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Hintergrund
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Unter Umständen kann die Genauigkeit von integrierten Temperatursensoren und ADUs durch Halbleiterprozessparametervariationen und/oder Umgebungstemperaturvariationen begrenzt sein. Beispielsweise können integrierte digitale Temperatursensoren und ADUs, die eine lokale Spannungsreferenz (wie z. B. eine bandlückenbasierte Spannungsreferenz) verwenden, durch die Temperaturvariation der Spannungsreferenz eingeschränkt sein. Bipolarbasierte Referenzspannungen können auch durch die Basis-Emitter-Spannung(VBE)-Variationen zwischen den Vorrichtungen innerhalb eines Satzes begrenzt sein. Bandlückenbasierte Spannungsreferenzen können sowohl lineare als auch nichtlineare Temperaturvariationen aufgrund der Vorrichtungsphysik und aufgrund von Herstellungstoleranzen aufweisen.
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Um eine höhere Genauigkeit zu erhalten, können Temperaturvariationen der Spannungsreferenz kompensiert, korrigiert oder kalibriert werden. In manchen Fällen kann ein analoges Korrekturschema versuchen, eine genaue Spannungsreferenz bereitzustellen. Im Allgemeinen sind analoge Korrekturtechniken auf eine Schaltungskompensation angewiesen und können eine analoge Kalibration an einer oder an zwei bekannten Temperaturen verwenden, was Testzeitkosten mit sich zieht. Ferner können zusätzliche Spannungsreferenzschaltkreise die Komplexität und Herstellungskosten in die Höhe treiben. Wenn eine genauere externe Spannungsreferenz verwendet wird, kann dies gegen System-On-Chip-Integrationsnormen verstoßen und zusätzliche Systemkosten und zusätzliche Anschlussstifte mit sich ziehen.
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Manche digitalen Korrekturtechniken können sowohl eine Kalibration an einer oder an zwei bekannten Temperaturen als auch eine Echtzeittemperaturinformation verwenden. Testzeitkosten können je nach verwendeter Technik vorhanden sein. Für eine genaue Nachbearbeitung muss die Temperatur am Zeitpunkt der ADU-Messung bekannt sein. Dies wird im Allgemeinen mit einem zusätzlichen Temperatursensor ausgeführt. Daher kann ein sehr genauer Temperatursensor Leistungskosten und Siliciumflächenkosten mit sich ziehen. Ferner verwenden solche Sensoren typischerweise einen ADU mit einer Spannungsreferenz und die Temperaturvariation dieser Spannungsreferenz muss dann auch kompensiert oder korrigiert werden.
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In solchen Fällen wird ein klassisches „Henne-Ei-Problem“ präsentiert. Zur genauen Temperaturmessung muss die Spannungsreferenztemperaturvariation kompensiert werden, nur muss dazu die genaue Temperatur bekannt sein. In einer Lösung kann die Spannungsreferenz ohne digitale Korrektur verwendet werden. Jedoch kann das die Genauigkeit des Temperatursensors vermindern, was wiederum die ADU-Referenzkorrekturgenauigkeit vermindern kann. Beispielsweise kann nach einer digitalen Referenzkorrektur mittels eines Temperatursensors ohne eine Referenzkorrektur eine ±0,03% (3σ)-Verstärkungsfehlerungenauigkeit in der ADU-Leistung zwischen –40 und +85 °C ersichtlich sein.
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Es ist daher eine Aufgabe, verbesserte Möglichkeiten zur Korrektur von Temperaturmessungen bereitzustellen.
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Kurzfassung
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Es werden eine Vorrichtung nach Anspruch 1, ein System nach Anspruch 10 oder 24 sowie ein Verfahren nach Anspruch 14 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die ausführliche Beschreibung wird mit Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. In den Figuren identifiziert bzw. identifizieren die Ziffer(n) am weitesten links in einem Bezugszeichen die Figur, in der das Bezugszeichen das erste Mal vorkommt. Die Verwendung des gleichen Bezugszeichens in verschiedenen Figuren ist ein Hinweis auf ähnliche oder identische Gegenstände.
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Für den Zweck dieser Erläuterung werden die Vorrichtungen und Systeme, die in den Figuren dargestellt sind, als mehrere Bauelemente aufweisend gezeigt. Verschiedene Implementierungen von Vorrichtungen und/oder Systemen, wie sie hierin beschrieben werden, können weniger Bauelemente aufweisen und verbleiben dennoch innerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung. Alternativ können andere Implementierungen von Vorrichtungen und/oder Systemen zusätzliche Bauelemente oder verschiedene Kombinationen der beschriebenen Bauelemente aufweisen und verbleiben auch innerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung.
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1 ist eine Blockdarstellung einer beispielhaften ADU-/Temperatursensor-Anordnung, worin die hierin offenbarten Techniken und Vorrichtungen angewandt werden können.
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2 ist eine grafische Darstellung, die auf der Grundlage von Temperaturvariationen der Referenzspannung mögliche Verstärkungsvariationen des ADUs aus 1 zeigt.
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3 enthält zwei grafische Darstellungen, die auf der Grundlage von Temperaturvariationen der Referenzspannung einen möglichen Verstärkungsfehler und Nichtlinearitätsfehler eines digitalen Temperatursensors zeigen.
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4 ist eine Blockdarstellung, die gemäß einer Implementierung eine beispielhafte digitale Korrekturanordnung für Temperaturvariationen der Referenzspannung darstellt.
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5 enthält zwei grafische Darstellungen, die gemäß verschiedener Implementierungen beispielhafte Lösungswerte auf der Grundlage der beispielhaften digitalen Korrekturanordnung aus 4 zeigen.
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6–9 enthalten grafische Darstellungen, die gemäß mancher Implementierungen eine Konvergenz des Temperatursensorfehlers für den Bandlücken-Nichtlinearitätsterm und dessen Approximation mittels Taylor-Polynom zeigen.
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10 ist ein Flussdiagramm, das gemäß einer Implementierung einen beispielhaften Prozess zur Korrektur eines Temperatursensormessfehlers darstellt.
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Ausführliche Beschreibung
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Übersicht
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Maßgebliche Implementierungen von Vorrichtungen und Techniken stellen eine Korrektur für einen Temperatursensormessfehler bereit. In einem Beispiel enthält der Temperatursensor (TS) einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU). In einer Implementierung wird die ADU/TS-Ausgabe mittels einer iterativen digitalen Nachbearbeitungstechnik, die z. B. eine Spannungsreferenztemperaturvariation korrigiert, fehlerkorrigiert.
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In verschiedenen Aspekten werden zwei oder mehr Iterationen der digitalen Nachbearbeitungstechnik dazu verwendet, zum korrekten Temperaturwert zu konvergieren. In manchen Implementierungen wird der korrekte Temperaturwert (z. B. Konvergenz) innerhalb von drei oder weniger Iterationen erreicht. In verschiedenen Implementierungen stellen die Iterationen gemäß einem vorgegebenen Algorithmus mehrere digitale Korrekturen bereit. In einer Implementierung ist es eine Voraussetzung für den Iterationsalgorithmus, dass die digitalen Korrekturen zum korrekten Temperaturwert konvergieren.
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In einer Implementierung wird ein Ausgangstemperaturwert dazu verwendet, eine digitale Korrektur der gemessenen Temperatur zu starten. Der zunächst korrigierte Temperaturwert wird iterativ in nachfolgenden digitalen Korrekturen angewandt. In einem Beispiel wird die Iterationskonvergenz besser, je näher der Ausgangswert an der eigentlichen Temperatur liegt. In einer beispielhaften Implementierung kann die „unbearbeitete“ Ausgabe des Temperatursensors (d. h. ohne irgendeine Korrektur) als Ausgangstemperaturwert verwendet werden.
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In verschiedenen Implementierungen wird eine digitale Nachbearbeitung mittels Hardware und/oder Firmware implementiert. In einer Implementierung bietet der offenbarte Iterationsalgorithmus zusätzlich zu einer genauen ADU (Temperaturabtastungsfunktionalität) auf der Grundlage einer digitalen Korrektur der Spannungsreferenz die folgenden Vorteile: 1) eine digitale Nachbearbeitung der Spannungsreferenztemperaturvariation macht sich einer Digital-Signalverarbeitung(DSP, „digital signal processing“)-Fähigkeit zunutze und ergibt eine hochgenaue ADU und genaue Temperaturmessungen; 2) die Technik benötigt keinen zusätzlichen Temperatursensor, was Leistung und Siliciumfläche einspart; 3) es wird eine einzige Temperaturmessung ausgeführt (z. B. werden nicht mehrere Temperaturmessungen benötigt, um eine genaue Temperaturmessung zu erhalten). In einer Implementierung ist dies der Fall, weil digitale Korrekturiterationen mittels Digital-Signalverarbeitung, die in Firmware implementiert werden kann, durchgeführt werden. Im Vergleich zur Temperatursensormesszeit sind die iterativen Berechnungen viel schneller.
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Im Vergleich zu anderen Lösungen, die derzeit 2 oder mehr ADUs verwenden, eröffnen die offenbarten Vorrichtungen und Techniken die Möglichkeit, einen einzigen hochgenauen ADU für solche Anwendungen zu verwenden.
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In dieser Offenbarung werden verschiedene Implementierungen und Techniken zur Korrektur eines Temperatursensormessfehlers erläutert. Techniken und Vorrichtungen werden mit Bezug auf beispielhafte Vorrichtungen und Systeme, die in den Figuren dargestellt sind und Analog-Digital-Umsetzer (ADU), Modulatoren oder ähnliche Komponenten verwenden, erläutert. Dies ist jedoch nicht als Einschränkung zu verstehen, sondern dient lediglich der Vereinfachung der Erläuterung und zur besseren Veranschaulichung. Die erläuterten Techniken und Vorrichtungen können in beliebigen der verschiedenen Modulator- oder ADU-Vorrichtung-Designs, -Strukturen und dergleichen (z. B. ADU mit sukzessiver Näherung (SA-ADC „successive-approximation ADC“), Direktumwandlung-ADU, Flash-ADU, Rampenvergleich-ADU, integrierender ADU (auch als Dual-Slope- bzw. Multi-Slope-ADU bezeichnet), Gegenrampen-ADU, Pipeline-ADU, Sigma-Delta-ADU, zeitverschachtelter ADU, Zwischen-FM-Stufen-ADU, usw.) eingesetzt werden und liegen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
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Nachstehend werden anhand zahlreicher Beispiele Implementierungen genauer erläutert. Obwohl hierin und nachstehend verschiedene Implementierungen und Beispiele erläutert werden, sind durch Kombinieren der Merkmale und Elemente einzelner Implementierungen und Beispiele weitere Implementierungen und Beispiele möglich.
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Beispielhafte Temperatursensoranordnung
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1 ist eine Blockdarstellung einer beispielhaften hochauflösenden Digitalisierung(ADU/TS)-Anordnung 100, die dazu ausgestaltet werden kann, einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU) oder Temperatursensor (TS) zu enthalten, worin die hier offenbarten Techniken und Vorrichtungen angewandt werden können. In einer Implementierung stellt der ADU/TS 100 digitale Informationen „Dx(T)“, die eine gemessene Spannung oder Temperatur repräsentieren, bereit. In der Implementierung empfängt der ADU/TS 100 ein analoges Signal, das die zu messende Spannung oder Temperatur darstellt, in der Form einer analogen Eingangsspannung „Vin“ oder eines Teils von VREF(T) (ΔVBE in 4), die bzw. der mit einer Referenzspannung „VREF(T)“ verglichen wird.
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In einer Implementierung erzeugt die Referenzspannungsquelle VREF 104 die Referenzspannung VREF(T) auf der Grundlage von einer oder mehreren Bandlückenspannungen (z. B. ΔVBE und VBE), die von einem bipolaren Kern innerhalb der Quelle VREF 104 bezogen werden. Beispielsweise wird in einer Implementierung die Referenzspannung VREF(T) auf der Grundlage einer Basis-Emitter-Spannung einer oder mehrerer bipolarer Vorrichtungen oder einer Differenz zwischen Basis-Emitter-Spannungen von zwei oder mehr bipolaren Vorrichtungen erzeugt.
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In einer Implementierung werden die digitalen Ergebnisse Dx(T) vom ADU-Teil des ADU/TSs 100 erzeugt und ausgegeben. In verschiedenen Beispielen werden die digitalen Ergebnisse Dx(T) von Anwendungen, die zur Verwendung der Temperaturmessinformation Dx(T) eingerichtet sind, empfangen und interpretiert und/oder angewandt.
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Zum Zwecke dieser Offenbarung kann ein digitales Ergebnis (z. B. ein digitaler Ausgang) als eine digitale Approximation eines analogen Eingangs beschrieben werden. Beispielsweise kann ein digitales Ergebnis eine digitale Darstellung, die zu einem Zeitpunkt und/oder über eine ausgewählte Zeitdauer proportional zum Betrag der Spannung oder des Stroms des analogen Eingangs bzw. der analogen Eingänge ist, enthalten. Die digitale Darstellung kann auf verschiedene Weise ausgedrückt werden (z. B. Basis-2-Binärkode, binärcodierte Dezimalzahl, Spannungswerte, elektrische oder Lichtimpuls-Attribute und Ähnliches).
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In einer Implementierung basieren die Basis-Emitter-Referenzspannung VBE und/oder die Differenz zwischen den Basis-Emitter-Spannungen ΔVBE auf zwei oder mehr bipolaren Vorrichtungen innerhalb des bipolaren Kerns der Quelle VREF 104. Die bipolaren Vorrichtungen können bipolare Sperrschichttransistoren, Dioden oder ähnliche Vorrichtungen enthalten. Alternativ können die bipolaren Vorrichtungen des bipolaren Kerns Subschwellenwertmetalloxidhalbleiter(MOS)-Vorrichtungen, die sich auf die Gate-Source-Spannung (VGS) der MOS-Vorrichtungen als Referenzspannung beziehen, oder ähnliche Vorrichtungen umfassen. In einer alternativen Implementierung wird die Referenzspannung VREF(T) von anderen Vorrichtungen oder mittels anderer Techniken erzeugt oder bezogen. In alternativen Implementierungen kann ein beispielhafter ADU/TS 100 weniger, zusätzliche oder alternative Komponenten enthalten, z. B. einschließlich zusätzlicher Stufen der ADUs oder anderer Arten von ADUs.
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In verschiedenen Implementierungen, wie sie in 2 und 3 gezeigt sind, kann die Spannungs- oder Temperaturmessung einer Digitalisierungsanordnung (wie z. B. ADU/TS 100) einen Messfehler aufgrund von Temperaturvariationen der Referenzspannung VREF(T) enthalten. Beispielsweise kann sich für die gleiche Eingangsspannung Vin („Vx“) der Wert von Dx(T)(„Dx“) erhöhen, wenn sich die Temperatur der Spannungsreferenzquelle VREF erhöht (auf der Grundlage der Vorrichtung(en) innerhalb des Kerns der Quelle VREF 104), wie es in 2 dargestellt ist. Beispielsweise können die Linien, die T = 25 °C, T = T1 und T = T2 darstellen, die Temperaturvariationen der Referenzspannung VREF(T) darstellen.
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Ferner, wie in 3 gezeigt, zeigt das Diagramm bei A) den Fall einer nicht korrigierten ADU/TS-100-Temperaturübertragskurve mit negativen Linearitäts- und Krümmungs-Fehlern. Das Diagramm bei B) zeigt den Fall einer nicht korrigierten ADU/TS-100-Temperaturübertragskurve mit positiven Linearitäts- und Krümmungs-Fehlern. Beispielsweise ist das nicht korrigierte Ergebnis („unbearbeitet“) DX bei Temperatur T = T1. In einer Implementierung stellt D1 ein ideales Ergebnis (wie z. B. nach einer digitalen Korrektur) dar.
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Beispielhafte Implementierungen
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Wie in 4 gezeigt ist, kann eine Korrekturschaltung 400 mit dem ADU/TS 100 in verschiedenen Implementierungen verwendet werden, um die Temperaturvariationen der Spannungsreferenz VREF(T) zu korrigieren und dadurch die Genauigkeit des ADU/TSs 100 zu erhöhen. Wie in 4 dargestellt ist, ist die Korrekturschaltung 400 in einer Implementierung dazu eingerichtet, die „unbearbeitete“ Ausgabe Dx(T) des ADU/TSs 100 zu empfangen, digital zu bearbeiten und einen korrigierten digitalen Ausgabewert Dy(T) auszugeben. Beispielsweise enthält die „unbearbeitete“ Ausgabe Dx(T) im Allgemeinen einen Messwert und einen Fehlerwert, wie zuvor erläutert.
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Im beispielhaften ADU/TS 100, der in 4 dargestellt ist, wird die Referenzspannung VREF(T) durch Bandlückenspannungswert (z. B. ΔVBE und VBE)-Komponenten dargestellt.
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In einer Implementierung basiert die durch die Korrekturschaltung 400 durchgeführte digitale Korrektur auf einer digitalen Nachbearbeitung der ADU/TS(100)-Ergebnisse Dx(T), einschließlich der Multiplikation von Dx(T) mit einer mathematischen Funktion g(Td), die den Kehrwert der Spannungsreferenztemperaturvariation approximiert. In einem Beispiel kann die mathematische Funktion g(Td) ein Taylor-Polynom sein.
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In einer weiteren Implementierung verwendet die Korrekturschaltung 400 eine iterative Technik, um die Spannungsreferenztemperaturvariation zu korrigieren und die Genauigkeit des ADU/TSs 100 bei der Temperaturmessung zu erhöhen. Beispielsweise multipliziert die Korrekturschaltung 400 die ADU/TS(100)-Digitalergebnisse Dx(T) mit g(Td) iterativ bis zur Konvergenz zum korrigierten (d. h. korrekten) Ergebnis Tm. In einer Implementierung wird Konvergenz erreicht, wenn der Fehlerwert unter einen vorgegebenen Schwellenwert oder eine vorgegebene Toleranz („tol“) fällt. Beispielsweise wird in verschiedenen Implementierungen der Betrag des Fehlerwerts mit jeder Iteration reduziert (bis er konvergiert).
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Mit Bezug auf
4 verwendet die Korrekturschaltung
400 in einer Implementierung die folgende iterative Technik, die in algorithmischer Form beschrieben wird (mit erklärenden Kommentaren):
| Tm = Traw | # ADU/TS(100)-Messung ohne Korrektur # |
| Td = Traw | # Wählen der Ausgangstemperatur zum Starten |
| | der Iteration # |
| E = 1 | # Initialisieren des Fehlers # |
| FOR E > tol DO | # Iterationsschleife # |
| T = Traw·g(Td) | # Anwenden der digitalen Korrektur # |
| E = T – Td | # Aktualisieren des Fehlers # |
| Td = T | # Aktualisieren des |
| | Korrekturtemperaturwerts # |
| END FOR | |
| Tm = Td | # ADU/TS(100)-Messung mit Korrektur # |
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Anders ausgedrückt kann in einer Implementierung der Ausgangstemperaturwert Td in der Iterationsroutine die „unbearbeitete“ Ausgabe des ADU/TSs 100 (z. B. Dx(T)), die die nicht korrigierte Temperaturmessung ist, sein (in alternativen Implementierungen kann ein anderer Wert als Ausgangstemperaturwert Td für die Iterationsroutine verwendet werden). Der Fehlerwert „E“ stellt den Unterschied zwischen aufeinanderfolgenden Iterationen der korrigierten Temperaturmessung Tm dar. Für eine Anzahl an Iterationen, bis der Fehlerwert E konvergiert oder kleiner gleich der Toleranz „tol“ ist, wird der Temperaturwert Td mit der mathematischen Funktion g(Td) im Korrekturmodul 402 multipliziert und der Temperaturfehlerwert E wird zum Wert des Ergebnisses Tm minus dem aktuellen Temperaturwert Td im digitalen Korrekturmodul 402.
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Der Wert des Ergebnisses Tm wird zum neuen Wert für Td (d. h. für die nächste Iteration) und die Iterationen setzen fort (z. B. mittels der in 4 gezeigten Iterationsschleife), bis E kleiner gleich „tol“ ist. Bei Konvergenz wird die Ausgabe Tm des ADU/TSs 100 vom digitalen Korrekturmodul 402 ausgegeben. In 4, ist dies mit Schaltern S und S dargestellt, die die Iterationsschleife bis zur Konvergenz schließen und dann die Schleife öffnen und den aktuellen Wert für Td (z. B. als korrigierten Messwert) bei Konvergenz ausgeben, der dann zur VREF-Korrektur in der ADU-Messung der analogen Eingabe Vin verwendet werden kann.
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In einer Implementierung ist ein Modul (wie etwa z. B. das digitale Korrekturmodul 402) dazu eingerichtet, den Fehlerwert E mit jeder Iteration zu aktualisieren, während die Iterationsschleife geschlossen ist. In der Implementierung enthält das Aktualisieren das Subtrahieren des Ausgabesignals Td vom Ergebnis Tm der Multiplikation des Ausgabesignals Td mit der Korrekturfunktion g(Td). In einer weiteren Implementierung ist ein weiteres Modul (wie etwa z. B. das T-Modul 404) dazu eingerichtet, den Wert des Ausgabesignals Td nach jeder Iteration zu aktualisieren. In der Implementierung wird ein Wert eines „nächsten“ Ausgabesignals aktualisiert, um dem Ergebnis T der Multiplikation eines Werts eines „vorherigen“ Ausgabesignals Td mit der Korrekturfunktion g(Td) zu gleichen. In verschiedenen Implementierungen ist eines der Module (402, 404) oder ein anderes Modul oder eine andere Komponente der Korrekturschaltung 400 dazu eingerichtet, den korrekten Messwert (z. B. den aktuellsten Wert von Td) bei Konvergenz des Fehlerwerts E auszugeben.
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In verschiedenen Implementierungen können die Module der Korrekturschaltung 400 (z. B. das T-Modul 404 und das digitale Korrekturmodul 402) mittels Digital-Signalverarbeitungskomponenten, wie etwa Prozessor(en), einer digitalen Logik, digitalen Filter(n), Kompressionskomponenten und dergleichen, implementiert werden. In alternativen Implementierungen können weniger, zusätzliche oder alternative Komponenten oder Module in der Korrekturschaltung 400 enthalten sein.
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Die Korrekturschaltung 400 korrigiert Fehler in der Temperaturmessung durch den ADU/TS 100 auf der Grundlage von Temperaturvariationen der Referenzspannung VREF(T). In einer Implementierung ist es eine Voraussetzung für die Iterationstechnik, dass die (z. B. durch die Korrekturschaltung 400 durchgeführten) digitalen Korrekturen zum korrekten (d. h. eigentlichen) Temperaturwert konvergieren. Dies wird sowohl mathematisch als auch numerisch im Folgenden erläutert.
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Mathematische Analyse
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Für eine Temperatur T ist die ADU/TS(100)-Ausgabe Dx(T). Dx(T) = FS·VPTAT(T)/VREF(T), wobei FS der Vollaussteuerungsfaktor, VPTAT(T) die lineare Temperatureingabe und VREF(T) die Referenzspannung ist.
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Definiere eine Korrekturfunktion f(T), sodass f(T)·VREF(T) = VBEO(Tr),
wobei VBEO(Tr) eine von der Referenztemperatur Tr abhängige Konstante ist.
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Wende eine digitale Korrektur an: Dy(T) = Dx(T)/f(T) = FS·VPTAT(T)/{VREF(T)·f(T)}
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Definiere g(T) = 1/f(T) Dy(T) = FS·VPTAT(T)·g(T)/VREF(T) VREF (T) = VBE(T) + λ·T = VBEO(Tr) + a·T + c(T) = VBEO(Tr){1 + h(T)}, wobei a der verbleibende lineare Term in VBE nach Proportional-zur-absoluten-Temperatur(PTAT, „proportional to absolute temperature“)-Kompensation ist:
a = {VBE(Tr) – VBEnom(Tr)}/Tr. VBE nom(Tr) und VBE(Tr) sind die Nenn- und Ist-Siliciumwerte von VBE(T) bei der Temperatur Tr. Aufgrund von Herstellungsprozessvariationen sind VBE nom(Tr) und VBE(Tr) im Allgemeinen verschieden und h(T) enthält c(T), die Nichtlinearität von VBE(T).
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Der Wert a kann durch eine Einzelpunkttemperaturkalibration gemessen werden: h(T) = {a·T + c(T)}/VBEO(Tr) c(T) = β·(T – Tr – T·ln(T/Tr)) β = (k/q)·(η – m), wobei k die Boltzmann-Konstante, q die elektrische Ladung und η der Temperaturexponent des Sättigungsstroms ist.
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Der Wert β hängt sowohl von physikalischen Konstanten (k, q) als auch von Prozessparametern (η, m), die am besten durch Siliciumcharakterisierung erhalten werden, ab. Der Wert m ist der Temperaturexponent des bipolaren Kollektorstroms (aufgrund des Widerstandstemperaturkoeffizienten ist m typischerweise kleiner als 1 für eine PTAT-Ausgestaltung). Dy(T) = FS·VPTAT(T)·g(T)/VREF(T)
= FS·VPTAT(T)·g(T)/[VBEO(Tr){1 + h(T)}]
= [FS·VPTAT(T)/VBEO(Tr)]·g(T)/{1 + h(T)}.
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Für eine ideale Umsetzung, definiere: T = [FS·VPTAT(T)/VBEO(Tr)] Dy(T) = T·g(T)/{1 + h(T)}. Definiere einen Temperaturfehler: Te(T) = Dy(T) – T = T·[g(T)/{1 + h(T)} – 1]
= T·[{g(T) – h(T) – 1}/{1 + h(T)}]. Definiere g(T) = 1 + p(T) Te(T) = T·{p(T) – h(T)}/{1 + h(T)}. * Im Idealfall mit bekannter Temperatur und perfekter Korrektur * p(T) = h(T) und Te(T) = 0.
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Da jedoch die Temperatur a priori nicht bekannt ist, wird der Ausgangswert für Td verwendet: Te(T) = T·{p(Td) – h(T)}/{1 + h(T)} = T·e(T), wobei e(T) = {p(Td) – h(T)}/{1 + h(T)}.
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Wird dann ein idealer Korrekturfall p(T) = h(T) angenommen: e(T) = {h(Td) – h(T)}/{1 + h(T)}
= [a·(Td – T) + c(Td) – c(T)]/[VBEO(Tr)·{1 + h(T)}], Dy(T) = T + Te(T) = T + T·e(T) = T·{1 + e(T)}.
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In einer Implementierung für irgendeinen Ausgangswert von
Dy(T) = Td
Td = T·[1 + e(Td)] * Istwert plus irgendein Fehlerterm *
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Dies einsetzend kann man Folgendes mit Iteration schreiben: e(i + 1) = [a·T·e(i) + c(Td) – c(T)]/[VBEO(Tr)·{1 + h(T)}], wobei e(i) e(T) bei Iteration Nummer i ist. c(Td) – c(T) = c(T·{1 + e(Td)}) – c(T)
= β·T·[e(Td)·{1 – ln(T/Tr)} – (1 + e(Td))·ln(1 + e(Td))].
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Verwendet man die Taylorreihenapproximation ln(1 + x) ≈ x –(x2)/2 + (x3)/3 und lässt man den Term dritten Grades weg, erhält man: c(T·{1 + e(Td)}) – c(T)
≈ –β·T·{ln(T/Tr) + e(Td)/2 – e(Td)2/2}·e(Td)
= k1·e(Td) + k2·e(Td)2 + k3·e(Td)3, wobei k1 = –β·T·ln(T/Tr), k2 = –β·T/2 = –k3, e(i + 1) ≈ [a·T·e(i) + k1·e(i) + k2·e(i)2 + k3·e(i)3]/[VBEO(Tr)·{1 + h(T)}] e(i + 1) = b1·e(i) + b2·e(i)2 + b3·e(i)3, wobei b1 = (a·T + k1)/[VBEO(Tr)·{1 + h(T)}] = T·{a –
β·ln(T/Tr)}/[VBEO(Tr) + aT + c(T)]
≈ T·{a – β·ln(T/Tr)}/VBEO(Tr). b2 ≈ k2/VBEO(Tr) = –βT/{2·
VBEO(Tr)} = –b3.
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Ist der Betrag von b1, b2 und b3 kleiner als 1, wird e(i) mit jeder Iteration kleiner und Td konvergiert auf T. Zum Beispiel, unter Verwendung von manchen beispielhaften Werten:
β = (k/q)·(η – m) V/°K = 86μ·(4 – 1) V/°K = 258μ V/°K
≈ 0,3 mV/°K = 0,0003 V/°K
a = ±40 mV/Tr = ±40 mV/300°K = ±0,13 mV/°K ≈ 0,2 mV/°K
b1 @ T = 600°K ≈ 0,25
b1 @ T = 100°K ≈ 0,05
b2 @ T = 600°K ≈ –0,1
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In einer Implementierung wird Konvergenz mit zwei oder mehr Iterationen erwartet. In einer Implementierung findet eine Umsetzung in drei oder weniger Iterationen statt. Um nachzuweisen, dass Umsetzung zum korrekten Wert stattgefunden hat, kann die Konvergenz mittels des folgenden Kriteriums überprüft werden: e(T) = {h(Td) – h(T)}/{1 + h(T)}
= [a·(Td – T) + c(Td) – c(T)]/[VBEO(Tr)·{1 + h(T)}] → 0, was bedeutet a·(Td – T) + c(Td) – c(T) → 0.
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Grafische Darstellungen in 5 zeigen zwei mögliche Lösungen, was darauf hinweist, dass eine Konvergenz zu verschiedenen Werten möglich ist. In 5(A) gibt es neben der ersten Lösung T = T1 eine zweite Lösung T < T1 für den Fall T = T1 < Tr und a1 > 0 (a < 0). Neben der ersten Lösung T = T2 gibt es eine zweite Lösung T>T2 für den Fall T = T2 > Tr und a2 < 0 (a > 0). In 5(B) gibt es neben der ersten Lösung T = Tr eine zweite Lösung T = T3 für den Fall T = Tr und a3 > 0 (a < 0). Neben der ersten Lösung T = Tr gibt es eine zweite Lösung T = T4 für den Fall T = Tr und a4 < 0 (a > 0).
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In verschiedenen Implementierungen gibt es Wege, das Aufkommen von mehreren Lösungen zu vermeiden, indem zum Beispiel verschiedene Ausgangsstartwerte verwendet werden, um die konvergierten Endwerte zu überprüfen. Die obige mathematische Analyse war für den Idealfall, wo p(T) = h(T). In alternativen Implementierungen kann es für den praktischeren Fall, wo p(T) h(T) approximiert, erwartet werden, dass ein ähnliches Verhalten vorkommt. In einer Implementierung konvergieren die möglichen mehreren Lösungen noch immer zum korrekten Wert. Beispielsweise: Dy(T) = T·g(T)/{1 + h(T)} Iteration => Dy(Ti + 1) = T·g(Ti)/{1 + h(T)} Wenn g(Ti) = 1 + h(T) => Dy(Ti + 1) = T Daher gibt es Konvergenz für beide Lösungen. In der Implementierung ist Ti = T nicht notwendig. Dy(Ti + 2) = Dy(Ti + 1) = T
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Das gleiche Ergebnis wird auch für eine alternative Darstellung erhalten: Dy(T) = T·{1 + e(T)} e(T) = {h(Td) – h(T)}/{1 + h(T)} Daher gibt es Konvergenz h(Td) = h(T) für beide Lösungen und Td = T ist nicht notwendig, => e(T) = 0 und Dy(T) = T. Daher konvergiert die Iteration.
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Numerische Analyse
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Eine beispielhafte numerische Analyse kann mittels der folgenden Gleichung dargestellt werden: Dy(T) = T·g(Td)/{1 + h(T)} = T·[1 + e(Td)].
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Für einen fest vorgegebenen Temperaturwert T = T1 gilt: Dy(T1) = T1·g(Td)/{1 + h(T1)} = [T1/{1 + h(T1)}]·g(Td) = Traw·g(Td) = T1·[1 + e(Td)], und Z(Td) = 1 + e(Td) = g(Td)/{1 + h(T1)} = {1 + p(Td)}/{1 + h(T1)}
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Um anzufangen, wird ein Ausgangswert für Td ausgewählt: Td = Ausgangswert in der Nähe von T1. Dann:
Berechne Z(Td)
Aktualisiere Dy(T1) = T1·Z(Td) Aktualisiere Td = Dy(T1) Iteriere Aktualisierungen.
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Beispielhafte Ergebnisse der numerischen Analyse werden grafisch in 6–9 gezeigt. Beispielsweise stellen in den Graphen von 6–9 die vertikale (Y-)Achse den Temperaturfehler = T1·e(Td) und die horizontale (X-)Achse die Iterationszahl dar. Wie in den Graphen gezeigt wird, ist Ta = T1 die eigentliche Temperatur. Verschiedene Ausgangswerte wurden, wie gezeigt, für die Ausgangstemperatur Td (die durch Traw bezeichnet ist) ausgewählt. A = ±40 mV ist der verbleibende lineare Term in VBE nach Proportional-zur-absoluten-Temperatur(PTAT)-Kompensation [0042].
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Die Graphen in 6 und 7 stellen den Fall p(T) = h(T) dar. Die Graphen in 8 und 9 stellen den Fall, in dem p(T) = ein Taylor-Polynom vierten Grades, dar. Wie in 6–9 gezeigt ist, wird Konvergenz in beiden Fällen innerhalb von 3 Iterationen erhalten.
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Wie in 6–9 gezeigt ist, ist der konvergierte Fehler im beispielhaften Taylor-Polynom-Fall größer, aber die Tatsache, dass der Fehler für verschiedene Ausgangswerte gleich ist, scheint darauf hinzuweisen, dass das wahrscheinlich infolge des Unterschieds zwischen p(T) und h(T) der Fall ist. e(T) = {p(Td) – h(T)}/{1 + h(T)} = [p(Td) – {a·T + c(T)}/VBEO(Tr)]/[1 + h(T)] → 0
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Demgemäß ist der endgültige Wert die Lösung der folgenden Gleichung: p(Td) – {a·T + c(T)}/ VBEO(Tr) = 0
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Anders ausgedrückt ist der endgültige konvergierte Wert von Td für eine bestimmte Temperatur T1 so, dass: p(Td) – {a·T1 + c(T1)}/VBEO(Tr) = 0
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Eine Konvergenz zu einem anderen signifikanten Wert wurde während der numerischen Analyse nicht beobachtet.
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Beispielhafte Implementierungen
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In verschiedenen Implementierungen können unterschiedliche mathematische Beziehungen verwendet werden, um die iterative Korrekturtechnik mittels der Korrekturschaltung
400 durchzuführen. Im Folgenden werden zwei beispielhafte Algorithmen, die verschiedene mathematische Beziehungen für die iterative digitale Korrekturfunktion verwenden, für illustrative Zwecke gezeigt. Beispielsweise wird im zweiten Algorithmus die Funktion h(T) durch ein Taylor-Polynom approximiert. In anderen Implementierungen können andere Werte und Beziehungen verwendet werden, um die gewünschte Konvergenz zu erreichen. Algorithmus (1)
| Tm = Traw | # ADU/TS(100)-Messung ohne Korrektur # |
| Td = Traw | # Wählen der Ausgangstemperatur zum Starten |
| | der Iteration # |
| g(T) = 1 + h(T) | # Verwendung der mathematischen Funktion |
| | h(T) # |
| h(T) = {a·T + c(T)}/VBEO(Tr) | |
| c(T) = β·(T – Tr – T·ln(T/Tr)) | |
| β = (k/q)·(η – m) | |
| E = 1 | # Initialisieren des Fehlers # |
| FOR E > tol DO | # Iterationsschleife # |
| T = Traw·g(Td) | # Anwenden der digitalen Korrektur # |
| E = T – Td | # Aktualisieren des Fehlers # |
| Td = T | # Aktualisieren des |
| | Korrekturtemperaturwerts # |
| END FOR | |
| Tm = Td | # korrigierte Temperatur # |
Algorithmus (2)
| Tm = Traw | # ADU/TS(100)-Messung ohne Korrektur # |
| Td = Traw | # Wählen der Ausgangstemperatur zum Starten |
| | der Iteration # |
| g(T) = 1 + p(T) | # p(T) ist eine Taylor-Polynom- |
| | Approximation n-ten Grades von h(T) # |
| E = 1 | # Initialisieren des Fehlers # |
| FOR E > tol DO | # Iterationsschleife # |
| T = Traw·g(Td) | # Anwenden der digitalen Korrektur # |
| E = T – Td | # Aktualisieren des Fehlers # |
| Td = T | # Aktualisieren des |
| | Korrekturtemperaturwerts # |
| END FOR | |
| Tm = Td | # korrigierte Temperatur # |
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Die hierin mit Bezug auf den beispielhaften ADU/TS 100 und die Korrekturschaltung 400 beschriebenen Techniken, Komponenten und Vorrichtungen sind nicht auf die Darstellungen in 1–9 beschränkt und können auf andere Temperatursensor-Strukturen, -Vorrichtungen und -Ausgestaltungen angewandt werden, ohne den Umfang der Offenbarung zu verlassen. Das Korrekturverfahren kann auf irgendeinen gemessenen Parameter X mit Fehler h(X) und Korrekturfunktion g(X) in der Form D(X) = [X/h(X)]·g(Xd) angewandt werden, wobei D(X) der gemessene Wert und Xd irgendeine Ausgangsschätzung von X ist, vorausgesetzt, dass g(Xd) zu h(X) konvergiert. In manchen Fällen können zusätzliche oder alternative Komponenten verwendet werden, um die hierin beschriebenen Techniken zu implementieren. Ferner können die Komponenten in verschiedenen Kombinationen angeordnet und/oder kombiniert werden, ohne den Umfang der Offenbarung zu verlassen. Man wird verstehen, dass ein ADU/TS 100 oder eine Korrekturschaltung 400 als autarke Vorrichtung oder als Teil eines anderen Systems (z. B. in andere Komponenten, Systeme, usw., integriert) implementiert sein kann.
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Repräsentativer Prozess
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10 ist ein Flussdiagramm, das einen beispielhaften Prozess 1000 zur Korrektur eines Temperatursensormessfehlers gemäß einer Implementierung darstellt. Der Prozess 1000 beschreibt die Verwendung eines hochauflösenden Temperatursensordigitalisierers (wie etwa z. B. der ADU/TS 100), um Temperaturmessungen auszuführen, und einer Korrekturschaltung (wie etwa die Korrekturschaltung 400), um die digitale Ausgabe des Temperatursensors nachzubearbeiten, um Fehler in der Ausgabe (z. B. aufgrund einer Temperaturvariation der Referenzspannung) zu korrigieren. Der Prozess 1000 wird mit Bezug auf 1–9 beschrieben.
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Die Reihenfolge, in der der Prozess beschrieben wird, soll nicht als Einschränkung ausgelegt werden, und jede beliebige Anzahl der beschriebenen Prozessblöcke kann in jeder beliebigen Reihenfolge kombiniert werden, um den Prozess oder alternative Prozesse zu implementieren. Außerdem können einzelne Blöcke aus dem Prozess gelöscht werden, ohne vom Gedanken und Schutzumfang des hierin beschriebenen Gegenstands abzuweichen. Des Weiteren kann der Prozess in jedem beliebigen geeigneten Material oder Kombinationen aus solchen implementiert werden, ohne vom Schutzumfang des hierin beschriebenen Gegenstands abzuweichen.
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Bei Block 1002 enthält der Prozess das Empfangen eines Ausgabesignals von einem Temperatursensor (wie etwa z. B. der ADU/TS 100). In einer Implementierung umfasst das Ausgabesignal einen korrekten Messwert und einen Fehlerwert. In einer Implementierung enthält der Prozess die digitale Nachbearbeitung des Ausgabesignals des Temperatursensors, um eine Temperaturmessung, die durch das Ausgabesignal dargestellt wird, zu korrigieren.
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In einer Implementierung basiert der Fehlerwert auf einer Temperaturvariation einer Referenzspannung des Temperatursensors. Beispielsweise wird in verschiedenen Implementierungen die Referenzspannung auf der Grundlage einer Basis-Emitter-Spannung einer oder mehrerer bipolarer Vorrichtungen oder einer Differenz zwischen Basis-Emitter-Spannungen von zwei oder mehr bipolaren Vorrichtungen erzeugt.
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Bei Block 1004 enthält der Prozess das iterative Multiplizieren des Ausgabesignals mit einer Korrekturfunktion, bis die Konvergenz des Fehlerwerts null annähert. In einer Implementierung konvergiert der Fehlerwert auf der Grundlage der verwendeten Korrekturfunktion innerhalb von drei Iterationen. Beispielsweise ist in einer Implementierung die Korrekturfunktion die mathematische Umkehrfunktion der Temperaturvariation der Referenzspannung. In einer anderen Implementierung umfasst die Korrekturfunktion eine Taylor-Polynom-Approximation der Umkehrfunktion. In einer Implementierung enthält der Prozess das iterative Multiplizieren des Ausgabesignals mit der Korrekturfunktion, bis ein Betrag des Fehlerwerts unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt.
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In verschiedenen Implementierungen enthält der Prozess das Auswählen eines Ausgangswerts für den mit der iterativen Technik zu verwendenden Temperaturwert (z. B. des Ausgabesignalwerts). In einer Implementierung enthält der Prozess das Auswählen eines Werts eines nicht korrigierten Temperaturmesssignals (z. B. „Traw“) des Temperatursensors als Ausgangswert des Ausgabesignals für eine erste Iteration.
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In verschiedenen Implementierungen enthält der Prozess das Aktualisieren eines Werts des Ausgabesignals nach jeder Iteration. In den Implementierungen wird ein Wert eines nächsten Ausgabesignals derart aktualisiert, dass er dem Ergebnis einer Multiplikation eines Werts eines vorherigen Ausgabesignals mit der Korrekturfunktion gleicht. Gemäß dem Prozess wird das „nächste“ Ausgabesignal dann das „vorherige“ Ausgabesignal für eine darauffolgende Iteration.
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Bei Block 1006 enthält der Prozess das Ausgeben des korrekten Messwerts. Beispielsweise enthält der Prozess in einer Implementierung das Ausgeben des Werts des „nächsten“ Ausgabesignals als der korrekte Messwert, wenn der Fehlerwert konvergiert oder kleiner gleich einem vorgegebenen Schwellenwert ist.
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In alternativen Implementierungen können andere Techniken in verschiedenen Kombinationen im Prozess enthalten sein und bleiben innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung.
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Schlussfolgerung
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Wenngleich die Implementierungen der Offenbarung in einer Sprache beschrieben wurden, die für Strukturmerkmale und/oder methodologische Vorgänge spezifisch ist, versteht es sich, dass die Implementierungen nicht zwangsläufig auf die beschriebenen spezifischen Merkmale oder Vorgänge beschränkt sind. Vielmehr sind die spezifischen Merkmale und Vorgänge als repräsentative Formen der Implementierung beispielhafter Vorrichtungen und Techniken offenbart.
