denkbar ist z. B. auch, dass ein Pin „Geschwindigkeitserkennung” digital die Dreh- oder Schiebeschritteincremente anzeigt, und die Richtungsanzeige separat über die Pins „Frequenzmuster” vorwärts und rückwärts erfolgt.