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Verfahren zur Analog- Digital-Umsetzung von 3pennungs werten Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung von Spannungswerten mittels
eines Integrators und eines ihm nachgeschalteten Komparators, wobei in einer Meßphase
ausgehend von einer Anfangsbedingung eine erste Integration des jeweiligen Spannungswertes
und danach in einer Auswertephase mindestens eine weitere Integration eines Referezspannungswertes
mit zur ersten Integration entgegengesetztem Vorzeichen bis zui durch die Schalt
schwelle des Komparators festgestellten Erreichen der Anfangsbedingung durchgefUhrt
und die für die weitere Integration erforderliche Zeit als ein dem Spannungswert
proportionaler digitaler Wert dargestellt wird.
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Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise dazu geeignet, gemessene
Spannungswerte digital zu verarbeiten, Der Jewellige Spannungswert wird dabei in
dem Analog-Digital-Umsetzer in eine proportionale Zahl ungesetzt. Diese
Zahl
kann entweder mit Digitalrechnern weiter verarbeitet oder mit einem Digitalvoltmeter
lediglich angezeigt werden.
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Um möglicht genaue Meßergbnisse zu erzielen, soll der Analog-Digital-Uisetzer
mit geringstmöglichen Fehlern arbeiten. Dies gilt insbesondere fur solche Anwendungsfälle,
in denen gemessene Spannung werte innerhalb eines sehr großen Dynamikbereiches umzusetzen
sind. Eine solch.
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Anwendung ist z.B. in der Gaschromatografie gegeben. Dabei werden
Analysen durch Auswertung der Eigenschaften von Gasen durchgeführt, wobei diese
Eigenschaften in Form winziger bis relativ geringer Spannungswerte gemessen werden.
Diese Spannungswerte können als Spannungsverläufe über der Zeit aufgezeichnet terden;
Die dabei auftretende Dynamik liegt in der Größenordnung von 106 Ein Verfahren zur
Analog-Digital-Umsetzung von Spannungswerten, wie es eingangs beschrieben ist, wird
auch als Doppelrampenintegrationsverfahren bezeichnet, well lediglich zwei Integrationen
durchgeführt werden. Der jeweils gemessene Spannungswert wird in einer Meßphase
mit dem Integrator nach Einstellung einer Anfangsbedingung aufintegriert. Die Zeit
für diesen Integrationsvorgang ist durch einen den Integrationsvorgang steuernden
Taktgenerator vorgegeben. Danach wird ein Referenzspannungswert an den Integrator
angeschlatet, dessen Vorzeichen demJenigen des gemessenen Spannungswertes entgegengesetzt
ist.
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Wenn nun in einer Auswertephase eine weitere Integration in zur ersten
Integration entgegengesetzter Richtung durchgeführt wird, so können gleichzeitig
die Taktimpulse gezählt werden, welche auf diese Integration entfallen.
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Durch diese Auszählung der Taktimpulse bzw. Integrations zeitverhältnismessung
erhält man eine digitale Zahl, die
ein Maß für die zuvor integrierte
Meßspannung ist.
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Es ist auch möglich, mehrere zweite Integrationen durchzuführen, die
mit unterschiedlichen Referenzspannungen durchgeführt werden. Dadurch kann der gesamte
Ausfertungsvorgang verkürzt werden.
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Zur bestimmung des Zeitpunktes, zu dem die Anfangsbedingung wend des
Integrationsvorganges wieder erreicht wird, dient ein dem Integrator nachgeschalteter
Komparator, dessen Schaltschwelle möglichst genau der Anfangsbedingung entsprechen
soll. Ist beispielsweise als Anfangsbedingung eine Spannung von 0 Volt vorgesehen,
so ermittelt der komparator den Augenblick, in dem die Ausgangsspannung des Integrators
wieder den Wert O Volt erreicht hat.
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Für einen Analog-Digital-Umsetzer, der nach dem vorstehend beschriebenen
Verfahren arbeitet, sind zur Wandlung von Spannungswerten hoher Dynamik bei größtmd'glicher
Fehlerfreiheit genau arbeitende Baustufen erforderlich. Diese Anforderung ist insbesondere
an den Komparator zu stellen.
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Dieser muß sehr schnell arbeiten, damit die Nuildurchgänge des auszuwertenden
Spannungsverlaufs auch bei hoher Dynamik zeitlich genau er£aßt werden.
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Ein Integrator und ein Komparator kannen durch je einen Operationsverstärker
gebildet wsrden, wobei dem Integratorverstärker ein Kondensator als Integrationselement
zugeordnet ist, über den der Verstärkerausgang mit dem Verstärkereingang verbunden
ist. Ein Operationsverstärker ist ein Gleichspannungsverstar'ker mit hoher Verstärkung,
bei dem das Ausgnagsruhepotential den Wert 0 hat. Bei der Verstärkung von Gleichspannungen
müssen die Änderungen
der Eingenschaften der verwendeten aktiven
und passiven Schaltelemente klein gegenüber der Signalspannung sein.
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Dies gilt insbesondere für die Temperaturabhängigkeit von Transistoren.
Die Temperaturdrift eines Transistors läßt sich praktisch nicht beeinflussen, eine
gewisse Abhilfe ist jedoch durch Verwendung eines Differenzverstärkers möglich,
der lediglich die Differenz zweier Eingangsspannungen verstärkt. Auf die Ausgangsspannung
wirkt sich dann lediglich die Drifftdifferenz zweier Transistoren aus.
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Soll nur eine Eingangsspannung verstärkt werden, so kann einer der
beiden Eingänge des Differenzverstärkers auf Nullpotential bzw. auf Schaltschwellenpotential
gelegt werden. Von diesem Prinzip wird bei der Anwendung des Operationsverstärkers
als Integratorverstärker und als Komparaturverstärker in bekanneten Analog-Digital-Umsetzen
Gebre@ch gemacht. Zur Driftkompensation sind die zweiten Eingänge beider Verstärker
über regelbare Widerstände mit Nullpotential verbunden, mit denen ein Nullabgleich
durchgeführt wird, so daß es möglich ist, auch sogenannte Offsetspannungen zu kompensieren,
die beispielsweise durch @@terschiedlicke Fasis-Emitterspannung der im Differenzverstärker
vorgesehenen beiden Transistoren entstehen.
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Former kann eine eine Offsetspannungsdrift entstehen, die bei konstanten
Kelle@@@erstren durch abnehmende Basis-Emitterspannung bei steigender Temperatur
verursacht wird. Diese Offsetspannungsdrift wird am Ausgang eines Operationsverstärkers
als Ausgangspannungsdrift wirksam. Sie kann durch zusätzliche @@@@p@asierende Schaltelemente
verringert werden, die eine gegenennte Gleichsktektunterdrückung bewirken. Außerdem
kann imfolge der Tatsache, daß zwei Transistoren niemals einen Übereinstimmenden
Temperaturkoeffiezienten haben, eine Differenzspannung am Ausgang eines Operationsverstärkers
entstehen, die neben der Gleichtaktspannung
auftritt. Der Temperaturkoeffizient
des jeweiligen Trsnsistors kann durch Veränderung des Kollektorstroms gehindert
werden, wozu gleichfalls bei einem der beiden Transistoren des Differenzverstärkers
ein Xullabgleich durchgeführt wird.
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Die bekannten Möglichkeiten zur Beseitigung der vorstehend beschriebenen
Drifterscheinungen und Offsetspannungen sind bei solchen Analog-Digital-Umsetzen,
die schnell und genau arbeiten müssen, nicht ausreichend. Zur Verwirklichung eines
schnellen Schaltverhaltens werden als aaktive Schaltelemente z.B. Bipolartransigtoren
verwendet. Diese haben jedoch sehr hohe Eingangsruheströme, , deren Folge eine ungenaue
Schaltschwelle ist. Der Eingangsruhestrom kann gleichfalls mit einstellbaren Widerständen
kompensiert werden, die am zweiten Eingang eines Differenzverstärkers vorgesehen
sind und diesen z.B. mit Nullpotential verbinden. Mit solchen Anordnungen ist jedoch
eine Kompensation der Offsetstromdrift nicht möglich, gerade dieser Wert kann jedoch
bei Operationsverstärkern mit bipolaren Transistoren relativ groß sein.
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Aus den vorstehend beschriebenen Nachteilen der Operationsverstärker
ergibt sich das Erfordernis, bei einem Analog.
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Digital-Umsetzer- den IntegratorverstILrker und auch den Komparatorverstärker
so zu eichen, daß im Ruhezustand, in dem Nullpotential am Meßeingang des Integratorverstärkere
liegt, al Ausgang des Komparatorverstärkers gerade die Schaltschwelle für logische
Entscheidungen der nachfolgenden Zählersteuerung auftrift. Außerdem muß für ein
Umsetzungsverfahren der oben beschriebenen Art möglichst gewährleistet sein, daß
insbesondere nach erfolgter V-setzung keine Drifterscheinung aufgetreten ist, die
die
auf einen bestimmten Wert kompensierten Offsetspannungen der
beiden Verstärker geändert hat und bewirkt, daß das Ausgangsniveau der Integrationsvorgänge
nicht mehr mit deren Endniveau übereinstimmt. Diese Forderungen werden durch die
bekannten Kompensationsmöglichkeiten für Operationsverstärker jedoch dann nicht
mehr ausreichend erfüllt, wenn Spannungswerte innerhalb eines hohen Dynamikbereiches
auszuwerten sind. Die durch nicht kompensierbare Drift erscheinungen erzeugte Fehlergröße
wirkt eich dann bei der Auswertung geringer Spannungen mit einem sehr hohen prozentualen
Anteil aus.
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Ein derartiger Fehler könnte nach der Umsetzung des Jewelligen Spannungswertes
in die digitale Fomn in Anrechnung gebracht werden, sofern er in seiner Größe jeweils
erfaßbar wäre. Nach der Digitalisierung können Fehler der beschriebenen Art nämlich
nicht mehr auftreten. Zur Anrechnung eines solchen Fehlers wäre jedoch ein erheblicher
schaltungstechnischer Aufwand für Fehlererfassungs-, Umsetzungs- und Anapassungsmaßnahmen
erforderlich.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung
zu schaffen, welches sich durch eine hohe Genauigkeit auszeichnet und gewährleistet,
daß die während der 3eweiligen Umsetzung durchgefuhrten Integrationsvorgänge übereinstimmende
Anfangs- bzw. Endniveau aufweisen, was bedeuetet, daß der Beginn der Meßphase in
einem Schaltzustand einsetzt der mit dem Schaltzustand des Endes der Auswertephase
möglichst genau Ubereinstimmt.
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Ein Verfahren der eingangs gennaten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe
erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß
der Eingang des Integrators
vor der Meßphase in einer Justierungsphase an ein vorgegebens Bezugspotential gelegt
und die dabei am Ausgang des Komparators auftretende Größe in eine Regelschleife
mit Speicherigenschaften eingespeist wird, die eine durch die Ausgangsgröße des
Komparators erzeugte Korrekturspannung an den Eingang des Integrators liefert und
zu Beginn der Meßphase vom Komparatorausgang abgetrennt wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird zuverlässig erreicht, daß
der Integrator seine Integration auf einem Niveaug beginnt, das mit dem Niveau des
Endes der Integrationsvorgänge übereinstimmt. Hierzu wird an den Eingang des Integrators
in der Justierungsphase ein vorgegebenes Potential angeschaltet, welches einen bestimmten
von jeweiligen Augenblicksfehler des Integrator-. und des Komparatorverstärkers
abhängigen Wert des Ausgangssignals am Komparatorverstärker zur Folge hat. Wird
dieser Wert in die Regelschleife eingespeist und zur Bildung einer Korrektur verwendet,
so kann er am Eingang des Integratorverstärkers einen ganz bestimmten Schaltzustand
erzeugen, in dem eine zusätzliche Korrektur von Abweichungen erfolgt, die nach einer
Kompensation von Offsetspannungen und -strömen durch Drifterscheinungen verursacht
werden. Über die normale Kompensation hinaus erfolgt also eine Korrektur des jeweils
als vom vorgegebenen Potential abweichende Komparatorausgangsgröße auftretenden
Augenblicksfehlers. Wird dann zu Beginn der Meßphase die Regelschleife geöffnet,
so kann der Korrekturwert am Eingang des Integratorverstärkers infolge der Speichereigenschaften
der Regelschleife gehalten werden, so daß erals Korrekturwert während des gesamten
Auswertevorganges erhalten bleibt. Evtl. Drifterscheinungen während der
relativ
kurzen Auswertephase, deren Dauer in der Grö-Benordnung von 10 msec liegt, können
dabei vernachlässigt werden. Dem Integratorverstärker wird bei erfindungsgemäßen
Verfahren während des gesamten Ausewertevorganges ein genau definiertes Ausgangsniveau
aufgezwungen, welches durch die Schaltungschwelle des Komparatorverstärkers bestimmt
ist. Diese hängt von der Drift des Komparatorverstärkers ab. Da diese im Vergleich
zu der sehr kurzen Auswertezeit sehr langsame Änderungen erzeugt, fällt sie als
Fehleranteil nicht mehr ins Gewicht.
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Das Verfahren nach der Erfindung bringt nicht nur Vorteile bei der
Anwendung von Halbleiterbauelementen, sondern es kann ebense z.B. auch mit Elektronenröhren
als aktiven Schaltelementen verwirklicht werden. Auch bei diesen treten Drift erscheinungen
durch Temperatureinflüsse auf, die zwar einen anderen Umfang haben, jedoch gleichfalls
zu einigen der vorstehend beschriebenen Probleme führen.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann zweckmäßig derart weiter ausgebildet
sein, daß in der Regelschleife eine Eingstellung der eingespeisten Ausgangsgröße
des Komparators auf einen die Abweichung der Integratorausgangsspannung von den
durch das vorgegebene Potential bestimmten Wert kompensierenden Wert vorgenommen
wird. Die Ausgangsgröße des Komparators wird also durch Bemessung der Schaltelemente
der Regelschleife so dimensioniert, daß der schließlich am Eingang des Integrators
auftretende Wert gerade eine Beseitigung der beschreibenen Änderung der Integratorausgangsspannung
zur Folge hat. Dabei kann die so erzeugte Korrekturspannung derart bemessen werden,
daß
auch solche Fehler ausgeglichen werden, die bereits am Eingang des Integrators auftreten
und z.B. durch vorgeordnete Verstärker erzeugt werden.
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Zweckmäßig wird ein Komparator verwendet, dessen Schaltschwelle bei
dem durch das vorgegebene Potential bestimmten Ausgangsspannungswert des Integrators
liegt. Wenn als vorgegebenes Potential Nullpotential verwendet wird, dann ergibt
sich dadurch ein Schaltzustand, in dem der Komparator einen Korrekturwert liefert,
der die Ausgangsspannung des Integrators dauernd um einen Wert herum pendeln läßt,
der der Schaltschwelle des Komparator8 entspricht.
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Als Speicherelement wird in der Regelschleife in weiterer Ausbildung
des Erfindungsgedankes ein Hilfsintegrator verwendet, an dessen Ausgang der kompensierende
Wert erschheit. Dieser integriert einen vom Komparator gelieferten Ausgangsspannungswert
und wirkt bei Abtrennung der Regelschleife vom Komparator als ein Haltekreis. Er
hält den durch Integration gewonnenen Korrekturwert bis zum Ende des gesamten Umsetzungsvorganges.
Dadurch ist während derselben Zeit die Offsetspannung des Integrators immer kompensiert.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiel einer Schaltungsan ordnung zur Drrchfuhrung des Verfahrens beschriebene
Es zeigens Fig. 1 das Funktionsbild eines Analog-Digital-Umsetzers und
Fig.
2 das Schaltdiagramm eines elektronischen Schalters zur Auftrennung der gemäß der
Erfindung vorgesehenen Regelschleife.
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In Fig. 1 ist ein Analog-Digital-Umsetzer dargestellt, der nach dem
Doppel5ntegrationaveriahren arbeitet. Fr ist aus einem Integrator 1 mit zugeordaetem
Widerstand 5 und Kondensator 4 und einem Komparator 2 aufgebaut.
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Sein Eingang kann durch eine elektrische Steuerschaltung 14, die einen
EingangsschQIter 12 betätigt und z.B. eine Steuerlogik einer Datenverarbeitungseinrichtung
ist, an eine zu messende Spannung Ux und an eine Referenzspannung Ur angeschaltet
werden. Mit dem Eingangsschalter 13 ist ferner die Anschaltung des vorgegebenen
Potenta1s Up möglich. Der Ausgang A des Komparators 2 liefert die umgesetzten digitalen
Daten und ist über eine Regelschleife mit dem Eingang des Integratorverstärkers
1 verbunden.
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Diese Regelschleife ist aus einem Spannungsteiler 6,7, einem Schalter
11, einem Hilfsintegrator 3 mit Eondensator 9 und Widerstand 8 und einem Anpassungswiderstand
10 gebildet. Der Spannungsteiler ist zur Symmetrierung der Ausgangsspannung des
Komparators 2 =B, zum Spannungswert 0 Volt vorgesehen, um den Hilfsintegrator gleichmä
ßig zu positiven und negativen Spannungen ansteuern zu kennen. Der Schalter 11 ist
gleichfalls durch die elektrische Steuerschaltung 14 steuerbar.
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Die Einstellung der gesamten Anordnung nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren erfolgt vor Jedem Umsetzungsvorgang in einer besonderen Justierungsphase,
in der als vorgegebenes Potential Nullpotential über den Eingangsschalter 13 an
den Eingang des Integrators 1 angeschaltet wird. Dabei ist der Schalter 11 in der
Regeischleife geschlossen. Liegt die Schaltschwelle des Komparators 2
bei
0 Volt, so wird der Integrator 1 über die Regelschleife durch entsprechende Bemessung
der Widerstände 6 und 7 und der Integrationskonstante des Hilfsintegrators 9 so
gesteuert, daß die Ausgangsspannung des Integrators 1 um einen Wert herumpendelt,
der der Schaltschwelle des Komparators 2 entspricht. Jede Abweichung der Ausgangsspannung
des Integrators 1 von der Schaltschwelle des Komparators 2 wird durch eine entsprechende
Ausgangsgröße des Komparators 2 Uber den Schalter 11 in der Regelschleife wirksam.
Am Ausgang des Hilfsintegrators 3 baut sich dadurch eine Korrekturspannung auf,
mit der die Abweichung der Ausgangsspannung des Integrators 1 von dem durch das
vorbestimmte Potential vorgegebenen Wert rückgängig gemacht werden kann. Eine evtl.
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Drifterscheinung und damit verbundene Änderung der Ausgangsspannung
des Integrators 1 an also wirksam kompensiert werden. Durch die Regelschleife wird
eine ganz bestimmte Anfangsbedingung erzeugt, die mit der Schaltschwelle des Komparators
2 überinstimmt. Bei Beginn der Meßphase bewirkt die elektrische Steuerschaltung
14 eine Umschaltung des Eingangsschalters 12 auf die zu messende Spannung Ux und
eine Öffnung des Schalters 11 in der Regelschleife. Der Hilfsintegrator 3 arbeitet
nun als Halteschaltung und hält den einmal erzeugten Korrekturwert, wodurch bis
zum Ende des gesamten Umsetzungsvorganges eine Kompensation der jeweiligen Offsetspannung
des Integrators 1 möglich ist. Außerdem ist gewährleistet, daß der Integrator die
Integration auf ein und demselben Niveau beginnt und beendet.
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Der in Fig. 2 dargestellte Schalter kann als Schalter 11 in der Regel
schleife verwendet werden. Seine Steuerung erfolgt am Eingang 20 mit elektrischen
Steuersignalen
der Steuerschaltung 14 (Fig. 1). Als Schalterelement
enthält er einen Feldeffekttransistor 21, der unmittelbar in die Regelschleife gelegt
ist. Der Anschluß 24 ist mit dem Spannungsteiler 6,7 (Fig. 1) am Ausgang des Komparators
2 verbunden, während der Anschluß 25 zum Widerstand 8 (Fig. 1) des Hilfsintegrators
3 führt. Der Fedeffekttransistor 21 wird durch die Steuersignale am Eingang 20 über
zwei Transistoren 22 und 23 gesteuert.
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Hat das Steuersignal am Eingang 20 den logischen Pegelwert "1", so
sind die beiden Transistoren 22 und 23 gesperrt. Die vom Komparator über den Spannungsteiler
6,7 gelieferte Signalspannung liegt an der Source- und an der Gateelektrode des
Feldeffektransistors 21. In diesem Zustand ist der Feldeffektransistor 21 leitend.
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Liegt am Steuereingang 20 ein Signal mit dem logischen Pegelwert "0",
so werden die Transistoren 22 und 23 leitend. Dadurch liegt die negative Betriebsspannung
über den Transistor 23 an der Gateelektrode des Feldeffekttransistors 21, so daß
dieser gesperrt ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wurde vorstehend für den Anwandungsfall
auf einen Analog-Digital-Umsetzer beschrieben, der nach dem Doppelintegrationsverfahren
arbeitet.
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In gleicher Weise läßt sich die Erfindung jedoch auch auf solche Umsetzer
anwenden, die nach einem Integrationsverfahren arbeiten, welches in mehr als zwei
Stufen durchgeführt wird. Da hierzu lediglich die Steuerung des Umsetzungsvorganges
anders ausgebildet ist, sind an der beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehenen
Regelschleife keine Änderungen vorzunehmen.