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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abstimmen
eines Eingangssignals
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US 5 923 164 beschreibt
eine Signalabstimmvorrichtung mit einem Verstärkungselement, einer variablen
Impedanz und einer Steuervorrichtung. Das Verstärkungselement ist ein Operationsverstärker mit
einem Eingang zum Empfangen eines abzustimmenden Eingangssignals
und einem Ausgang mit einem Ausgangssignal. Ein Rückkoppelweg
erstreckt sich vom Ausgang zum Eingang. Die variable Impedanz ist
in dem Rückkopplungsweg
zum Variieren der Verstärkung
des Operationsverstärkers
vorgesehen. Die variable Impedanz umfasst eine Mehrzahl von Widerständen und
eine Mehrzahl von Schaltern. Die Widerstände sind in dem Rückkoppelweg
in Reihe geschaltet. Jeder der Widerstände hat einen parallelen Schalter
zum Schalten des Widerstandes in den oder aus dem Rückkoppelweg.
Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers ist als ein Eingangssignal
an die Steuervorrichtung angeschlossen. Basierend auf diesem Eingangssignal
erzeugt die Steuervorrichtung eine Mehrzahl von Schaltsignalen,
die an die Schalter der variablen Impedanz angelegt werden. Ferner
empfängt
die Steuervorrichtung eine Minimal-Bezugsspannung und eine Maximal-Bezugsspannung,
die eine Bandbreite für
das Ausgangssignal des Operationsverstärkers darstellen.
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Im
Betrieb vergleicht die Signalabstimmvorrichtung von
US 5 923 164 das Ausgangssignal des Operationsverstärkers mit
der Minimal- und der Maximal-Bezugsspannung. Wenn das Ausgangssig nal kleiner
als die Minimal-Bezugsspannung oder größer als die Maximal-Bezugsspannung
ist, wird die Verstärkung
des Operationsverstärkers
erhöht
oder verringert durch Schalten von geeigneten Widerständen in
den oder aus dem Rückkoppelweg
des Operationsverstärkers.
Wenn das Ausgangssignal größer als
die Minimal-Bezugsspannung und kleiner als die Maximal-Bezugsspannung
ist, wird die Verstärkung des
Operationsverstärkers
nicht verändert.
So wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers in der durch die Minimal-
und die Maximal-Bezugsspannung definierten Bandbreite gehalten.
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ZIEL UND VORTEILE
DER ERFINDUNG
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Ziel
der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abstimmen
eines Eingangssignals zu schaffen, die genauer ist und weniger Aufwand
erfordert.
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Die
Erfindung erreicht dieses Ziel durch ein Verfahren nach Anspruch
1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 3. Ferner wird das Ziel erreicht
durch einen magnetostriktiven Verschiebungswandler nach Anspruch
10.
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Erfindungsgemäß wird das
Eingangssignal in Abhängigkeit
von einer einzigen Bezugsspannung abgestimmt. Daher variiert das
Eingangssignal nicht zwischen zwei Spannungspegeln, sondern schaltet nur
um die einzige Bezugsspannung hin und her. Im Ergebnis bleibt das
Eingangssignal genauer am Spannungspegel der Bezugsspannung.
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Da
außerdem
nur eine einzige Bezugsspannung vorhanden ist, ist auch nur ein
einziger Komparator erforderlich, um das Abstimmen des Eingangssignals
durchzuführen.
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Die
Erfindung ist besser zu verstehen anhand der nachfolgenden Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNGEN DER ERFINDUNG
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1 ist
ein schematisches Diagramm einer Signalabstimmvorrichtung gemäß der Erfindung,
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1a ist
ein schematisches Diagramm einer in der Abstimmvorrichtung von 1 enthaltenen Steuervorrichtung,
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2 ist
ein schematisches Diagramm eines magnetostriktiven Verschiebungswandlers,
der die Signalabstimmvorrichtung von 1 enthält, und
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3 ist
ein schematisches Diagramm des mit der Signalabstimmvorrichtung
von 1 abzustimmenden Signals.
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1 zeigt
eine Signalabstimmvorrichtung 12 mit einem Verstärkungselement 14,
einer variablen Impedanz 22 und einer Steuervorrichtung 30.
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Das
Verstärkungselement 14 ist
ein Operationsverstärker,
der mit wenigstens einem Eingang 16 und einem Ausgang 18 versehen
ist. Der Eingang 16 des Operationsverstärkers empfängt ein Eingangssignal S, welches
das abzustimmende Signal ist. Am Ausgang 18 des Operationsverstärkers ist
ein Ausgangssignal C verfügbar,
welches das abgestimmte Signal ist.
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Der
Ausgang 18 des Verstärkungselementes 14 ist
mit dessen Eingang 16 über
einen Rückkoppelweg 20 verbunden,
der die variable Impedanz 22 enthält.
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Die
variable Impedanz 22 umfasst n + 1 Widerstände 26 und
n + 1 Schalter 24. Die Widerstände 26 sind mit den
Abkürzungen
R0, R1, R2, ..., Rn bezeichnet,
und die Schalter 24 sind mit den Abkürzungen S0,
S1, S2, ..., Sn bezeichnet, wobei n eine beliebige Zahl
größer als
0 ist. Die Widerstände 26 sind
in dem Rückkoppelweg 20 in
Reihe geschaltet. Parallel zu jedem der Widerstände 26 ist einer der
Schalter 24 vorgesehen. Wenn einer der Schalter 24 geschlossen
ist, ist der entsprechende Widerstand 26 aus dem Rückkoppelweg 20 herausgeschaltet.
Wenn jedoch einer der Schalter 24 offen ist, ist der entsprechende
Widerstand 26 in dem Rückkoppelweg 20 wirksam.
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Das
Ausgangssignal C wird als ein Eingangssignal für die Steuervorrichtung 30 bereitgestellt.
Ferner empfängt
die Steuervorrichtung 30 eine Bezugsspannung V und ein
Taktsignal CLOCK als andere Eingangssignale. Die Steuervorrichtung 30 erzeugt
n + 1 binäre
Schaltsignale 32, die mit den Abkürzungen O0,
01, O2, ..., On bezeichnet sind. Jedes einzelne der Schaltsignale 32 ist
einem der Schalter 24 zugeordnet. Je nach Binärzustand
des Schaltsignals 32 ist der entsprechende Schalter 24 offen
oder geschlossen.
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Die
Widerstände
haben einen von R0 bis Rn binär zunehmenden
Widerstandswert. So hat R1 einen Widerstandswert
von 21 mal R0, R2 hat einen Widerstandswert von 22 mal R0, usw.
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In 1 ist
beispielsweise eine Anzahl von acht Widerständen 26, das heißt R0 bis R7, mit einer entsprechenden
Anzahl von acht Schaltern 24, das heißt S0 bis
S7, und acht Schaltsignalen 32,
das heißt O0 bis O7, vorgesehen.
Die acht Schaltsignale 32 können als ein Digitalwert zwischen
der Binärzahl "0000 0000" und der Binärzahl "1111 1111" angesehen werden,
die den Dezi malzahlen "0" und "256" entsprechen. So
kann jeder Widerstandswert zwischen R0 und
256mal R0 je nach dem Digitalwert der Schaltsignale 32 erzeugt
werden.
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Im
Betrieb vergleicht die Steuervorrichtung 30 das Ausgangssignal
C, das heißt
das abgestimmte Signal, mit der Bezugsspannung V. Dieser Vergleich
wird bei jedem Taktsignal CLOCK durchgeführt.
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Wenn
das Ausgangssignal C größer als
die Bezugsspannung ist, wird der Digitalwert der Schaltsignale 32 um
1, das heißt
um die Binärzahl "0000 0001", verringert. Wenn
das Ausgangssignal C nicht größer als
die Bezugsspannung V ist, dann wird der Digitalwert der Schaltsignale 32 um
1, das heißt
um die Binärzahl "0000 0001", erhöht.
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Wenn
also das Ausgangssignal C größer als die
Bezugsspannung V ist, wird der Widerstand des Rückkopplungsweges 20 verringert
und dadurch die Verstärkung
des Verstärkungselementes 14 verringert,
und wenn das Ausgangssignal C nicht größer als die Bezugsspannung
V ist, wird der Widerstand des Rückkopplungsweges 20 erhöht und dadurch
die Verstärkung
des Verstärkungselementes 14 erhöht.
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Im
Ergebnis wird eine solche Erhöhung
oder Verringerung der Verstärkung
des Verstärkungselementes 14 bei
jedem Taktsignal CLOCK durchgeführt.
Wenn das Ausgangssignal C gleich der Bezugsspannung V ist, ist es
möglich,
dass das Ausgangssignal C mit jedem Taktsignal CLOCK abwechselnd
verringert und erhöht
wird.
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1a zeigt
die Steuervorrichtung 30 von 1 detaillierter.
Die Steuervorrichtung 30 umfasst ein Spannungsbewertungselement 42 und
eine Signalerzeugungsschaltung 34. Das Span nungsbewertungselement 42 umfasst
einen Komparator 36, der mit dem Ausgangssignal C des Verstärkungselementes 14 an
einem ersten Eingang 38 und mit der Bezugsspannung V an
einem zweiten Eingang 40 beschaltet ist. Der Komparator 35 erzeugt
ein Ausgangssignal, das der Signalerzeugungsschaltung 34 zugeführt wird.
Die Signalerzeugungsschaltung 34 erzeugt die acht Schaltsignale 32,
das heißt
O0 bis O7, die den
acht Schaltern 24, das heißt S0 bis
S7, zugeführt werden. Die Erzeugung der
acht Schaltsignale 32 wird in Abhängigkeit von dem vom Komparator 36 erzeugten
und der Signalerzeugungsschaltung 34 zugeführten Ausgangssignal
durchgeführt.
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2 zeigt
einen magnetostriktiven Linearverschiebungswandler 58,
der die Signalabstimmvorrichtung 12 von 1 enthält. Der
Wandler 58 umfasst Gehäuseelemente 60,
einen Wellenleiter 64, eine Spule 71 und einen
Magneten 72.
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Der
Wellenleiter 64 besteht aus magnetostriktivem Material
und ist röhrenförmig. Die
Spule 71 ist benachbart zu einem der zwei Enden des Wellenleiters 64 angeordnet.
Das andere der zwei Enden des Wellenleiters 64 ist mit
Dämpfungsmaterial 66 versehen.
Zusätzlich
kann auch das Ende des Wellenleiters 64, das nahe der Spule 71 angeordnet
ist, Dämpfungsmaterial 66 aufweisen.
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Die
Spule 71 umgibt den Wellenleiter 64, ohne ihn
zu berühren.
Der Magnet 72 ist linear entlang dem Wellenleiter 64 angeordnet
und mit einem Gegenstand 73 verbunden, so dass die Position
des Magneten 72 entlang des Wellenleiters 64 der
Position des Gegenstandes 73 entspricht.
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Ein
leitfähiger
Draht 68 ist an einen Impulsgenerator 70 angeschlossen.
Der leitfähige
Draht 68 erstreckt sich durch das Innere der gesamten Länge des
Wellenleiters 64 und kehrt außerhalb des Wellenleiters 64 zu
dem Impulsgenerator 70 zurück. Der Wellenleiter 64,
der leitfähige
Draht 68, die Spule 71 und der Magnet 72 sind
in einem äußeren Rohr 74 enthalten.
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Alternativ
ist es möglich,
dass der Wellenleiter 64 und der leitfähige Draht 68 zu einem
einzigen Draht kombiniert sind.
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Die
Spule 71 ist mit der Signalabstimmvorrichtung 12 verbunden,
in der das von der Signalabstimmvorrichtung 12 empfangene
Signal das abzustimmende Eingangssignal S ist. Die Signalabstimmvorrichtung 12 ist
verbunden mit einer Verschiebungsbestimmungsvorrichtung 76,
bei der das von der Signalabstimmvorrichtung 12 gelieferte
Ausgangssignal C das abgestimmte Signal ist. Außerdem ist die Verschiebungsbestimmungsvorrichtung 76 mit
dem Impulsgenerator 70 verbunden.
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Im
Betrieb erzeugt der Impulsgenerator 70 periodisch einen
einzelnen Erregungsimpuls 78 auf dem leitfähigen Draht 68 genau
alle z. B. 2 ms. Der Erregungsimpuls 78 durchläuft den
leitfähigen
Draht 68 und kombiniert mit dem Magnetfeld des Magneten 72.
So wird in dem Wellenleiter 64 eine Torsionswelle 80 erzeugt,
die sich von dem Magneten 72 fort und zurück zu der
Spule 71 ausbreitet. Wenn die Torsionswelle 80 die
Spule 71 erreicht, wird sie in das Signal S umgewandelt.
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Die
Erzeugung des Erregungsimpulses wird auch an die Verschiebungsbestimmungsvorrichtung 76 übertragen.
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Das
Signal S von der Spule 71 wird weitergegeben an die Signalabstimmvorrichtung 12,
wo es auf die Bezugsspannung V abgestimmt wird, wie in Verbindung
mit 1 beschrieben. Dann empfängt die Verschiebungsbestimmungsvorrichtung 76 das abgestimmte
Signal C und misst das Zeitintervall zwischen der Erzeugung des
Erregungsimpulses 78 und dem Empfang des abge stimmten Signals
C. Unter Verwendung des Zeitintervalls und der bekannten Geschwindigkeit
der Torsionswelle 80 in dem Wellenleiter 64 ist
die Verschiebungsbestimmungsvorrichtung 76 in der Lage,
die Position des Gegenstandes 73 zu bestimmen.
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3 zeigt
das von der Signalabstimmvorrichtung 12 der 2 abzustimmende
Eingangssignal S. Außerdem
zeigt 3 den Erregungsimpuls 78 und die Bezugsspannung
V. Alle in 3 gezeigten Signale und Impulse
sind über
der Zeit t aufgetragen.
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Wie
in Verbindung mit 2 beschrieben, wird der Erregungsimpuls 78 erzeugt
und durch den Wellenleiter 64 übertragen. Auf seinem Weg entlang des
Wellenleiters 64 durchläuft
der Erregungsimpuls 78 die Spule 71. Dort erzeugt
der Erregungsimpuls 78 einige Störungen des Signals S, die in 3 mit dem
Bezugszeichen 90 bezeichnet sind. Diese Störungen werden
weder von der Signalabstimmvorrichtung 12 noch von der
Verschiebungsbestimmungsvorrichtung 76 berücksichtigt.
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Wie
in Verbindung mit 2 beschrieben, wird die Torsionswelle 80 erzeugt
und in das Signal S umgewandelt. Dies führt zu einer Ablenkung des
Signals S, die in 3 mit dem Bezugszeichen 91 bezeichnet
ist. Diese Ablenkung wird von der Signalabstimmvorrichtung 12 und
der Verschiebungsbestimmungsvorrichtung 76 erkannt, wie
nachfolgend beschrieben.
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Die
Signalabstimmvorrichtung 12 empfängt das Signal S und führt die
Abstimmung des Signals S aus, wie in Verbindung mit 1 beschrieben.
Allerdings wird diese Abstimmung des Signals S nicht sofort durchgeführt, sondern
zu einem späteren
Zeitpunkt, wie nachfolgend beschrieben.
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Die
Verschiebungserfassungsvorrichtung 76 empfängt das
abgestimmte Signal C und führt
die Bewertung der Position des Gegenstandes 73 aus, wie in
Verbindung mit 2 beschrieben.
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Zu
diesem Zweck erfasst in einem ersten Schritt die Verschiebungserfassungsvorrichtung 76 denjenigen
Zeitpunkt, zu dem das Signal S größer als eine Erfassungsspannung
D wird. Dieser Zeitpunkt ist in 3 mit dem
Bezugszeichen 94 bezeichnet. Die Erfassungsspannung D dient
zum Erkennen der von der Torsionswelle 80 erzeugten Ablenkung
des Signals S, wie in Verbindung mit 2 beschrieben.
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Wie
in 3 gezeigt, ist die Erfassungsspannung D kleiner
als die Bezugsspannung V, aber größer als eine Null-Spannung
Z. Die Null-Spannung Z ist diejenige Spannung, die als das Eingangssignal S
vorliegt, wenn keine Erregungsimpulse 78 oder andere Signale
den leitfähigen
Draht 68 durchlaufen.
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Dann
erfasst in einem zweiten Schritt die Verschiebungsbestimmungsvorrichtung 76 denjenigen
Zeitpunkt, an dem das Signal S gleich der Null-Spannung Z wird.
In 3 ist dieser Zeitpunkt mit dem Bezugszeichen 95 bezeichnet.
Es soll betont werden, dass die beschriebene Erfassung anschließend durchgeführt wird,
nachdem das Signal S größer als
die Erfassungsspannung D wird, so dass der Zeitpunkt 95 derjenige
Zeitpunkt ist, an dem das Signal S zum ersten Mal nach dem Zeitpunkt 94 gleich der
Null-Spannung Z wird.
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Die
Verschiebungsbestimmungsvorrichtung 76 erzeugt einen Antwortimpuls 79 in
Abhängigkeit von
dem Zeitpunkt 95. Wie in 3 gezeigt,
entspricht die abfallende Flanke des Antwortimpulses 79 dem
Zeitpunkt 95. Das Zeitintervall zwischen dem Erregungsimpuls 78 und
dem Antwortimpuls 79 wird dann von der Verschiebungsbestimmungsvorrichtung 76 verwendet,
um die Posi tion des Gegenstandes 73 zu bewerten, wie in
Verbindung mit 2 beschrieben.
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Die
Signalabstimmvorrichtung 12 empfängt das Signal S. Ähnlich der
obigen Beschreibung erfasst die Signalabstimmvorrichtung 12 den
Zeitpunkt 94. Anschließend
prüft die
Signalabstimmvorrichtung 12, ob das Signal S größer als
die Bezugsspannung V wird. Im Fall des Signals S, wie in 3 gezeigt,
erkennt die Signalabstimmvorrichtung 12, dass das Signal
S nicht größer als
die Bezugsspannung V wird. Deshalb erhöht die Signalabstimmvorrichtung 12 die Verstärkung des
Verstärkungselementes 14 um "+1", das heißt um R0, wie in Verbindung mit 1 beschrieben.
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Wie
bereits erwähnt,
wird die Abstimmung des Signals S nicht sofort, sondern zu einem
späteren
Zeitpunkt durchgeführt.
Wie in 3 gezeigt, wird die Abstimmung des Signals S,
das heißt
die Erhöhung
der Verstärkung
des Verstärkungselementes 14 um "+1", zu einem Zeitpunkt
durchgeführt,
der mit dem Bezugszeichen 97 bezeichnet ist. Dieser Zeitpunkt 97 liegt
nach dem Antwortimpuls 79 und vor dem nächsten Erregungsimpuls 78'.
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Insbesondere
wird die Abstimmung des Signals S nicht zwischen dem Erregungsimpuls 78 und dem
Antwortimpuls 79, das heißt während des Zeitintervalls, das
von der Verschiebungserfassungsvorrichtung 76 zum Bewerten
der Position des Gegenstandes 73 genutzt wird, durchgeführt. Deshalb
kann diese Bewertung der Position des Gegenstandes 73 nicht
durch die Abstimmung des Signals S negativ beeinflusst werden. Außerdem wird
die Abstimmung des Signals S nicht kurz vor dem nächsten Erregungssignal 78' durchgeführt. Deshalb
kann die Abstimmung des Signals S keinen negativen Einfluss auf
den nächsten
Erre gungsimpuls 78' und
die resultierende Torsionswelle 80 haben.
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Statt
dessen wird die Abstimmung des Signals S an dem Zeitpunkt 97 durchgeführt, so
dass jegliche resultierende Veränderung
der Verstärkung des
Verstärkungselementes 14 keinen
Einfluss auf die Bewertung der Position des Gegenstandes 73 hat.
Insbesondere wird der Zeitpunkt 97 so gewählt, dass
jegliche Oszillation des Signals S aufgrund der Änderung der Verstärkung des
Verstärkungselementes 14 vor
dem nächsten
Erregungssignal 78' beendet
ist.
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Wie
in Verbindung mit 2 beschrieben, wird der Erregungsimpuls 78 exakt
alle beispielsweise 2 ms erzeugt. Das Zeitintervall zwischen dem
Erregungsimpuls 78 und dem Antwortimpuls 79 ist
kleiner als 2 ms. Daher ist es aufgrund der festperiodischen Erzeugung
des Erregungsimpulses 78 möglich, einen festen Zeitpunkt 79 für die Abstimmung des
Signals S zu wählen,
der außerhalb
des Zeitintervalls zwischen dem Erregungsimpuls 78 und
dem Antwortimpuls 79 liegt. Insbesondere ist es möglich, den
Zeitpunkt 97 als ein festes Zeitintervall vor dem Erregungsimpuls 78 zu
definieren.
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Infolgedessen
kann das Taktsignal CLOCK, wie in Verbindung mit 1 beschrieben,
mit der gleichen periodischen Wiederkehr wie der Erregungsimpuls 78 gewählt werden,
aber mit einem festen Versatz in Bezug auf den Erregungsimpuls 78, der
gleich dem oben erwähnten
festen Zeitintervall vor dem Erregungsimpuls 78 ist.