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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Haushaltsgerät, welches eine Messeinrichtung zur Durchführung elektrischer Messungen an einem Messgegenstand aufweist.
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Herkömmliche elektrische Haushaltsgeräte, wie insbesondere Waschmaschinen oder Geschirrspüler, sind mit Messmitteln ausgestattet, um die Leitfähigkeit bzw. die Impedanz des Wasch- bzw. Spülwassers zu messen. Die gewonnenen Messwerte werden zur Betriebssteuerung des Haushaltsgeräts verwendet. Im Stand der Technik ist es bekannt, für Leitwert- bzw. Impedanzmessungen spektroskopische Methoden heranzuziehen, bei denen ein Anregungssignal nicht nur bei einer einzelnen Signalfrequenz, sondern bei verschiedenen Signalfrequenzen an das zu untersuchende Medium (Waschwasser, Spülwasser) angelegt wird. Diesbezüglich wird beispielhaft auf die
US 7,733,097 B2 sowie die
DE 10 2012 018 539 A1 verwiesen.
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Aus der
DE 10 2015 204 692 A1 ist es bekannt, den Hygienegrad einer Waschmaschine unter Zuhilfenahme eines Impedanzsensors zu bewerten, dessen gemessenes Impedanzsignal im Hinblick auf Abscheidungen an dem Impedanzsensor ausgewertet wird.
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Unterabtastung bezeichnet in der Signalverarbeitung die Abtastung eines Signalverlaufs mit weniger als der doppelten Bandbreite, siehe einen entsprechenden Eintrag in der Internet-Enzyklopädie Wikipedia unter dem Stichwort „Unterabtastung“ mit Bearbeitungsstand 25. Dezember 2017.
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Haushaltsgeräte der genannten Art sind Massenartikel, die in großen Stückzahlen hergestellt werden. Dementsprechend hoch ist der Druck auf die Herstellungskosten, weswegen grundsätzlich angestrebt wird, für einzelne Komponenten der Haushaltsgeräte möglichst auf kostengünstige Lösungen zurückgreifen zu können. Frequenzvariable Signaloszillatoren zur Erzeugung eines Anregungssignals veränderlicher Frequenz können vergleichsweise aufwändig und teuer sein, beispielsweise wenn auf spannungsgesteuerte Oszillatoren zurückgegriffen wird. Zudem hat sich bei durchstimmbaren Generatoren oft das Problem vergleichsweise langsamer Frequenzvariationen gezeigt.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie ein Generator für ein frequenzvariables Anregungssignal auf einfache und kostengünstige Weise bereitgestellt werden kann, sodass sich der Generator für den Einsatz im Rahmen der Massenfertigung eines Haushaltsgeräts eignet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein elektrisches Haushaltsgerät mit den Merkmalen des selbstständigen Anspruchs 1 vor. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 spezifiziert. Das Haushaltsgerät umfasst eine Messeinrichtung zur Durchführung elektrischer Messungen an einem Messgegenstand und eine Steuereinheit zur Betriebssteuerung des Haushaltsgeräts abhängig von gewonnenen Messergebnissen der Messeinrichtung. Die Messeinrichtung umfasst einen Generator zur Erzeugung eines an den Messgegenstand anzulegenden elektrischen Anregungssignals veränderlicher Signalfrequenz. Der Generator erzeugt das Anregungssignal durch Abtastung eines insbesondere zumindest angenähert sinusförmigen Referenzsignals mit einer unterhalb der doppelten Signalfrequenz des Referenzsignals liegenden Abtastfrequenz, wobei er zur Variation der Signalfrequenz des Anregungssignals die Abtastfrequenz variiert.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist ein durchstimmbarer Oszillator zur Erzeugung des Anregungssignals verzichtbar. Stattdessen genügt es, wenn der Generator ein Referenzsignal einer einzelnen Frequenz bereitstellen kann, wobei es selbstverständlich im Rahmen der vorliegenden Offenbarung nicht ausgeschlossen ist, dass der Generator auch die Signalfrequenz des Referenzsignals variieren kann. Auf Basis eines Referenzsignals einer gegebenen Frequenz kann durch Anwendung des Prinzips der Unterabtastung ein relativ niederfrequentes Anregungssignal erzeugt werden, wobei zur Frequenzvariation des Anregungssignals lediglich die Abtastfrequenz zu variieren ist. Abtastimpulse, welche die Abtastung des Referenzsignals auslösen, können beispielsweise mittels einer mikroprozessorbasierten Schaltung oder einer digitalen Schaltlogik auf vergleichsweise einfache Weise erzeugt werden. Auch die Variation der Impulsrate der Abtastimpulse ist mit großer Präzision und hoher Geschwindigkeit mithilfe eines Mikroprozessors oder eines digitalen Schaltwerks möglich.
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Bei bestimmten Ausführungsformen tastet der Generator das Referenzsignal mittels einer Abtast-Halte-Schaltung ab und glättet ein von der Abtast-Halte-Schaltung ausgegebenen Abtastsignal durch (Tiefpass-) Filterung.
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Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst der Generator einen digitalen Signalerzeuger für das Referenzsignal. Die Erzeugung eines beispielsweise sinusförmigen Signals mittels eines Mikrocontrollers, wie z.B. einem digitalen Signalprozessor, ist in der Fachwelt an sich hinlänglich bekannt und bedarf keiner tiefergehenden Erläuterung im Rahmen dieser Offenbarung. Der Generator umfasst bei bestimmten Ausführungsformen einen Taktgeber (in der englischsprachigen Fachwelt üblicherweise als Clock bezeichnet), auf dessen Grundlage der Generator das Referenzsignal sowie eine Folge von Abtastimpulsen zur Abtastung des Referenzsignals erzeugt. Bei diesen Ausführungsformen wird eine gemeinsame Taktbasis für die Erzeugung des Referenzsignals und der Abtastimpulse verwendet. Dies vermeidet die Notwendigkeit etwaiger Nachjustierungen der Rate der Abtastimpulse relativ zu dem Referenzsignal; eine gemeinsame Zeitbasis sorgt für eine hohe zeitliche Stabilität des Referenzsignals und der Abtastimpulse relativ zueinander.
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Bei bestimmten Ausführungsformen ist das Haushaltsgerät ein wasserführendes Haushaltsgerät, insbesondere eine Waschmaschine oder ein Geschirrspüler. Die Messeinrichtung weist bei diesen Ausführungsformen eine Elektrodenanordnung auf, welche eine durch einen Nassraum des Haushaltsgeräts laufende Messstrecke definiert, wobei die Messeinrichtung dazu ausgelegt ist, das Anregungssignal an die Elektrodenanordnung anzulegen. Bei anderen Ausführungsformen ist das Haushaltsgerät ein Kühlgerät, das zur kühlen Aufbewahrung von Lebensmitteln ober- oder/und unterhalb des Gefrierpunkts dient. Bei Kühlgeräten kann es erwünscht sein, anhand von Messungen auf das Vorhandensein von Eis oder/und Wasser oder/und Luft schließen zu können. Mittels der erfindungsgemäßen Messeinrichtung können entsprechende Messungen durchgeführt werden.
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Die Messeinrichtung ist bei bestimmten Ausführungsformen zur Strom- oder/und Spannungsmessung in einem die Messelektroden enthaltenden elektrischen Stromkreis ausgebildet, wobei sie auf Grundlage bei verschiedenen Frequenzen des Anregungssignals gewonnener Strom- oder/und Spannungsmesswerte Informationen über eine elektrische Eigenschaft eines in dem Nassraum befindlichen Mediums zu ermitteln vermag. Die elektrische Eigenschaft ist beispielsweise ein Leitwert, eine Impedanz oder eine Kapazität des Mediums.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Es stellen dar:
- 1 schematisch Komponenten einer Haushalts-Waschmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 2 ein schematisches Blockdiagramm verschiedener Funktionsteile einer Messeinrichtung der Waschmaschine der 1, 3a und 3b Diagramme zur Veranschaulichung der Abtastung eines Referenzsignals und der Entstehung eines resultierenden Anregungssignals in der Messeinrichtung der 2.
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Es wird zunächst auf 1 verwiesen. Die dort dargestellte Waschmaschine ist allgemein mit 10 bezeichnet. Die Waschmaschine 10 ist im gezeigten Beispielfall vom Frontlader-Typ und weist in an sich bekannter Weise ein Maschinengehäuse 12 auf, in welchem ein Laugenbehälter 14 gelagert ist, in dem eine Waschtrommel 16 drehbar aufgenommen ist. Der Innenraum des Laugenbehälters 14 bildet einen Nassraum, in welchem sich im Betrieb der Waschmaschine 10 das Waschwasser sammelt. Zur Steuerung des Betriebs der Waschmaschine 10 sind Informationen über den Leitwert bzw. die Impedanz des Waschwassers wünschenswert; anhand solcher Informationen reguliert eine Steuereinheit 18 der Waschmaschine 10 beispielsweise die Dosierung eines Waschmittels oder/und die Dosierung der Wasserzufuhr oder/und den zeitlichen Verlauf des Waschprogramms. Eine allgemein mit 20 bezeichnete, durch einen gestrichelten Kasten angedeutete Messeinrichtung dient zur Erfassung entsprechender Messwerte für den Leitwert bzw. die Impedanz.
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Die Messeinrichtung 20 umfasst im gezeigten Beispielfall ein Sensorbauteil 22 mit mehreren (hier: zwei) Messelektroden 24, welche in den Innenraum des Laugenbehälters 14 ragen und bei Anwesenheit von Wasser in dem Laugenbehälter 14 in Kontakt mit dem Wasser gelangen. Die Messelektroden 24 können beispielsweise Stabelektroden oder Plattenelektroden sein. Die Messeinrichtung 20 umfasst des Weiteren eine Generator- und Auswerteschaltung 26, die beispielsweise einen oder mehrere Mikrocontroller 28 enthält. Die Generator- und Auswerteschaltung 26 dient zur Erzeugung eines elektrischen Anregungssignals, das an die Messelektroden 24 angelegt wird. Das Anregungssignal ist ein Wechselspannungssignal insbesondere mit zumindest angenähert sinusförmigem Verlauf, wobei die Generator- und Auswerteschaltung 26 in der Lage ist, das Anregungssignal mit veränderlicher Frequenz zu erzeugen. Je nach Leitwert bzw. Impedanz des Mediums zwischen den Messelektroden 24 variiert der Stromfluss zwischen den Messelektroden 24. Die Generator- und Auswerteschaltung 26 ist in der Lage, den Strom zu messen, der in einem die Messelektroden 24 enthaltenden elektrischen Stromkreis fließt. Aus der Spannung des Anregungssignals und dem gemessenen Strom kann die Generator- und Auswerteschaltung 26 auf die (komplexe) Impedanz bzw. den Leitwert des Mediums zwischen den Messelektroden 24 rückschließen. Die gewonnenen Messwerte setzen sich aus einem Realteil und einem Imaginärteil zusammen, sind also komplexe Werte. Der Realteil repräsentiert den ohmschen Widerstand, während der Imaginärteil eine Reaktanz (Blindwiderstand) repräsentiert, die von der Kapazität entlang der Messstrecke bestimmt wird. Durch Auswertung des Imaginärteils kann deshalb eine Kapazitätsmessung des untersuchten Mediums durchgeführt werden. Dies kann nicht nur, aber insbesondere dann sinnvoll sein, wenn das Haushaltsgerät nicht, wie in 1, eine Waschmaschine ist, sondern beispielsweise ein Kühlschrank oder eine Gefriertruhe.
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Die von der Generator- und Auswerteschaltung 26 gewonnenen Informationen über den Leitwert bzw. die Impedanz werden der Steuereinheit 18 zugeführt, die auf Basis der erhaltenen Informationen den Betrieb der Waschmaschine geeignet steuert. Für weitere Details der Messeinrichtung 20 und insbesondere der Generator- und Auswerteschaltung 26 wird nun ergänzend auf die 2, 3A und 3B verwiesen.
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2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm verschiedener Funktionsteile der Messeinrichtung 20. Zu den funktionalen Bestandteilen der Messeinrichtung 20 gehört ein Signalgenerator 30, der ein typischerweise sinusförmiges Referenzsignal 32 einer gegebenen Signalfrequenz erzeugt. Der Signalgenerator 30 ist beispielsweise von dem Mikrocontroller 28 der 1 gebildet. Er ist bei bestimmten Ausführungsformen als digitaler Signalgenerator ausgestaltet, der durch in der Fachwelt an sich bekannte digitale Methoden das Referenzsignal 32 erzeugt. Funktional nachgeschaltet ist dem Signalgenerator 30 eine Abtast-Halte-Schaltung 34, welche eine periodische Abtastung des Referenzsignals 32 mit einer Abtastfrequenz bewirkt, die zu einer Unterabtastung führt, also einer Abtastung mit einer Abtastfrequenz, die unterhalb der doppelten Signalfrequenz des Referenzsignals 32 liegt. Näheres hierzu findet sich weiter unten im Zusammenhang mit der Erläuterung der 3a und 3b. Zur Abtastung des Referenzsignals 32 kann die Abtast-Halte-Schaltung 34 einen Schalter umfassen, der mittels geeigneter Abtastimpulse (Steuerimpulse) in seinem Schaltzustand beeinflusst werden kann. Die Abtastimpulse werden beispielsweise ebenfalls von dem Mikrocontroller 28 bereitgestellt und digital erzeugt. In an sich bekannter Weise kann die Abtast-Halte-Schaltung 34 z.B. eine Kondensatoranordnung enthalten, welche einen abgetasteten Signalwert des Referenzsignals 32 bis zu einem nächsten Abtastimpuls speichert, sodass eine Art von Treppensignal am Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung 34 bereitgestellt wird.
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Das abgetastete Signal - bezeichnet mit 36 - wird mittels eines Tiefpassfilters 38 gefiltert, was zu einer Glättung des von der Abtast-Halte-Schaltung 34 ausgegebenen Treppensignals führt. Das gefilterte Signal - bezeichnet mit 40 - weist zumindest bei bestimmten Ausführungsformen wenigstens angenähert einen sinusförmigen Verlauf auf. Das Filter 38 kann in analoger Schaltungstechnik aus R-, C- oder/und L- Bauelementen aufgebaut sein. Derartige Bauelemente können zusammen mit dem Controller 28 auf einer gemeinsamen Leiterplatte montiert sein. Entsprechendes gilt für die Abtast-Halte-Schaltung 34, die gleichermaßen in analoger Schaltungstechnik realisiert und auf einer gemeinsamen Leiterplatte mit dem Mikrocontroller 28 montiert sein kann. Für die Schaltfunktion der Abtast-Halte-Schaltung 34 kann beispielsweise ein Halbleiterbauelement verwendet werden.
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Das gefilterte Signal 40 bildet, gegebenenfalls nach Verstärkung in einem Verstärker 42, das Anregungssignal für die Elektroden 24. Dieses ist in 2 mit 44 bezeichnet. In dem Stromkreis, in welchem die Elektroden 24 liegen, ist im gezeigten Beispielfall ein Strommesser 46 angeordnet, der den elektrischen Strom misst, welcher in einem über die Elektroden 24 führenden Strompfad fließt. Darüber hinaus ist besagter Stromkreis mit einem Spannungsmesser 48 ausgeführt, um die an den Elektroden 24 anliegende Spannung zu messen. Z.B. führen der Strommesser 46 oder/und der Spannungsmesser 48 eine Effektivwert- oder Spitzenwertmessung durch. Unter Umständen kann auf den Spannungsmesser 48 verzichtet werden, sofern am Ausgang des Verstärkers 42 ein Wechselspannungssignal definierten Spannungswerts bereitgestellt wird. Der Strommesser 46 und der Spannungsmesser 48 können auf derselben Platine angeordnet sein, auf der sich der Mikrocontroller 28 befindet. Der Mikrocontroller 28 kann zumindest Teile der Funktionen des Strommessers 46 oder/und des Spannungsmessers 48 ausführen.
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Das Sensorbauteil 22 kann ein z.B. aus Kunststoff gefertigtes Sensorgehäuse (nicht näher dargestellt) umfassen, an welchem die Messelektroden 24 gehalten sind. Beispielsweise ragen die Messelektroden 24 durch eine Gehäusewand des Sensorgehäuses hindurch nach außen. Das Sensorgehäuse kann seinerseits an dem Laugenbehälter 14 in einer Weise montiert sein, dass die Messelektroden 24 in den Nassraum im Inneren des Laugenbehälters 14 ragen. Die erwähnte Platine kann in das Sensorgehäuse eingesetzt sein, wobei bei Bedarf zusätzliche Messfunktionen, z.B. optische Messfunktionen oder/und eine Temperaturmessfunktion, in das Sensorbauteil 22 integriert sein können. Es kann so die Messeinrichtung 20 als ein einzelnes, kompaktes Bauteil realisiert werden, wobei die in 2 gezeigten Funktionseinheiten 30, 34, 38, 42, 46, 48 auf einer gemeinsamen Platine untergebracht werden können. Die Auswertung der gewonnenen Strom-und Spannungsmesswerte erfolgt in dem Mikrocontroller 28, der daraus Werte berechnet, welche für den Leitwert bzw. die Impedanz des Mediums zwischen den Elektroden 24 repräsentativ sind.
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Ein Aspekt der hier offenbarten Erfindung ist es, die Leitwert- bzw. Impedanzmessung nicht nur bei einer einzelnen Frequenz des Anregungssignals 44 durchzuführen, sondern ein spektroskopisches Verfahren durchzuführen, bei welchem die Signalfrequenz des Anregungssignals 44 variiert wird und gegebenenfalls zumindest bei bestimmten Ausführungsformen eine Frequenzkennlinie des Leitwertes bzw. der Impedanz ermittelt wird. Zur Frequenzvariation des Anregungssignals 44 bleibt bei dem gezeigten Ausführungsbespiel die Signalfrequenz des Referenzsignals 32 unverändert. Stattdessen wird die Abtastrate, mit welcher die Abtast-Halte-Schaltung 34 das Referenzsignal 32 abtastet, variiert. Soweit das Referenzsignal 32 und die Steuerimpulse für die Abtast-Halte-Schaltung 34 unter Verwendung einer gemeinsamen Zeitbasis digital erzeugt werden (eine solche Zeitbasis kann in dem Mikrocontroller 28 in Form eines Taktgebers vorhanden sein), sind unerwünschte Schwankungen der Abtastrate relativ zur Signalfrequenz des Referenzsignals 32 nicht oder jedenfalls nur in unerheblichem Maße zu befürchten, weswegen das Anregungssignal 44 mit hoher Frequenzstabilität erzeugt werden kann.
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Es wird nun ergänzend auf die 3a und 3b verwiesen. In beiden Figuren steht die horizontale Achse für die Zeit, während die Hochachse für die (Spannungs-) Amplitude der in den 3a, 3b gezeigten Signale steht. Das Referenzsignal 32 ist in den 3a, 3b als Sinussignal dargestellt, wobei in beiden Figuren ein unterschiedlicher Zeitmaßstab verwendet ist. Beiden Figuren liegt die Annahme einer gleichen Signalfrequenz des Referenzsignals 32 zugrunde. Als reines Zahlenbeispiel kann die Frequenz des Referenzsignals 32 beispielsweise 10 kHz betragen. Ein Referenzsignal mit einer derartigen Frequenz kann auf digitale Weise gut mit einem Taktgeber (Clock) erzeugt werden, der mit einer Taktfrequenz im insbesondere niedrigen zweistelligen MHz-Bereich arbeitet, z.B. mit ungefähr 16 MHz. Entsprechende Microcontroller sind vergleichsweise kostengünstig am Markt erhältlich.
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Beispielhafte Abtastzeitpunkte, zu denen das Referenzsignal 32 durch die Abtast-Halte-Schaltung 34 abgetastet wird, sind in 3a bei 48 jeweils durch ein Kreuz zeichnerisch angedeutet. Im gezeigten Beispielfall ist die aktuelle Abtastrate geringfügig kleiner als die Signalfrequenz des Referenzsignals 32, d. h. der zeitliche Abstand zweier aufeinander folgender Abtastungen ist geringfügig größer als eine volle Periodendauer des Referenzsignals 32. Um wieder ein allein zum Zwecke der Veranschaulichung dienendes Zahlenbeispiel zu geben, beträgt die Abtastrate beispielsweise etwa 9,95 kHz. Es versteht sich, dass dies sozusagen nur eine Momentaufnahme ist, da - wie erläutert - die Abtastrate relativ zur Signalfrequenz des Referenzsignals 32 variiert wird, um ein frequenzveränderliches Anregungssignal zu generieren. Der angegebene Zahlenwert der Abtastrate - obwohl ohnehin nur beispielhaft - ist insoweit nicht statisch zu verstehen.
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In 3a ist darüber hinaus das am Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung 34 bereitstehende Abtastsignal 36 veranschaulicht (hier als ideales Treppensignal). Es versteht sich, dass in einer realen Schaltung das Abtastsignal 36 gewisse Abweichungen von einem idealen Treppensignal haben wird, insbesondere dann, wenn in gewissem Umfang Entladungsvorgänge bei einem Haltekondensator auftreten, bevor eine nächste Abtastung des Referenzsignals 32 erfolgt.
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In 3b ist neben dem Referenzsignal 32 das gefilterte, mithin geglättete Abtastsignal 40 veranschaulicht, dessen Signalfrequenz der Differenz der Signalfrequenz des Referenzsignals 32 und der Abtastfrequenz entspricht. Im genannten Beispielfall einer Signalfrequenz des Referenzsignals von 10 kHz und einer aktuellen Abtastrate von 9,95 kHz hätte das geglättete Abtastsignal 40 dementsprechend eine Signalfrequenz von 50 kHz. Durch Variation der Abtastrate kann die Frequenz des geglätteten Abtastsignals 40 variiert werden, wobei es bei einer praktischen Realisierung des Erfindungskonzepts beispielsweise genügen kann, die Frequenz des Anregungssignals 44 in einem Bereich von einigen hundert Hz zu variieren. Beispielsweise kann unter der Annahme einer Signalfrequenz des Referenzsignals von 10 kHz die Frequenz des Anregungssignals bis zu einer oberen Grenze von etwa 1 kHz, oder allgemein bis zu etwa einem Zehntel der Signalfrequenz des Referenzsignals, variiert werden. Nach unten hin können Kapazitäten in der Schaltung die erreichbare Frequenz des Anregungssignals begrenzen. Der Variationsbereich für die Frequenz des Anregungssignals kann beispielsweise eine Untergrenze im zweistelligen Hertz-Bereich haben, so z.B. bei etwa 50 Hz.
