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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Amplitudendetektierschaltung, die geeigneterweise beim Herauslösen von Amplitudenwerten aus AC-Signalen mit Jitter in den Perioden verwendbar ist, etwa für detektierte Signale aus diversen Instrumentensensoren, beispielsweise einer Berührungssignalsonde, die von einem piezoelektrischen Element angetrieben wird, einem elektrostatischen Kapazitätsabstandsensor und dergleichen.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Als ein Instrumentensensor zur Verwendung bei der Formmessung einer mechanischen Struktur ist beispielsweise eine Berührungssignalsonde, die von einem piezoelektrischen Element angetrieben wird, in der in 6 gezeigten Weise bekannt. Ein Taststift 71 besitzt einen kugelförmigen Kontakt 73, der am Ende angebracht ist, und ein Ausgleichselement 74 am hinteren Ende. Ein Taststifthalter 72 hält den Taststift 71 ungefähr in der Mitte seiner Länge. Ein piezoelektrisches Element 75 ist ungefähr in der Mitte des Taststifts 71 angebracht, um Schwingungen auf den Taststift 71 zu übertragen. Das piezoelektrische Element 75 weist eine schwingende Elektrode 75a auf, an die ein Ansteuersignal von einem Treiber 78 angelegt wird, und eine Detektierelektrode 75b, von der ein mechanisch-elektrisch konvertiertes Signal mittels des Detektors 76 erfasst wird. Der Detektor 76 koppelt ein Ausgangssignal in positiver Weise an den Treiber 78 zurück. Diese Rückkopplungssteuerung erlaubt, dass das piezoelektrische Element 75 in einem Resonanzzustand bei einer gewissen Frequenz angeregt wird. Das an der Detektierelektrode 75b erfasste Signal ist ein sinusförmiges wechselndes Signal in Form einer amplitudenmodulierten Trägerschwingung (Schwingungssignal), dessen Amplitude und Frequenz variiert, wenn der Kontakt 73 ein zu messendes Werkstück berührt. Es wird ein Signalprozessor 77 verwendet, um die Amplitude des von dem Detektor 76 erhaltenen Signals zu überwachen, um damit die Berührung zu detektieren.
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Das erfasste Signal von der Berührungssignalsonde enthält einen Jitter in der Amplitude und in der Periode, die von der Nichtlinearität des piezoelektrischen Elements, der Interferenz zwischen vielen Schwingungsmoden, die durch eine komplizierte Struktur verursacht sind, Störungen und dergleichen beeinflusst sind. Die Frequenz des detektierten Signals liegt in der Nähe der Frequenz des schwingenden sinusförmigen Signals, fluktuiert jedoch innerhalb eines gewissen Bereiches oberhalb und unterhalb der Schwingungsfrequenz. Dies ist nachteilig, wenn die Amplitude des detektierten Signals schnell oder ohne Zeitverzögerung und mit hoher Genauigkeit erfasst werden muss.
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Es kann ein bekanntes konventionelles Abtastsystem mit einer konstanten Abtastrate verwendet werden, um einen Amplitudenspitzenwert des Signals, das von der obigen Berührungssignalsonde erfasst wird, zu detektieren. Dieses Abtastsystem ist in der Lage, eine hochgenaue Detektion durchzuführen, wenn die Periode des detektierten Signals konstant ist, verursacht jedoch Fehler bei der Amplitudenwertdetektion in Reaktion auf eine Periodenschwankung des detektierten Signals, wenn also die Periode nicht konstant ist. Im Allgemeinen variiert der detektierte Wert in Abhängigkeit von der Periode der Schwingungsfrequenz.
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Es gibt ein Verfahren zur Vollweggleichrichtung eines erfassten Signals, wobei dieses anschließend durch einen Tiefpassfilter geleitet wird, um eine Brummspannung bzw. Rippel zu entfernen. Dieses Verfahren wird oft angewendet, um einen Amplitudenwert eines amplitudenmodulierten Signals zu extrahieren, aber dieses weist eine große Zeitverzögerung bei der Amplitudenextraktion aufgrund einer Zeitkonstante des Tiefpassfilters auf. Daher kann dieses Verfahren nicht bei einem Rückkoppelungssteuersystem für eine Echtzeit-Konstantwert-Steuerung eines Amplitudenwertes, der sich zeitlich ändert, verwendet werden.
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In jüngster Zeit wird in einem bemerkenswerten digitalen Verarbeitungssystem die gesamte detektierte Information schnell abgetastet, anschließend A/D-gewandelt und eine umfangreiche Menge digitaler Daten, die auf diese Weise erhalten wird, wird in einem Massenspeicher für eine spätere FFT-Analyse und Filterung gespeichert. Auf diese Weise kann das Verarbeitungssystem einen Amplitudenwert mit hoher Genauigkeit pro Periodenkomponente bzw. Zeitabschnitt des detektierten Signals erfassen, jedoch ist dies kompliziert und teuer. Ferner erfordert die FFT-Bearbeitung der großen Menge digitaler Daten eine lange Zeit. Folglich ist das obige Verarbeitungssystem lediglich für ein Audiosystem und ein instrumentelles System mit Einweginformationsübertragungscharakteristik effektiv, in denen nachbearbeitete detektierte Daten ausreichend sind. Im Gegensatz dazu ist es nicht anwendbar auf ein automatisches Kontrollsystem, das im Wesentlichen eine Echtzeitverarbeitung erfordert, um in einer Rückkopplung den Amplitudenwert, der sich zeitlich ändert in der oben beschriebenen Weise zu steuern.
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Das Dokument
US 5,922,964 betrifft eine Phasensteuerschaltung zur Steuerung des sinusförmigen Eingangssignals, um ein erstes und zweites sinus-förmiges Signal mit einem Phasenunterschied von 90° zu erzeugen. Die Phasensteuerschaltung umfasst 90°-Phasenverschiebungssteuerungen, die einen gemeinsamen Eingangsanschluß und entsprechende Signalausgangsanschlüsse aufweisen. Die Phasenverschiebungsschaltungen umfassen einen Allpassfilter zur Erzeugung des ersten und zweiten sinus-förmigen Signals.
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Das Dokument
JP 54123978 A betrifft eine Messvorrichtung, die keinen Messwandler benötigt, kostengünstiger ist und eine höhere Zuverlässigkeit aufweist, indem Trenntrafos verwendet werden. Der Abtastzeitpunkt für die Amplitude eines Signals wird dadurch bestimmt, dass der Null-Durchgangspunkt des um 90° verschobenen Signals detektiert wird.
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Überblick über die Erfindung
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Im Hinblick auf die oben dargelegte Situation besitzt die vorliegende Erfindung folglich die Aufgabe, ein Verfahren und eine Schaltung bereitzustellen, die in der Lage sind, eine Amplitude eines Wechselspannungssignals in der Form einer Sinuswelle mit Schwankungen in der Periode und Amplitude mit hoher Genauigkeit und einer geringen Zeitverzögerung zu detektieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der Ansprüche 1 und 3.
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Erfindungsgemäß kann eine Amplitude eines Wechselspannungssignals zu Abtastzeitpunkten detektiert werden, die in Reaktion auf die Periodenschwankung des Wechselspannungssignals variabel sind. Daher kann die Erfassung des Amplitudenwertes mit hoher Genauigkeit und einer geringen Zeitverzögerung ausgeführt werden, ohne von einem Jitter in der Periode des Wechselspannungssignals beeinflusst zu werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen hervor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung ist mit Hilfe der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug zu den begleitenden Zeichnung besser verstehbar. Es zeigen:
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1 eine Blockansicht, die eine Amplitudendetektierschaltung zeigt;
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2 ein Schaltbild, das Allpassfilter der Amplitudendetektierschaltung in 1 darstellt;
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3 Phasenverschiebungseigenschaften der Allpassfilter;
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4 Betriebssignalformen der Amplitudendetektierschaltung in 1;
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5 ein Blockdiagramm, das eine Amplitudendetektierschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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6 einen Aufbau einer Berührungssignalsonde.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
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Es wird zunächst vor der Beschreibung der Ausführungsformen das Prinzip der Amplitudendetektion gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Wechselspannungssignal S, das einer Amplitudenmessung unterzogen wird, ist durch eine Amplitude A, eine Periode T und eine Phase P gemäß der folgenden Gleichung (1) repräsentiert: S = Asin(2πt/T + P) (1)
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Das AC-Signal der Gleichung (1) wird durch zwei Allpassfilter mit unterschiedlichen Mittelfrequenzen zur Phasenverschiebung hindurchgeführt. Die Mittelfrequenz ist definiert als eine Frequenz, bei der eine 90° Phasenverschiebung erhalten wird. Von den beiden Allpassfiltern wird angenommen, dass diese zwei phasenverschobene Signale S1 und S2 erzeugen, die eine Phasendifferenz von 90° innerhalb eines Frequenzbereiches aufweisen, der einem Schwankungsbereich der Periode des AC-Signals entspricht. Die Signale S1 und S2 werden durch die folgenden Gleichungen (2) und (3) repräsentiert: S1 = Asin(2πt/T + P – ε(T)) (2) S2 = Asin(2πt/T + P – ε(T) – π/2) (3)
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Das phasenverschobene Signal S1 besitzt eine Phasenverzögerung von ε(T) und das phasenverschobene Signal S2 besitzt eine Phasenverzögerung von ε(T) + π/2. Die oben beschriebenen zwei Allpassfilter können primäre 180°-Phasenverschiebungselemente verwenden. Selbst wenn in diesem Falle die Periode T des AC-Signals S um etwa 10% schwankt, kann die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen S1 und S2 mit hoher Genauigkeit bei 90° gehalten werden.
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Die vorliegende Erfindung nützt die folgende Sachlage hinsichtlich der phasenverschobenen Signale S1 und S2, die aus den Gleichungen (2) und (3) erhalten werden, aus. Und zwar kann der Phasenwinkel des Signals S2 2πt/T + P – ε(T) – π/2 zu einem gewissen Zeitpunkt gleich einem gewissen Wert mπ + a werden (m bezeichnet eine positive Ganzzahl). Zu diesem Zeitpunkt sind die phasenverschobenen Signale S1 und S2 unabhängig von der Periode T und der Phase P durch die folgenden Gleichungen (4) und (5) darstellbar. S1 = Asin(π/2 + a) (4) S2 = Asin(a) (5)
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Wenn das phasenverschobene Signal S1 zu einem Zeitpunkt abgetastet wird, an dem das phasenverschobene Signal S2 den obigen Phasenwinkel aufweist, wird der abgetastete Wert gleich dem Signal S1, das durch die Gleichung (4) dargestellt ist, woraus die Amplitude A unmittelbar ableitbar ist, wenn der Wert von a bekannt ist. Der auf diese Weise erhaltene Amplitudenwert hängt nicht von der Periode T und der Phase P ab.
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Insbesondere wenn a = 0 ist, liegt der Abtastpunkt auf einem Punkt mit Amplitude 0 (Null-Durchgangspunkt) des phasenverschobenen Signals S2. Wenn daher ein Null-Durchgangspunkt in dem phasenverschobenen Signal S2 zur Erzeugung eines Abtastpulses, der zur Abtastung des phasenverschobenen Signals S1 verwendet wird, erfasst wird, kann eine Amplitudendetektion ohne Beeinflussung durch Periodenschwankungen erreicht werden.
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1 zeigt eine Amplitudendetektierschaltungsanordnung. Ein Wechselspannungssignal S stellt ein Objekt dar, dessen Amplitude zu detektieren ist. Beispielsweise ist dieses ein von einem Instrumentensensor, etwa einer Berührungssignalsonde, erfasstes Signal. Das Wechselspannungssignal S ist ein Sinussignal mit einer Periodenschwankung innerhalb eines gewissen Schwankungsbereiches und einer Amplitudenschwankung. Eine Phasenänderungsschaltung 1 ist vorgesehen, um aus dem AC-Signal S zwei phasenverschobene Signale S1 und S2 mit einer Phasendifferenz von 90° zueinander, wie dies durch die Gleichungen (2) und (3) gekennzeichnet ist, zu erzeugen. Die Phasenänderungsschaltung 1 umfasst zwei Allpassfilter 11 und 12, deren Eingangsanschlüsse verbunden sind.
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Die Allpassfilter 11, 12 sind im Stand der Technik bekannte primäre Phasenverschiebungselemente, die einen Schaltungsaufbau aufweisen, wie dies in 2 gezeigt ist. Die Allpassfilter 11, 12 bilden 180°-Phasenverschiebungselemente, die eine Phasenverzögerung von 90° jeweils an einer Mittelfrequenz f1, f2 durch jeweiliges Festigen der Zeitkonstanten (Rx1, Cx1), (Rx2, Cx2) erzeugen. 3 zeigt die Phasenverschiebungseigenschaften. Signale, die durch die Allpassfilter 11, 12 hindurchlaufen, verändern ihre Amplitude innerhalb des gesamten Frequenzbereiches nicht und zeigen lediglich eine frequenzabhängige einfache Phasenverzögerung.
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Das AC-Signal S besitzt eine fundamentale Schwingungsdauer bzw. Periode T und einen Schwankungsbereich in der Periode zwischen Tv und Tu. In einem Frequenzbereich w = 2p/Tv bis 2p/Tu, der dem Schwankungsbereich in der Periode entspricht, besitzen die Signale S1 und S2 jeweils Phasenverzögerungen von ε(T) und ε(T) + π/2. Diese Phasenverzögerungen weisen eine Differenz von π/2 auf, die konstant ist, wenn der Frequenzschwankungsbereich w = 2p/Tv bis 2p/Tu zwischen den Mittelfrequenzen f1 und f2 der beiden Allpassfilter 11 und 12 enthalten ist. Es können dann zwei genau phasenverschobene Signale S1, S2 mit einer Phasendifferenz von genau 90° innerhalb des Frequenzschwankungsbereichs erhalten werden.
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Für die beiden von den Allpassfiltern 11, 12 ausgesendeten phasenverschobenen Signale S1, S2 ist eine Abtastschaltung 2 vorgesehen, um eines dieser Signale, S1, zu einem Zeitpunkt abzutasten, wenn das andere Signal S2 einen gewissen Phasenwinkel aufweist. Insbesondere ist in dieser Ausführungsform zur Erzeugung eines Abtastpulses Sp auf Grundlage des Signals S2 ein Pulsgenerator 22 vorgesehen, um einen Null-Durchgangspunkt zu detektieren, an dem das Signal S2 eine Amplitude 0 aufweist. Ferner wird ein Vollweggleichrichter 21 verwendet, um das Signal S1 gleich zu richten. Das gleichgerichtete Ausgangssignal |S1| wird der Abtastschaltung 2 zugeführt. Somit werden Amplitudenspitzenwerte bei jeder Halbwelle des gleichgerichteten Ausgangssignals |S1| abgetastet.
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4 zeigt Signalformen zu diversen Punkten in 1. Die Abtastpulse Sp werden bei Null-Durchgangszeitpunkten tm (m = 1, 2, 3 ...) des Signals S2 erzeugt, wie dies durch jeweils einen Pfeil gekennzeichnet ist. Wie dies gezeigt ist, variiert die Abtastperiode in Abhängigkeit von der Periodenschwankung des Signals S. Somit wird jeder Abtastpuls Sp jeweils am Punkt des Amplitudenspitzenwertes des Signals S erzeugt. Folglich kann der Amplitudenspitzenwert A (tm) des gleichgerichteten Ausgangssignals |S1|, d. h. die Amplitude A des Signals S1 am Punkt a = 0 gemäß der Gleichung (4) abgetastet werden.
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Das AC-Signal S besitzt eine schwankende Periode und Amplitude. 4 zeigt Signalformen, wobei die Amplitude auf der vertikalen Achse und die Zeit auf der horizontalen Achse aufgetragen ist. Aus 4 ist zu erkennen, dass die Signale S1, S2, die durch die Allpassfilter 11, 12 hindurchlaufen, analog zu dem ursprünglichen AC-Signal S sind, aber nicht einfach verschoben, sondern vielmehr verzerrt sind. Trotzdem kann die in 3 gezeigte Beziehung erfüllt werden. Die Phasenverzögerungen ε(T) und ε(T) + π/2, die in 4 gekennzeichnet sind, sind auf der Zeitachse umgewandelte Werte.
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In der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird im Gegensatz zum konventionellen Verfahren mit konstanter Periodenabtastung die Abtastung in einem variablen Zeitintervall in Reaktion auf den Jitter in der Periode des Signals, das einer Amplitudenmessung unterzogen wird, durchgeführt. Folglich kann eine von Zeitpunkt zu Zeitpunkt veränderliche Amplitude eines Wechselspannungssignals, das einen Jitter bzw. eine Schwankung in einer Periode aufweist, in genauer Weise mit einer Verarbeitungsschaltung erfasst werden. Aus 4 ist ersichtlich, dass eine nur geringfügige Zeitverzögerung bei der Amplitudendetektion auftritt. Daher ist das Verfahren ohne Probleme für ein Kontrollsystem mit Echtzeit-Rückkopplungssteuerung eines Amplitudenwertes anwendbar.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform. Diese Ausführungsform stellt mehrere Amplitudendetektiereinheiten U1, U2, ..., Un in paralleler Weise (n kennzeichnet eine positive Ganzzahl) bereit, wobei jede Einheit die gesamte Amplitudendetektierschaltungsanordnung, die in 1 gezeigt ist, umfasst. Diese Amplitudendetektiereinheiten sind so gestaltet, dass diese derartige Relationen aufweisen, dass von den Allpassfiltern 11 in den entsprechenden Amplitudendetektiereinheiten ausgesendete phasenverschobene Signale S1 eine Phasendifferenz von 2π (= 360°)/n zueinander aufweisen. In ähnlicher Weise weisen die von den Allpassfiltern 12 in den entsprechenden Amplitudendetektiereinheiten ausgesendeten phasenverschobenen Signale S2 eine Phasendifferenz von 2π/n zueinander auf.
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Als Folge werden in den Amplitudendetektiereinheiten U1, U2, ..., Un n Amplitudenwerte A1, A2, ..., An in jeder Periode des ursprünglichen AC-Signals S abgetastet. Daher werden im Vergleich zur Verwendung einer einzelnen Amplitudendetektiereinheit Amplitudenwerte mit einem Abtastintervall von 1/n abgetastet. Wenn diese Anordnung auf das Echtzeit-Rückkopplungskontrollsystem angewendet wird, kann eine schnelle hochgenaue Amplitudensteuerung erreicht werden.
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Die in den 1 und 5 gezeigten Schaltungsanordnungen können nicht nur durch eine analoge Schaltung in einfacher Weise verwirklicht werden, sondern ebenfalls in einfacher Weise mittels digitaler Schaltungen. Das AC-Signal S wird in digitale Daten A/D-gewandelt. Unter Verwendung eines DSP (digitaler Signalprozessor) zur Allpass-Filterung und anschließenden Schaltungsverarbeitung kann ein Amplitudenwert A (tm) zur Ausgabe in einen digitalen Wert umgewandelt werden.
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Die vorliegende Erfindung kann in breiter Weise auf andere Anwendungszwecke als auf die oben beschriebene ultraschall-angetriebene Berührungssignalsonde angewendet werden. Beispielsweise kann diese auf diverse Instrumentalsensoren angewendet werden, etwa eine Mikro-Loch-Instrumentensonde zum Bereitstellen eines ähnlichen amplitudenmodulierten Signals und einen elektrostatischen Kapazitätsabstandssensor. Ferner kann die Erfindung für einen Anwendungszweck verwendet werden, der das Herauslösen variabler Amplitudenwerte aus einem AC-Trägersignal mit hin- und herschwankender Periode, etwa einer Wellenlängensteuerung für eine Laserquelle, erfordert.
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Wie aus dem Vorhergehenden offensichtlich ist, wird erfindungsgemäß ein Wechselspannungssignal, das einer Amplitudendetektion unterzogen wird, durch zwei Allpassfilter geleitet, um zwei phasenverschobene Signale mit einer hochgenauen Phasendifferenz von 90° zu erhalten. Anschließend wird eines der phasenverschobenen Signale zu einem Zeitpunkt abgetastet, an dem das andere einen gewissen anderen Phasenwert aufweist, wodurch ein Amplitudenwert ohne Einfluss von Jitter in der Periode des Wechselspannungssignals detektiert wird.
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Obwohl die mit der Erfindung konsistenten Ausführungsformen beschrieben worden sind, sind für den Fachmann weitere Ausführungsformen und Variationen gemäß dem erfindungsgemäßen Gedanken offensichtlich. Daher sollte die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen eingeschränkt gesehen werden, sondern sollte vielmehr lediglich durch den Grundgedanken und Schutzbereich der angefügten Patentansprüche beschränkt gesehen werden.