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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Analog/Digital-Wandlers, eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Gerät zum Wandeln eines analogen Pegels in einen digitalen Wert mit der Steuervorrichtung.
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Aus der
DE 698 17 443 T2 ein Analog/Digital-Wandler, der eingerichtet ist, innerhalb eines Referenzbereichs mit einer Anzahl von zueinander beabstandeten Quantisierungsstufen den analogen Pegel einer Eingangsspannung durch Abbildung auf eine der Quantisierungsstufen in einen digitalen Wert für die Eingangsspannung umzuwandeln, wobei der Abstand der Quantisierungsstufen im Referenzbereich durch eine Referenzspannung vorgegeben wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung bekannten Analog/Digital-Wandler zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Analog/Digital-Wandlers, der eingerichtet ist, innerhalb einer Anzahl von zueinander beabstandeten Quantisierungsstufen den analogen Pegel einer Eingangsspannung durch Abbildung auf eine der Quantisierungsstufen in einen digitalen Wert für die Eingangsspannung umzuwandeln, wobei der Abstand der Quantisierungsstufen im Referenzbereich durch eine Referenzspannung vorgegeben wird, den Schritt Variieren der Referenzspannung in Abhängigkeit eines den Pegel der Eingangsspannung beschreibenden Merkmals.
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Dem angegebenen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass insbesondere bei Messsignalen eine hohe Auflösung, das heißt eine Quantisierung basierend auf sehr nah beieinander liegenden Quantisierungsstufen, nur bei Eingangssignalen mit einem kleinen Pegel notwendig ist. Die Auflösung, das heißt der Abstand der einzelnen Quantisierungsstufen zueinander, ist in einem Analog/Digital-Wandler jedoch über den gesamten Pegelbereich des zu wandelnden analogen Signals konstant. Aus diesem Grund ist die Auswahl eines Analog/Digital-Wandlers immer ein Kompromiss zwischen der notwendigen Auflösung auf der einen Seite und der Wirtschaftlichkeit auf der anderen Seite. Weitere Anforderungen an den Analog/Digital-Wandler, wie seine Grenzfrequenz können die Auswahl und Kompromissfindung weiter erschweren.
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Aus diesem Grund wird im Rahmen des vorliegenden Verfahrens vorgeschlagen, die Referenzspannung, die letztendlich den Abstand der einzelnen Quantisierungsstufen zueinander bestimmt, variabel auszugestalten. Auf diese Weise könnte die Referenzspannung im Bereich kleinerer Pegel der zu wandelnden analogen Eingangsspannung kleiner gewählt werden als im Bereich größerer Pegel, so dass im Bereich der kleineren Pegel der zu wandelnden Eingangsspannung eine höhere Auflösung zur Verfügung steht, als im Bereich der größeren Pegel. Die oben genannte Kompromissfindung wäre dann hinfällig oder zumindest deutlich einfacher.
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In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens wird die Referenzspannung verkleinert wird, wenn der Pegel der Eingangsspannung unter einen vorbestimmten Grenzwert fällt. Auf diese Weise lässt sich im Kleinsignalbereich des Eingangssignals eine Messbereichserweiterung von mehreren Bit erreichen, die nicht unbedingt linear sein muss.
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In einer anderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens ist das den Pegel der Eingangsspannung beschreibende Merkmal vom digitalen Wert für die Eingangsspannung abhängig, so dass die variierte Referenzspannung letztendlich von einer Rückführung des digitalen Wertes für die Eingangsspannung abhängig ist. Dieser Weiterbildung liegt die Überlegung zugrunde, dass ein aktuell auf eine Quantisierungsstufe abzubildender Pegel der Eingangsspannung nicht bekannt ist. Das Merkmal für die Variation der Referenzspannung braucht jedoch eine Information darüber, wie groß dieser Pegel ist, damit die richtige Referenzspannung eingestellt wird. Weil aber der Pegel der Eingangsspannung nicht beliebig springen kann, ist es Idee der Weiterbildung einen älteren, zeitlich vor dem aktuell zu wandelnden digitalen Wert liegenden digitalen Wert zur Bestimmung des Merkmals für die Variation der Referenzspannung zu verwenden.
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Anstelle der Rückführung des digitalen Wertes für die Eingangsspannung könnte zur Bestimmung des Merkmals auch der Pegel der Eingangsspannung verwendet werden, der aktuell in einen digitalen Wert umgesetzt werden soll.
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Beispielsweise kann das vom digitalen Wert für die Eingangsspannung abhängige Merkmal in einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens ein in einen analogen Referenzpegel umgewandelter und vom digitalen Wert abhängiger Referenzwert sein, wobei der Referenzpegel an einen die Referenzspannung definierenden Referenzspannungseingang des Analog/Digital-Wandlers angelegt werden könnte.
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In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens wird der Referenzwert basierend auf einem Digital/Analog-Wandler oder einer Pulsweiten-Modulation in den Referenzpegel umgewandelt.
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Eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit, das oben genannte Problem hinsichtlich des nicht bekannten zu wandelnden digitalen Wertes zu begegnen wäre, dass das den Pegel der Eingangsspannung beschreibende Merkmal ein Schätzwert für einen erwarteten Verlauf des analogen Pegels der Eingangsspannung ist. Hierbei könnte der Schätzwert beispielsweise durch eine Extrapolation basierend auf bereits vorhandenen digitalen Werten für die Eingangsspannung bestimmt werden.
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In einer noch anderen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Kalibrieren der Referenzspannung basierend auf einer Kalibrierspannung. Die Kalibrierung könnte beispielsweise in vorbestimmten zeitlichen Abständen oder auch zu vorbestimmten Ereignissen durchgeführt werden. Durch die Kalibrierspannung ist zuverlässiger Bezug für die Analog/Digital-Wandlung vorhanden, der unabhängig von der Variation der Referenzspannung immer auf einem bekannten Wert gehalten werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Steuervorrichtung eingerichtet, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
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In einer Weiterbildung der angegebenen Steuervorrichtung weist die angegebene Vorrichtung einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist das angegebene Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Programmcodemittel, um alle Schritte eines der angegebenen Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer der angegebenen Vorrichtungen ausgeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Computerprogrammprodukt einen Programmcode, der auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, eines der angegebenen Verfahren durchführt.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Gerät zum Wandeln eines analogen Pegels in einen digitalen Wert einen Analog/Digital-Wandler, der eingerichtet ist, innerhalb eines Referenzbereich mit einer Anzahl von zueinander beabstandeten Quantisierungsstufen den analogen Pegel durch Abbildung auf eine der Quantisierungsstufen in den digitalen Wert umzuwandeln und eine der angegebenen Steuervorrichtungen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Sensor zum Ausgeben eines von einer zu erfassenden physikalischen Größe abhängigen Sensorsignals ein angegebenes Gerät zum Wandeln eines analogen Pegels des Sensorsignals in einen digitalen Wert für den analogen Pegel des Sensorsignals.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs mit einer Fahrdynamikregelung,
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2 eine Schaltung eines Geräts zum Wandeln eines analogen Pegels in einen digitalen Wert,
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3 eine Übertragungskennlinie eines Analog/Digital-Wandlers,
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4 eine Übertragungskennlinie eines Geräts zum Wandeln eines analogen Pegels in einen digitalen Wert, und
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5 eine Schaltung eines weiteren Geräts zum Wandeln eines analogen Pegels in einen digitalen Wert zeigen.
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In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine Draufsicht auf ein Fahrzeug 2 zeigt.
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Das Fahrzeug 2 weist ein Chassis 4 auf, das in einer an sich bekannten Weise auf einer nicht näher gezeigten Straße auf Rädern 6 getragen wird.
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An jedem Rad 6 ist in der vorliegenden Ausführung ein Encoders 8 angeordnet, in dessen axialer Nähe sich jeweils ein Raddrehzahlsensor 10 befindet, der eine Raddrehzahl des jeweiligen Rades 6 misst und in einem Sensorsignal 12 an eine Fahrdynamikregelung 14 ausgibt.
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Das Sensorsignal 12 wird in der vorliegenden Ausführung über einen Datenbus 13, wie beispielsweise einen CAN-Bus übertragen. Dazu ist das Sensorsignal 12 digitales Signal, das zunächst mit einem am Raddrehzahlsensor 10 angeordneten Gerät 15 zum Wandeln eines die Raddrehzahl enthaltenden Analogsignals in das digitale Sensorsignal 12 basierend auf der erfassten Raddrehzahl erzeugt werden muss. Darauf wird an späterer Stelle näher eingegangen.
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Die Fahrdynamikregelung 14 empfängt für jedes Rad 6 das digitale Sensorsignal 12 mit der entsprechenden Raddrehzahl aus den Raddrehzahlsensoren 10 als Istwerte, bestimmt daraus in einer an sich bekannten Weise eine aktuell gefahrene Isttrajektorie des Fahrzeuges 2 und stellt diese einer gewünschten Solltrajektorie, gegenüber. Tritt beispielsweise durch ein Untersteuern oder Übersteuern des Fahrzeuges 2 eine Differenz zwischen der Isttrajektorie und der Solltrajektorie auf, kann die Fahrdynamikregelung 14 das Fahrzeug 2 mittels Stelleingriffen über Stellglieder wie beispielsweise nicht weiter gezeigte Bremsen auf die Solltrajektorie zurückführen.
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Es wird auf 2 Bezug genommen, die das Gerät 15 zum Wandeln eines in 4 gezeigten analogen Pegels 36 für die Raddrehzahl in einen in 4 gezeigten digitalen Wert 54 für das digitale Sensorsignal 12 zeigt.
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Das Gerät 15 weist in der vorliegenden Ausführung einen Analog/Digital-Wandler 16, nachstehend ADC 16 genannt, auf, der aus einem der Raddrehzahlsensoren 10 als Signalquelle ein analoges Messsignal in Form eines die oben genannte Raddrehzahl enthaltenden Raddrehzahlsignals 18, empfängt, und der basierend darauf ein digitales Zwischensignal 20 an eine Steuervorrichtung 22 ausgibt. Die Steuervorrichtung 22 erzeugt in einer noch zu beschreibenden Weise basierend auf dem Zwischensignal 20 in einer noch zu beschreibenden Weise das digitale Sensorsignal 12 und gibt es an den Datenbus 13 zur Übertragung an die Fahrdynamikregelung 14 aus.
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Das analoge Raddrehzahlsignal 18, das dem ADC 16 zugeführt wird, ist für den ADC 16 größenlos. Zur Erzeugung des digitalen Zwischensignals 20 benötigt der ADC 16 daher in an sich bekannter Weise eine Bezugsgröße, die dem ADC 16 in Form einer analogen Referenzspannung 24 an einem Referenzeingang 25 bereitgestellt wird. Diese analoge Referenzspannung 24 wird in der vorliegenden Ausführung als digitale Referenzspannung 26 von der Steuervorrichtung 22 ausgegeben, über einen Digital/Analog-Wandler 28, nachstehend DAC 28 genannt, erzeugt und an den ADC 16 angelegt.
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In der vorliegenden Ausführung wird dann aus dem digitalen Zwischensignal 20 in der Steuervorrichtung 22 das eigentliche digitale Sensorsignal 12 erstellt, das dann über eine Busschnittstelle 30 in den Datenbus 13 eingespeist wird.
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Es wird auf 3 und 4 Bezug genommen, die entsprechend eine Übertragungskennlinie 32 des ADC 16 und eine sich ergebende Übertragungskennlinie 34 des Geräts 15 zeigen.
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Anhand der Übertragungskennlinie 32 soll die Funktion des ADC 16 der 2 verdeutlicht werden.
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Die Übertragungskennlinie 32 stellt dar, in welcher Weise ein Pegel 36 des analogen Raddrehzahlsignals 18 auf einen digitalen Zwischenwert 38 des digitalen Zwischensignals 20 abgebildet wird. Im Einzelnen werden die Pegel 36 des Sensorsignals 12 in Pegelbereiche 40 unterteilt. Jedem einzelnen Pegelbereich 40 wird eine Quantisierungsstufe 42 des digitalen Zwischensignals 20 zugeordnet. Ein bestimmter Pegel 36 des analogen Raddrehzahlsignals 18 wird daher auf die Quantisierungsstufe 42 des digitalen Zwischensignals 20 abgebildet, in dessen zugeordneten Pegelbereich 40 er fällt.
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Intern benötigt der ADC 16 zur Abbildung der Pegel 36 des analogen Raddrehzahlsignals 18 auf die Quantisierungsstufen 42 des digitalen Zwischensignals 20 die analoge Referenzspannung 24, die der ADC 16 mit dem Pegel 36 des analogen Raddrehzahlsignals 18 vergleicht. Abhängig davon, wie groß der jeweilige Pegel 36 des Raddrehzahlsignals 18 gegenüber der analogen Referenzspannung 24 ist, wird bestimmt, in welchen Pegelbereich 40 der jeweilige Pegel 36 fällt und auf welche Quantisierungsstufe 42 er damit abzubilden ist. Die analoge Referenzspannung 24 daher einen Referenzpegel 44 auf, der mit dem bestimmten Pegel 36 des Raddrehzahlsignals 18 verglichen werden kann. Pegel 36 des Raddrehzahlsignals 18, die oberhalb des Referenzpegels 44 liegen, können beispielsweise per se auf die höchste Quantisierungsstufe 42 des digitalen Zwischensignals 20 abgebildet werden.
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Applikationsabhängig können Messsignale, wie das Raddrehzahlsignal 18, in einem in 4 dargestellten Kleinsignalbereich 46 mit einer höheren digitalen Auflösung, das heißt mit einem geringeren Abstand der einzelnen Quantisierungsstufen 42 zueinander, notwendig sein, als sie durch den ADC 16 bereitgestellt wird. Um hier die Verwendung eines teureren ADCs mit entsprechend mehr und damit geringer beabstandeten Quantisierungsstufen 42 zu vermeiden, senkt die Steuervorrichtung 22 in der bereits genannten Weise die analoge Referenzspannung 24 auf einen Kleinsignalreferenzpegel 47, wenn die Pegel 36 des analogen Raddrehzahlsignals 18 im Kleinsignalbereich 46 erfasst werden.
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Auf diese Weise kann für das gesamte Gerät 15 mit dem ADC 16 und der Steuervorrichtung 22 eine Übertragungskennlinie 48 geschaffen werden, die im Kleinsignalbereich 46 eine größere Auflösung besitzt, als im restlichen Großsignalbereich. Um in 4 die Pegelbereiche im Kleinsignalbereich 46 von den restlichen Pegelbereichen 40 zu unterscheiden, wurden diese mit dem Bezugszeichen 50 versehen. Entsprechend wurden die dem Kleinsignalbereich 46 zugeordneten Quantisierungsstufen mit dem Bezugszeichen 52 versehen.
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Aus den digitalen Zwischenwerten 38 des digitalen Zwischensignals 20 kann jedoch nicht erkannt werden, ob sich diese Werte auf den Großsignalbereich oder den Kleinsignalbereich 46 beziehen. Diese Information muss in der Steuervorrichtung 22 noch ergänzt werden. Entweder sendet die Steuervorrichtung 22 in dem digitalen Sensorsignal 12 die digitalen Zwischenwerte 38 des digitale Zwischensignals 20 gemeinsam mit dem Referenzpegel 44, 47, auf die sich diese digitalen Zwischenwerte 38 beziehen oder es wandelt die digitalen Zwischenwerte 38 des digitale Zwischensignals 20 direkt in digitale Sensorwerte 54 für das digitale Sensorsignal 12 um, aus denen der Pegel 36 des Raddrehzahlsignals 18, auf die sich der digitale Sensorwert 54 beziehen soll unmittelbar ersichtlich ist. In der vorliegenden Ausführung ist der zweitgenannte Fall in der Steuervorrichtung 22 umgesetzt, so dass sich die digitalen Sensorwerten 54 des digitalen Sensorsignals 12 basierend auf den Pegeln des analogen Raddrehzahlsignals 18 basierend auf der in 4 gezeigten Übertragungskennlinie 48 ergeben.
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Um zu bestimmen, ob ein Pegel 36 des analogen Raddrehzahlsignals 18 im Kleinsignalbereich 46 oder im Großsignalbereich in einen digitalen Wert 54 umgewandelt werden soll, könnte der umzuwandelnde Pegel 36 selbst berücksichtigt werden. Alternativ könnte die Steuervorrichtung 22 den nächsten umzuwandelnden Pegel basierend auf bereits vorhandenen digitalen Sensorwerten 54 beispielsweise basierend auf einer Extrapolation schätzen.
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In 5 ist eine alternative Schaltung für das Gerät 15 zum Wandeln der analogen Pegel 36 des Raddrehzahlsignals 18 in die digitalen Werte 54 des Sensorsignals 12 gezeigt.
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In dieser Schaltung sind der ADC 16 und die Steuervorrichtung 22 zu einer Einheit zusammengefasst, so dass das Gerät 15 als ein Bauteil bereitgestellt werden kann.
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Ferner weist die Steuervorrichtung 22 in der vorliegenden Ausführung eine Pulsweitenmodulationsschnittstelle 56 auf, aus der eine pulsweitenmodulierte Spannung 58 ausgegeben wird, die im Mittel der benötigten Referenzspannung 24 entspricht. Daher braucht die pulsweitenmodulierte Spannung 58 zur Umwandlung in die Referenzspannung 24 nur mit einem Tiefpass 60 tiefpassgefiltert werden.
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In der vorliegenden Ausführung kann dem ADC 16 neben dem analogen Raddrehzahlsignal 18 auch eine Kalibrierspannung 62 aus einer Kalibrierspannungsquelle 64 zugeführt werden. Basierend auf dieser Kalibrierspannung 62 kann die Referenzspannung 24 beispielsweise in bestimmten Abschnitten kalibriert werden. Dazu kann ein Pegel der Kalibrierspannung 62 auf abwechselnd auf den Referenzpegel 44 und den Kleinsignalreferenzpegel 47 gesetzt werden, wobei dann in der Steuervorrichtung 22 geprüft werden kann, ob der zum Referenzpegel 44 und Kleinsignalreferenzpegel 47 gehörende digitalen Sensorwerte 42, 52 ausgegeben wird. Falls nicht, kann die Referenzspannung 24 solange kalibriert werden, bis diese Bedingung erfüllt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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