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Die vorliegende Erfindung befasst sich damit, wie die Anzahl der Oszillationen eines Oszillators in einem vorgegebenen Zeitintervall zuverlässig bestimmt werden kann und insbesondere damit, wie ein Oszillator mit einer Mehrzahl von Phasenausgängen effizient und zuverlässig ausgelesen werden kann.
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Die Bestimmung der Anzahl der Oszillationen, die einen Oszillator in einem bestimmten Zeitintervall durchgeführt hat, ist in vielen Anwendungsbereichen wichtig. Beispielsweise werden Analog/Digital-Umwandler verwendet, die einen Oszillator mit einer von einer Steuergröße, wie beispielsweise einer analogen Spannung oder einem Stromfluss, abhängige Oszillationsfrequenz aufweisen. Ein Wandlerergebnis der Analog zu Digitalwandlung (A/D Wandlung) wird dadurch erhalten, dass die Anzahl der Oszillationen des Oszillators in dem Samplezeitintervall des A/D Wandlers gezählt und als digitales Ergebnis ausgegeben wird. Dabei hängt die erzielbare Genauigkeit, also die Auflösung des A/D Wandlers von der Frequenz des Oszillators ab. Bei einem solchen Analog zur Digital Umsetzer auf Basis eines Oszillators wird allgemein gesprochen die Phasenänderung des Oszillators innerhalb einer Referenzperiode erfasst. Dabei können für die Anwendung solcher gesteuerten Oszillatoren in analog zu Digitalwandlern sowohl Oszillatoren mit einem Ausgang als auch Oszillatoren mit mehreren Ausgängen verwendet werden.
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Ein einfaches Beispiel eines solchen herkömmlichen A/D Wandlers ist in 1 dargestellt. Für das A/D-Wandlerkonzept wird ein Oszillator 2 verwendet, der einen Eingang für eine Steuergröße 4 aufweist. Der Oszillator 2 verändert seine Oszillationsfrequenz in Abhängigkeit von der Steuergröße. Zur Analog/Digitalwandlung können als Steuergröße analoge elektrische Signale verwendet werden. Beispielsweise kann die Frequenz des Oszillators 2 von der Spannung am Eingang des Oszillators abhängen oder von einem Stromfluss. Von einem Zähler 6 wird die Anzahl der Oszillationen des Oszillators 2 gezählt und in ein Register 8 übertragen. Wird das Register mit einem Referenztakt 10 ausgelesen, steht an einem Ausgang 12 des Registers nach jedem Takt die Gesamtzahl der Oszillationen als Ergebnis zur Verfügung.
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Durch Subtraktion des am Ende des vorhergehenden Referenztakts bekannten Zählerstandes wird das digitale Wandlerergebnis erhalten, das der Anzahl der Oszillationen entspricht, die während des Referenztaktes, also während der Samplezeit des Analog/Digital-Wandlers, aufgetreten sind. Das heißt, basierend auf der Phasenänderung innerhalb einer Referenzperiode kann auf die Oszillatorfrequenz und dadurch auf den Wert der Steuergröße geschlossen werden.
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Bei einer einfachen Implementierung des Zählers, bei der dieser jeden Null-Durchgang des Oszillators zählt, beträgt die maximale Auflösung 180° (Phase des Oszillators). Das heißt, bei einer hohen erforderlichen Auflösung des Wandlers muss der Oszillator mit hoher Frequenz oszillieren und der Zähler muss sogar mit der doppelten Frequenz zählen können. Hohe Oszillationsfrequenz und die Verwendung eines Zählers, der mit der hohen Frequenz arbeiten kann, führen jedoch zu einer Erhöhung des Energie- bzw. des Stromverbrauchs.
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Ferner weist ein solcher Zähler eine inhärente Ungenauigkeit von einem Zählerstand auf, da in dem Fall, in dem Referenztaktsignal und der Phasenwechsel des Oszillators näherungsweise zeitgleich auftreten, eine sichere Aussage, ob der Zähler bereits inkrementiert wurde oder nicht, nicht getroffen werden kann. Dies kann, abhängig von den Laufzeitunterschieden innerhalb der Schaltung und abhängig von Fertigungstoleranzen, bei einigen Konstellationen der Fall sein und bei anderen nicht.
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Eine alternative Ausführungsform eines Analog/Digital-Wandlers, der auf einem steuerbaren Oszillator basiert, ist in 2 gezeigt.
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Verwendet wird hier ein Oszillator 14 mit einer Mehrzahl von Ausgängen 16a–e, die im Folgenden als Phasenausgänge bezeichnet werden. Jedem der Phasenausgänge 16a–e ist ein Zähler 18a–e zugeordnet. Die Zähler werden jeweils inkrementiert, wenn an dem ihnen zugeordneten Phasenausgang eine vorbestimmte Bedingung eintritt. Dies kann beispielsweise eine spezielle Phasenlage sein oder, im Falle eines Ringoszillators, ein Nulldurchgang des Signals am Eingang des Zählers. Ein Ringoszillator, wie er in 2 verwendet werden könnte, ist beispielsweise in 6 dargestellt. Dieser wird nachfolgend in Verbindung mit einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung eingehend diskutiert werden. Der Zählerstand der Zähler 16a–e wird in eine Registerbank 20 geschrieben, die, analog zum anhand von 1 diskutierten Analog/Digital-Wandler mit dem Referenztakt betrieben wird.
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Sofern ein Oszillator verwendet wird, der an den Phasenausgängen ein der aktuellen Oszillationsphase entsprechendes Signal ausgibt, kann bei identischer Auflösung die Oszillatorfrequenz verglichen zum in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel reduziert werden. Wird ein Ringoszillator, wie in 6 gezeigt, verwendet, erfolgt zwar die Weiterleitung des Signals innerhalb des Rings mit der hohen Oszillationsfrequenz, jedoch kann in beiden Fällen ein Zähler verwendet werden, der mit einer geringeren als der Oszillatorfrequenz arbeitet. Allerdings äußert sich dies nicht zwingend in einem reduzierten Gesamtenergieverbrauch, da der reduzierte Energieverbrauch der langsameren Zähler durch die höhere Anzahl der Zähler kompensiert wird. Durch die Verwendung von mehreren Zählern kann teilweise das gleichzeitige Auftreten von Phasenwechsel und Referenzsignal durch die Informationen anderer Zähler erkannt und korrigiert werden, jedoch wird dies durch die erhöhte Anzahl von Zählern und dem damit einhergehenden erhöhten Flächenbedarf auf dem Silizium erkauft. Selbstverständlich weist die in 2 gezeigte Schaltung insgesamt eine höhere Komplexität auf als der A/D-Wandler von 1, so dass bei dem A/D-Wandler in 2 auch ein erhöhter Flächenbedarf auf dem Silizium die Folge ist.
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Wie anhand der im Vorhergehenden diskutierten A/D-Wandler ersichtlich ist, ist es bei der Auswertung der Phasenänderungen eines Oszillators innerhalb eines Intervalls wichtig, sowohl alle möglichen Phasenzustände innerhalb eines Oszillationszyklus fehlerfrei zu erfassen als auch die Anzahl der Oszillatordurchläufe zuverlässig zu bestimmen. Um die Kosten für Schaltungen, die verwendet werden, um die Oszillationen, die innerhalb eines vorbestimmten Referenzintervalls auftreten, zu minimieren, ist es daher erforderlich, effizientere, d. h. weniger Energie und weniger Siliziumfläche verbrauchende Schaltungen zur Bestimmung der Anzahl von Oszillationen zur Verfügung zu stellen. Auch integrierte Analog/Digital-Wandler, die solche Vorrichtungen verwenden, würden von den damit einhergehenden Vorrichtungen profitieren.
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Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird daher eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Messwertes für die Oszillationen eines gesteuerten Oszillators mit einer Mehrzahl von Phasenausgängen verwendet, der eine reduzierte Anzahl von Zählern aufweist, zumindest jedoch einen. Um dies zu ermöglichen, weisen die Ausführungsbeispiele der Erfindung eine Auswerteeinrichtung auf, die mit der Mehrzahl der Phasenausgänge sowie dem zumindest einen Zähler verbunden ist. Der zumindest eine Zähler ist mit einem vorbestimmten Phasenausgang des Oszillators verbindbar. Allgemein bedeutet eine reduzierte Anzahl von Zählern in dieser Anmeldung, dass die Anzahl der Zähler geringer ist als eine Mehrzahl von Phasenausgängen, die ein auszuwertender Oszillator besitzt.
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Bei jedem vollständigen Durchlauf des Oszillators wird dies von dem Zähler erfasst, der je Durchlauf einmal inkrementiert wird. Am Ende des Referenztaktes kann von der Auswerteeinrichtung ein relativer Phasenwert des Oszillators bezüglich desjenigen Phasenwertes bestimmt werden, der demjenigen Phasenausgang zugeordnet ist, an dem sich der Zähler befindet. Unter Kenntnisnahme der Anzahl der Umläufe, also des Zählerstandes und des relativen Phasenwerts kann von der Auswerteeinrichtung am Ende des Referenzintervalls ein Messwert bestimmt werden, der kennzeichnend ist für die in dem Referenzintervall aufgetretenen Oszillationen bzw. für die gesamten Oszillationen seit Beginn einer Messung.
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Gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann somit die Gesamtanzahl der Oszillationen bzw. die gesamte Phasenänderung während des Referenztaktes bestimmt werden, ohne dass an jedem der Phasenausgänge des Oszillators ein Zähler angebracht werden müsste. Dies ermöglicht eine starke Verringerung der Komplexität der Schaltung sowie eine Reduktion des Energieverbrauchs, da die Auswerteeinrichtung nur einmal an jedem Ende eines Referenztaktes eine vergleichsweise unkomplizierte Berechnung durchführen muss. Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen wird die Sicherheit der Auslese zusätzlich dadurch erhöht, dass zumindest ein weiterer Zähler bzw. ein weiteres Register vorhanden ist, um mögliche fehlerhafte Zählerstände korrigieren zu können. Diese können auftreten, wenn der Zähler unmittelbar in der Nähe eines Phasenübergangs ausgelesen wird (wenn der Referenztakt zu diesem Zeitpunkt endet).
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Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Beispiel für einen Analog/Digital-Wandler;
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2 ein weiteres Beispiel eines Analog/Digital-Wandlers;
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3 ein Ausführungsbeispiel eines Analog/Digital-Wandlers mit einem Zähler;
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Analog/Digital-Wandlers mit zumindest einem weiteren Zähler;
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines A/D-Wandlers mit einem Zähler und einem zusätzlichen Register;
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6 ein Beispiel für einen Ringoszillator, wie er in den Ausführungsbeispielen der 3 bis 5 verwendet werden kann;
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7 eine spezifische Beispielkonfiguration eines Ringoszillators zur Verwendung im Ausführungsbeispiel der 4; und
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8 ein Beispiel eines Verfahrens zur Bestimmung eines Messwerts für die in einem Referenzintervall aufgetretenen Oszillationen eines Oszillators.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Messwerts für die in einem Referenzintervall aufgetretenen Oszillationen eines Oszillators mit einer Mehrzahl von Phasenausgängen 30. Zum besseren Verständnis ist in 6 ein Ringoszillator 14, gezeigt, wie er auch in dem Beispiel von 2 Verwendung finden könnte. Die Verwendung genau eines solchen Oszillators ist für die Verwirklichung des erfindungsgemäßen Konzepts jedoch nicht erforderlich, dieses kann auch mit beliebigen anderen Oszillatoren umgesetzt werden. Der hier und im Folgenden beschriebene Oszillator dient lediglich der Illustration.
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Die Vorrichtung zur Bestimmung eines Messwerts 30 umfasst einen Zähler 32 und eine Auswerteeinrichtung 34. Der Zähler 32 ist mit einem vorbestimmten Phasenausgang 14e es Oszillators 14 verbunden und wird bei einer vorbestimmten Zustandsänderung des Phasenausgangs 14e inkrementiert. Im in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Zähler 32 mit dem Phasenausgang 14e verbunden. In alternativen Ausführungsbeispielen kann der Zähler 32 jedoch mit einem beliebigen der übrigen Phasenausgänge verbunden sein. Die vorbestimmte Zustandsänderung kann beispielsweise die Änderung eines Logikzustands von „0” auf „1” bzw. von „1” auf „0” am Phasenausgang 14e des Oszillators sein.
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Bei dem als mögliches Beispiel für einen auszulesenden Oszillator schematisch dargestellten Ringoszillator in 6 wird ein logischer Zustand (d. h. eine logische „0” oder eine logische „1”) im Oszillatortakt jeweils von einem geeigneten Speicher an dessen benachbarten Speicher übermittelt. So wird beispielsweise im ersten Takt der im ersten Speicher 40a gespeicherte Zustand, der darüber hinaus am ersten Phasenausgang 14a des Oszillators bereitgestellt wird, vom ersten Speicher 40a in den zweiten Speicher 40b übermittelt, und dort bis einer weiteren Änderung zwischengespeichert. Wie in 6 angedeutet, kann die vorbestimmte Bedingung, bei der ein Zähler, der am fünften Speicher 40e angeordnet ist, inkrementiert wird, darin bestehen, dass das Signal am Phasenausgang 14e des Speicher von „0” nach „1” wechselt. Der Wechsel von „1” auf „0” ist als alternatives Kriterium selbstverständlich ebenfalls möglich. Es wird erneut darauf hingewiesen, dass der in 6 gezeigte Oszillator lediglich eines von vielen möglichen Beispielen von Oszillatoren ist, die mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen ausgelesen werden können. Zur Vereinfachung der weiteren Diskussion und ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird jedoch auch in den folgenden Ausführungsbeispielen davon ausgegangen, dass der auszulesende Oszillator ein Ringoszillator von im 6 gezeigten Typ ist. Bedeutsam ist dabei lediglich, dass der Oszillator eine Mehrzahl von Phasenausgängen aufweist, an denen Zustandsänderungen auftreten, die geeignet detektiert werden können, um ansprechend auf eine Zustandsänderung einen Zähler zu inkrementieren. Wird im in 3 gezeigtem Ausführungsbeispiel ein Zähler, wie er in 6 gezeigt ist, verwendet, wird der Zähler 32 lediglich bei jedem zweiten Umlauf inkrementiert. Durch den Inverter 44 im Ringoszillator wird erreicht, dass sämtliche Phasenausgänge 14a bis 14e zunächst sukzessive den Wert „1” und danach sukzessive den Wert „0” annehmen. Aufgrund der Kenntnis sämtlicher Zustände an den Phasenausgängen 14a bis 14e kann die Auswerteeinrichtung 34 daher einen relativen Phasenwert des Oszillators bezüglich des Phasenausgangs 14e bestimmen, mit dem der Zähler 32 verbunden ist. Unter Verwendung des relativen Phasenwertes und des Zählerstands 32 kann von der Auswerteeinrichtung 34 ein Messwert bestimmt werden, der die gesamte Anzahl der seit Beginn der Messung stattgefunden Phasenänderungen an den Phasenausgängen 14a bis 14e widerspiegelt. Zu diesem Zweck wird der in dem Zähler 32 gespeicherte Zählerwert mit einem oszillatorspezifischen Faktor multipliziert. Im vorliegenden Fall ist der Oszillator spezifische Faktor zehn, da zehn Zustandsänderungen an den Phasenausgängen 14a–14e auftreten müssen, bis der Zähler einmal inkrementiert wird. Zu dem so erhaltenen Produkt wird der relative Phasenwert addiert, um als Messwert die Gesamtanzahl der aufgetretenen Änderungen an den Phasenausgängen des Oszillators zu erhalten.
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Durch die Subtraktion zweier aufeinander folgender Messwerte, die gemäß dem Ausführungsbeispiel in 3 bestimmt werden, wird exakt die Zahl der Oszillationen erhalten, die während der Dauer eines Referenztaktes 36 aufgetreten sind. Allgemein gesprochen bestimmt das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung einen absoluten Phasenwert sowie einen dem absoluten Phasenwert zugeordneten relativen Phasenwert, so dass durch Kombination dieser beiden Phasenwerte die Anzahl der Oszillationen fehlerfrei bestimmt werden kann.
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Somit kann ein A/D Wandler 22 implementiert werden, wenn die Vorrichtung 30 um den in 3 zunächst nur zu Illustrationszwecken dargestellten Oszillator 14 ergänzt wird.
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Der Zähler 32 umfasst in anderen Worten fortlaufend die Durchläufe des Oszillators. Am Ende einer Referenzperiode (die durch den Referenztakt 36 am Eingang der Auswerteeinrichtung 34 angegeben wird), werden alle Phasenausgänge 14a bis 14e und der aktuelle Stand des Zählers 32 erfasst. Die genaue Art der Implementierung des Zählers ist beliebig. Auch die Repräsentation der Zählerstände kann beliebig sein (beispielsweise binär, grey-code und one-hot). Auch die einzelnen Phasenregister bzw. Speicher 14a bis 14e können durch unterschiedlichste verschiedene Speicherschaltungen realisiert werden (beispielsweise Latch, Flip-Flip, Entscheiderlatch).
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Messwerts für die in einem Referenzintervall aufgetretenen Oszillationen eines Oszillators 30. Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel ist ferner geeignet, mögliche Fehler in den Zählerständen, die auftreten können, wenn der Referenztakt zeitnah zu einer Zustandsänderung an dem Phasenausgang 14e des Oszillators 14 endet, zu erkennen und zu korrigieren. Wie bereits oben angedeutet, kann ein Zählerstand am Ende des Referenztaktes möglicherweise falsch sein, wenn der Phasenausgang, an dem sich der Zähler befindet, in etwa zeitgleich zum Ende des Referenztaktes eine Zustandsänderung erfährt, sodass man nicht sicher sein kann, ob der Zähler am Ende des Referenztaktes erforderlichenfalls bereits inkrementiert wurde oder nicht. Zur Einheitlichkeit der Darstellung sind die zu den in 3 funktionsähnlichen oder identischen Komponenten der Vorrichtung in 4 mit denselben Bezugszeichen versehen, was im Übrigen auch für die gesamte Anmeldung. gilt. Zusätzlich zum Ausführungsbeispiel von 3 weist das Ausführungsbeispiel in 4 einen zweiten Zähler 42 auf, der mit dem Phasenausgang 14b des Oszillators 14 verbunden ist und bei einer zweiten vorbestimmten Zustandsänderung (also beim Wechsel von 0 auf 1 oder bei einem Wechsel von 1 nach 0) am zweiten Phasenausgang 14b inkrementiert wird.
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Der Wert des Zählers 32 wird in ein erstes Zählregister 44a und der Wert des Zählers 42 wird in ein zweites Zählregister 44b geschrieben. Die Zählerregister 44a und 44b werden mit dem Referenztakt 36 betrieben, so dass am Ende eines jeden Referenztakts die in den Zählregistern 44a und 44b gespeicherten Werte an die Auswerteeinrichtung 34 übertragen werden. Selbiges gilt für das Phasenregister 46, das die Zustände an den Phasenausgängen 14a bis 14e zwischenspeichert und diese am Ende des Referenztaktes an die Auswerteeinrichtung 34 übermittelt. Da die Zähler zu unterschiedlichen Zeiten eines kompletten Zyklus des Oszillators 14 inkrementiert werden, kann maximal einer der Zähler einen möglicherweise fehlerhaften Zählerstand aufweisen. Ein solcher kann auftreten, wenn der Referenztakt zufällig dann endet, wenn sich die vorbestimmte Zustandsänderung an dem dem Zähler zugeordneten Phasenausgang einstellt. Dann kann es aufgrund von Fertigungstoleranzen oder unterschiedlichen Leitungslängen zwischen dem Zähler und dem zuordneten Phasenausgang der Fall sein, dass der Zähler bereits inkrementiert wurde oder eben gerade nicht. Dieses Verhalten ist jedoch teilweise statistisch bedingt und somit nicht vorhersehbar.
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In einem solchen Fall kann, wie nachfolgend beschrieben, der Zählerstand des zweiten Zählers 42 dazu verwendet werden, ein fehlerfreies Ausleseergebnis zu erhalten. Mit anderen Worten wird bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel die Anzahl der Oszillatorumläufe innerhalb einer Referenzperiode mindestens durch zwei Zähler erfasst, die mit zwei unterschiedlichen Phasenausgängen des Oszillators verbunden sein können. In dem Fall, indem der erste Zähler 32 bei einer Zustandsänderung inkrementiert wird, die komplementär zu derjenigen Zustandsänderung ist, bei der der zweite Zähler 42 inkrementiert wird, können beide Zähler sogar mit dem selben Phasenausgang verbunden sein. Die Zähler erfassen fortlaufend die Umläufe des Oszillators. Am Ende einer Referenzperiode werden die Zustände aller Phasenausgänge 14a–14e und der aktuelle Stand der beiden Zähler 32 und 42 in den Registern (Phasenregister, Zählregister 1 und 2) erfasst sein.
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Anhand der gespeicherten Zustände der Phasenausgänge kann, wie nachfolgend für einige beispielhaft Konstellationen in Form einer Tabelle gezeigt, erfasst werden, ob einer der Zähler aufgrund einer Gleichzeitigkeit von Phasendurchlauf und Ende der Referenzperiode fehlerhaft sein könnte (was nicht der Fall sein muss). In diesem Fall wird der andere Zähler für die Auswertung genutzt.. Die Tatsache, dass einer der Zähler möglicherweise einen fehlerhaften Zählerstand aufweist, wird, durch das Erfüllen eines Fehlerkriteriums angezeigt. Das Fehlerkriterium kann allgemein als erfüllt gelten, wenn der relative Phasenwert, der von der Auswerteeinrichtung bezüglich des betreffenden Zählers bestimmt wird, der mit dem Oszillator erzielbaren Auflösungen spricht. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die, letzte vor Beendigung der Referenzperiode aufgetretene Zustandsänderung an einem Phasenausgang aufgetreten ist, der zu dem Phasenausgang benachbart ist, der dem betreffenden Zähler zugeordnet ist.
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Wenn für keinen der beiden Zähler das Fehlerkriterium erfüllt ist, wenn also keiner der beiden Zähler von diesem Fehler betroffen sein kann, können in naheliegender Weise beide gleichermaßen für die Auswertung benutzt werden. Um für die Anzahl der Phasenänderungen in beiden Fällen die selben Zahlen zu erhalten, sollte eine gemeinsame Basis gewählt werden. Dies kann vorliegend entweder der erste Zähler 32 oder der zweite Zähler 42 sein. Um die Zählwerte des zweiten Zählers beispielsweise auf den ersten Zähler als Referenz zu korrigieren, kann die Differenz beider Zähler während der Verarbeitung erfasst und als Korrekturfaktor gespeichert werden. Dies kann beispielsweise dann erfolgen, wenn keiner der beiden Zähler 32 oder 42 ein potentiell fehlerhaftes Ergebnis aufweisen kann. In diesem Fall kann von der Auswerteeinrichtung 34 die Differenz der beiden Zählwerte bestimmt und zur weiteren Verarbeitung gespeichert bleiben. Alternativ zur Erfassung einer solchen Differenz können auch beide Zähler am Anfang gleichzeitig zurückgesetzt werden, um eine konstante, bekannte Differenz einzustellen.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird bei den nachfolgenden Beispielen angenommen, dass der Zähler 1 (Zähler 32) als Referenz dient. Das heißt, zunächst wird Zähler 32 ausgewertet. Sollte jedoch für Zähler 32 das Fehlerkriterium erfüllt sein, wird die Auswertung, basierend auf Zähler 42 vorgenommen und das erhaltene Ergebnis daraufhin auf Zähler 32 als Referenz korrigiert. Mit anderen Worten wird also dann der korrekte Zählerstand aus dem Wert des zweiten Zählers, der Differenz zwischen den Zählern und der gespeicherten Phaseninformation berechnet. Der Absolutwert für die Anzahl der seit Beginn der Messung aufgetretenen Phasenänderungen bzw. Zustandsänderungen an den Phasenausgängen des Oszillators 14 kann somit basierend auf der aktuellen Phase und dem Zählwert des Referenzzählers bestimmt werden, wie beispielsweise auch bei dem Ausführungsbeispiel von 3. Durch den im Vorhergehenden beschriebenen Algorithmus wird von der Auswerteeinrichtung 34 die absolute Anzahl der Zustandsänderungen an den Phasenausgängen des Oszillators 14 seit Beginn der Messung bestimmt. Um die phasengenaue Erfassung der Phasenänderung während einer Referenzperiode (der Dauer eines Referenztaktes 36) zu bestimmen, wird analog wie in 3, die Differenz zwischen dem Messwert des aktuellen Takts und dem vorhergehenden Messwert gebildet.
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Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung optional ein Register 50 zum Speichern des im vorhergehenden Takt bestimmten Messwerts sowie einen Subtrahierer 52 auf, der am Ende eines jeden Takts die Differenz des aktuellen und des vorhergehenden Messwerts bestimmt.
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Dies kann, wie in 4 gezeigt, beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Register 50 vom Referenztakt 36 gesteuert wird.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das im Wesentlichen auf dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel basiert. Zur Beschreibung der Funktionalität der mit denselben Bezugszeichen gekennzeichneten Komponenten sei an dieser Stelle daher auf die Beschreibung von 4 verwiesen. In 5 ist jedoch der zweite Zähler 42 durch ein zusätzliches Speicherregister 60 ersetzt, das mit einem zweiten vorbestimmten Phasenausgang (vorliegend Phasenausgang 14b, analog zum zweiten Zähler 42 in 4) verbunden ist. Über diese Verbindung wird das Register 60 gesteuert, welches zusätzlich mit dem Zähler 32 verbunden ist, so dass der Zählerstand des Zählers 32 in das Register 60 übertragen wird, wenn am zweiten Phasenausgang 14b die vorbestimmte Bedingung erfüllt wird. Das Register 60 erhält also den Zählerstand des Zählers 32 zu einem Zeitpunkt, an dem dieser Zählerstand nicht mehr fehlerhaft sein kann, da seit dem Ereignis, dass den Zählerstand des Zählers 32 inkrementiert, genügend Zeit vergangen ist.
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Die sonstige Funktionalität des in 5 gezeigten Ausführungsbeispiels entspricht der Funktionalität von 4.
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Die Verwendung des Registers 60 führt zur weiteren Einsparung eines Zählers bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Möglichkeit, in sämtlichen Konstellationen korrekte Messwerte zu bestimmen. Durch den Einsatz und die in 5 dargestellte Beschaltung des Registers 60 kann der Energieverbrauch der Schaltung zusätzlich reduziert werden, da die Zähleranzahl bei voller Funktionalität verringert wird.
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Allen bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen ist gemein, dass der Fehlerkorrekturalgorithmus einen relativ geringen Energieverbrauch verursacht, da dieser lediglich einmal pro Referenztakt einfache numerische Operationen durchführen muss. So kann auch bei Zählern, die eine hohe Anzahl von Phasenausgängen aufweisen, die Siliziumfläche bei der Implementierung der Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Auswertung dieser Oszillatoren gering bleiben. Darüber hinaus weist derjenige Schaltungsteil, der bei der hohen Oszillatorfrequenz arbeiten muss, eine geringe Komplexität auf. Das heißt, mit den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen von Vorrichtungen zum Auswerten von Oszillatoren bzw. den dazu assoziierten Verfahren kann die Anzahl der Phasenänderungen des Oszillators fehlerfrei erfasst werden, wobei durch die Nutzung von nur einem oder einer niedrigen Anzahl von Zählern die Schaltungsgröße und der Energieverbrauch im Gegensatz zu den bislang bekannten Lösungen deutlich reduziert werden kann.
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Wie bereits anhand der Beschreibung von 3 erwähnt, zeigt 6 schematisch einen Ringoszillator, wie er als gesteuerter Oszillator Verwendung finden kann, der mittels den erfindungsgemäßen Vorrichtungen ausgelesen wird. So kann beispielsweise ein Analog/Digital-Wandler implementiert werden, bei dem eine Steuergröße diejenige Frequenz variiert, mit der die Werte von dem Speichern 40a bis 40e zu dem jeweils benachbarten Speicher weitergegeben werden.
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Bei dem in 7 gezeigten Beispiel, das nachfolgend in Verbindung mit der in 4 dargestellten Vorrichtung zur Bestimmung für die in einem Referenzintervall aufgetretenen Oszillationen des in 7 gezeigten Oszillators diskutiert wird, wird sowohl der erste Zähler 32 als auch der zweite Zähler 42 mit dem Phasenausgang 14a des Speichers 40a verbunden. Allerdings wird der Zähler 32 inkrementiert, wenn der Zustand am Phasenausgang 14a von „0” auf „1” wechselnd (steigende Flanke), wo hingegen Zähler 42 im komplementären Fall (Wechsel von „1” nach „0”) inkrementiert wird. Somit können beide Zähler nicht gleichzeitig in einer Konstellation verändert werden, in der ein potentieller Fehler auftreten kann.
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Die Phasenregister der Speicher 40a bis 40e werden jeweils durch eine 1 und eine 0 dargestellt bzw. enthalten jeweils den Wert „1” oder „0”. Die nachfolgenden Tabellen enthalten jeweils für acht beispielhafte Konstellationen des so eben beschriebenen Oszillators die für die Fehlervermeidung relevanten Informationen sowie das von der Schaltung erzeugte Ausgangssignal. Dabei enthält Tabelle 1 sowohl die den Konstellationen zugeordneten beispielhaften Zustände der einzelnen Phasenregister 14a bis 14e, sowie die Zählerstände der Zähler 32 und 42. Tabelle 2 enthält die daraus abgeleiten relativen Phasenwerte bezüglich des ersten Zählers 32 bzw. des zweiten Zählers 42. Tabelle 3 zeigt die aufgrund der Zählerstände und des relativen Phasenwerts berechneten Messwerte für beide Zähler. Tabelle 4 zeigt die Differenz des aktuellen Ausgabewerts bzw. Messwerts zu dem Vorhergehenden und somit das Wandlerergebnis einer Analog- zu Digitalwandlung bei vorgegebenem Referenztakt.
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Zur Erläuterung der Tabellen wird nachfolgend kurz die Konfiguration, die jeweils Zeile 1 der Tabellen 1 bis 4 zugrunde liegt, erläutert, da sich basierend auf dieser Erläuterung, die weiteren Konstellationen von selbst ergeben. Tabelle 1
| Takt | Phasenregister | Zählregister 1 (44a) | Zählregister 2 (44b) | Bemerkung |
| 1 | 00000 | 4 | 8 | Zähler 1 kann einen Fehler enthalten, da der Zählvorgang kurz bevor steht, es sollte Zähler 2 genutzt werden |
| 2 | 10000 | 7 | 12 | Zähler 1 kann einen Fehler enthalten, da gerade erst gezählt wurde |
| 3 | 11100 | 12 | 16 | Beide Zähler enthalten einen gültigen Wert |
| 4 | 11111 | 16 | 20 | Zähler 2 kann einen Fehler enthalten, da der Zählvorgang bevor steht |
| 5 | 01111 | 22 | 26 | Zähler 2 kann einen Fehler enthalten, da er gerade aktiv war |
| 6 | 00011 | 25 | 30 | Beide Zähler sind gültig |
| 7 | 11000 | 27 | 31 | Beide Zähler sind gültig |
| 8 | 00000 | 31 | 35 | Zähler 1 kann einen Fehler enthalten, da der Zählvorgang bevor steht |
Tabelle 2
| Phasenregister | Bezogen auf Zähler 1 (32) | Bezogen auf Zähler 2 (42) |
| 00000 | 9 | 4 |
| 10000 | 0 | 5 |
| 11000 | 1 | 6 |
| 11100 | 2 | 7 |
| 11110 | 3 | 8 |
| 11111 | 4 | 9 |
| 01111 | 5 | 0 |
| 00111 | 6 | 1 |
| 00011 | 7 | 2 |
| 00001 | 8 | 3 |
Tabelle 3
| Takt | Berechnete Phase (Zähler 1) | Berechnete Phase (Zähler 2) | Zählerdifferenz (D) (Z2 + D = Z1) | Ausgabewert |
| 1 | 4·10 + 9 = 49 | 8·10 + 4 = 84 | –45 | 39 (Zähler 1 fehlerhaft) |
| 2 | 7·10 + 0 = 70 | 12·10 + 5 = 125 | –45 | 80 (Zähler 1 fehlerhaft) |
| 3 | 12·10 + 2 = 122 | 16·10 + 7 = 167 | –45(überprüft) | 122 |
| 4 | 16·10 + 4 = 164 | 20·10 + 9 = 209 | –45 | 164 |
| 5 | 22·10 + 5 = 225 | 26·10 + 0 = 260 | –45 | 225 (Zähler 2 fehlerhaft) |
| 6 | 25·10 + 7 = 257 | 30·10 + 2 = 302 | –45(überprüft) | 257 |
| 7 | 27·10 + 1 = 271 | 31·10 + 6 = 316 | –45(überprüft) | 271 |
| 8 | 31·10 + 9 = 319 | 35·10 + 4 = 354 | –45 | 309 (Zähler 1 fehlerhaft) |
Tabelle 4:
| Takt | Ausgangssignal |
| 1 | keine Differenz möglich |
| 2 | 41 |
| 3 | 42 |
| 4 | 42 |
| 5 | 61 |
| 6 | 32 |
| 7 | 14 |
| 8 | 38 |
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Am Ende des ersten Takts (Ende der ersten Referenzperiode) wird angenommen, dass sämtliche Phasenausgänge 14a bis 14e im Zustand 0 befindlich sind. Dies bedeutet, dass im nächsten Schritt Zähler 32 (Zähler 1) von „0” auf „1” inkrementiert wird, da beim nächsten Takt der invertierte Ausgang (0) des Speichers 40e an den Eingang des ersten Speichers 40a angelegt wird, so dass der Ausgang 14a von „0” auf „1” wechselt. Dies bedeutet gleichzeitig, wie in Tabelle 2 ersichtlich, dass seit der letzten Inkrementierung des ersten Zählers 32 neun Takte vergangen sind, so dass für diese Konstellation der bezüglich des ersten Zählers 32 abgeleitete relative Phasenwert 9 beträgt. Äquivalente Überlegungen führen dazu, dass der relative Phasenwert bezüglich des zweiten Zählers 42 vier ist. Allerdings ist seit der letzten Inkrementierung des zweiten Zählers genug Zeit (vier Takte) vergangen, so dass für Zähler 42 (Zähler 2) das Fehlerkriterium nicht erfüllt sein kann, da der relative Phasenwert größer ist, als die mit dem Oszillator erzielbare Auflösung (ein Schritt). Hingegen ist für den ersten Zähler das Fehlerkriterium erfüllt, da der relative Phasenwert bezüglich des ersten Zählers der mit dem Oszillator erzielbaren Auflösung entspricht (1 Takt bzw. 1). Für die weitere Auswertung wird daher Zähler 2 verwendet.
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Wie in Tabelle 3 ersichtlich, wird der berechnete Messwert gebildet, indem der Zählerstand des zweiten Zählers 44b mit dem oszillatorspezifischen Faktor 10 (da es zwischen zwei Inkrementierungen 10 Takte benötigt) multipliziert wird, und indem zu diesem Ergebnis der relative Phasenwert bezüglich des zweiten Zählers (siehe erste Zeile von Tabelle 2, Spalte 3) addiert wird. Das so erzielte Ergebnis sind 84 Takte seit Beginn der Messung. Die Zählerdifferenz D (angegeben in Spalte 4 von Tabelle 3) gibt die der Differenz der beiden Zähler 32 und 42 an. Diese ergibt sich aus der Differenz der Zählerstände 1 und 2 zu Beginn der Messung und wird als bekannt vorausgesetzt. Da Zähler 2 das Fehlerkriterium nicht erfüllt, ergibt sich aus einer Überprüfung der ergänzend anhand von Zähler 1 berechneten Messgröße, dass der Zählerstand des Zählers 1 tatsächlich fehlerhaft ist, und Zähler 1 fälschlicherweise bereits inkrementiert wurde. Um den mittels Zähler 2 berechneten Messwert auf den Messwert von Zähler 1 als Referenz zu beziehen, wird zu dem in Spalte 3 erhaltenen Ergebnis die Zählerdifferenz (der Korrekturwert) addiert, um als endgültigen Messwert den in Spalte 5 benannten Wert von 32 Takten zu erhalten, der auf Zähler 1 als Referenz bezogen ist.
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Der in Spalte 5 angegebene Messwert gibt dabei unmittelbar die von der Vorrichtung zur Bestimmung eines Messwerts innerhalb eines Referenztakts aufgetretenen Oszillationen eines Oszillators an. Bei Einsatz in einem A/D-Wandler wird dabei bei dem soeben besprochenen ersten Takt vom Subtrahierer 52 kein Wandlerergebnis ausgegeben werden, da ein vorhergehender Messwert fehlt. Bei den weiteren Takten werden jedoch die in Tabelle 4, Spalte 2 angegebenen Wandlerergebnisse des A/D-Wandlers erzeugt und vom Subtrahierer 52 ausgegeben.
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Die übrigen Zeilen der Tabellen 1 bis 4 ergeben sich durch äquivalente Überlegungen von selbst.
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8 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Bestimmen eines Messwerts, für die in einem Referenzintervall aufgetretenen Oszillationen eines Oszillators mit einer Mehrzahl von Phasenausgängen. Dieses Verfahren weist folgende Schritte auf: In einem Zählschritt 100 wird ein Zähler, der mit einem vorbestimmten Phasenausgang des Oszillators verbunden ist, bei Auftreten einer vorbestimmten Zustandsänderung an dem Phasenausgang inkrementiert.
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Am Ende eines Referenzintervalls wird in einem Auswerteschritt 102 ein relativer Phasenwert des Oszillators bezüglich des dem vorbestimmten Phasenausgang zugeordneten Phasenwerts bestimmt.
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Im Schritt der Messwerterzeugung 104 wird unter Verwendung des Zählerstands am Ende des Referenzintervalls und unter Verwendung des relativen Phasenwerts der Messwert bestimmt, der die Anzahl der seit Beginn der Messung aufgetretenen Oszillationen eines Oszillators angibt. Um die innerhalb des Referenzintervalls aufgetretenen Oszillationen eines Oszillators zu erhalten, kann der aktuelle Messwert von dem vorhergehenden Messwert, also von dem am Ende des vorhergehenden Referenzintervall bestimmten Messwert, subtrahiert werden.
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Mit den vorliegenden Ausführungsbeispielen der Erfindung ist es somit möglich, Oszillationen eines Oszillators mit einer Mehrzahl von Phasenausgängen fehlerfrei zu zählen bzw. zu bestimmen, wobei die verwendete Siliziumfläche bzw. der verwendete Energiebedarf deutlich geringer ist als bei bislang bekannten Lösungen. Angewendet werden können solche Vorrichtungen beispielsweise in Oszillator basierten Analog/Digital- und Zeit/Digital-Umsetzern. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich in phasen- oder verzögerungsgerasterten Schaltungen.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
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Allgemein können Ausführungsbeispiele bzw. Teile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
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Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
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Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
