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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Wandler (ADC)
zur Analogspannung-Digitalwert-Unwandlung
und insbesondere einen Delta-Sigma-ADC, der von einem geschalteten
Kondensatorkreis Gebrauch macht.
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US-Patent
Nr. 6,037,887 offenbart einen Delta-Sigma-ADC mit programmierbarer
Verstärkung. Dieser
ADC besitzt jedoch einen bipolaren Analogeingangsbereich oder einen
Analogeingangsbereich (z. B. von –10 V bis +10 V), der in Bezug
auf Signalerde symmetrisch ist.
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Ein
weiterer Delta-Sigma-ADC mit einem bipolaren Analogeingangsbereich
wird in US-Patent Nr. 5,659,314 beschrieben. Dieser Stand der Technik verzichtet
auf die positiven und negativen Referenz-Stromversorgungen, um die
positiven und negativen Rückkopplungsspannungen
zu erzeugen. Stattdessen verwendet er Subtraktions- und Additionskondensatoren
mit gleichen Kapazitätswerten und
eine einzelne Referenzspannung. Seine zu der Analog-Eingangsspannung
selektiv addierten Rückkopplungsspannungen
weisen genau gleiche Absolutwerte auf.
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Bei
verschiedenen Bestimmungsanwendungen werden ADCs mit einem unipolaren
Analogeingangsbereich (z. B. von 0 V bis +10 V) benötigt. Herkömmliche
Delta-Sigma-ADCs sind jedoch nicht imstande, eine solche Anforderung
zu erfüllen,
und eine Hälfte
des bipolaren Eingangsbereiches wird nutzlos verschwendet.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, einen
Delta-Sigma-ADC mit einem unipolaren Analogeingangsbreich bereitzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Delta-Sigma-ADC mit einem Analogeingangsbereich
bereit, der in Bezug auf eine bestimmte Vorspannung asymmetrisch
ist, und der Delta-Sigma-ADC der vorliegenden Erfindung verwendet
eine Konfiguration, die (a) eine Abtasteinrichtung, die in Synchronisation mit
einem eingegebenen Taktsignal eine Analogeingangsspannung abtastet,
(b) eine Additions-/Subtraktionseinrichtung, die eine Subtraktions-
oder Additionsspannung, die sich voneinander unterscheiden, selektiv
zu der abgetasteten Spannung addiert, (c) einen Integrator, der
eine durch die selektive Addition erhaltene Spannung integriert,
(d) einen Komparator, der eine durch die Integration erhaltene Spannung
mit der Vorspannung vergleicht, (e) eine Verzögerungseinrichtung, die den
Ausgang es Komparators um einen Taktzyklus des eingegebenen Taktsignals
verzögert,
und (f) eine Steuereinrichtung umfasst, die die Auswahl zwischen
der Subtraktionsspannung und der Additionsspannung in der Subtraktions-/Additionseinrichtung
als Reaktion auf den Ausgang der Verzögerungseinrichtung steuert.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockschaltbild, das eine Anordnung eines Blutzucker-Analysators
als ein Beispiel der Anwendung eines erfindungsgemäßen Delta-Sigma-ADC
zeigt.
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2 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel der Änderung in der Analog-Eingangsspannung
in dem Delta-Sigma-ADC in 1 zeigt.
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3 ist
ein Schaltbild, das eine erste Ausführung des Delta-Sigma-ADC in 1 zeigt.
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4A–4F sind
Zeitdiagramme, die die Wellenformen der verschiedenen Steuertaktsignale in 3 zeigen.
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5A–5E sind
Zeitdiagramme, die die Wellenformen der verschiedenen Spannungen
in 3 zeigen.
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6 ist
ein Schaltbild, das eine zweite Ausführung des Delta-Sigma-ADC in 1 zeigt.
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7 ist
ein Schaltbild, das eine dritte Ausführung des Delta-Sigma-ADC in 1 zeigt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
eine Anordnung eines Blutzucker-Analysators als ein Beispiel der
Anwendung eines erfindungsgemäßen Delta-Sigma-ADC.
Der Blutzucker-Analysator von 1 ist mit
einem Blutzuckerpegelsensor 1, einem Schalter 2,
einem Operationsverstärker 3,
einem Rückkopplungswiderstand
Rf und einem Delta-Sigma-ADC 4 ausgestattet, um den Wert
von elektrischem Strom infolge der Glukosekonzentration im Blut
zu messen. Ein invertierender Eingang des Operationsverstärkers 3 ist
mit einem Anschluss des Blutzuckerpegelsensors 1 verbunden, und
ein nicht-invertierender Eingang des Operationsverstärkers 3 ist
mit einer Vorspannung Vb verbunden. Der Rückkopplungswiderstand Rf ist
zwischen einen Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 3 und
seinen nicht-invertierenden Eingang geschaltet. Der andere Anschluss
des Blutzuckerpegelsensors 1 ist über den Schalter 2 mit
einer Sensorspannung Vs (–)
verbunden, die kleiner ist als die Vorspannung Vb.
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Bei
der Konfiguration von 1 ist die Eingangsimpedenz des
Operationsverstärkers 3 sehr hoch,
und die Differenz im elektrischen Potenzial zwischen den Eingängen des
Operationsverstärkers 3 ist
zu jeder Zeit 0. Wenn der Schalter 2 geschlossen wird,
wird die elektrische Potenzialdifferenz zwischen der Vorspannung
Vb und der Sensorspannung Vs (–) an
den Blutzuckerpegelsensor 1 angelegt. Dies verursacht einen
Fluss eines unidirektionalen Sensorstromes Is entsprechend dem an
dem Blutzuckerpegelsensor 1 haftenden Blut. Die Ausgangsspannung des
Operationsverstärkers 3 ist
daher Vb + Rf × Is, und
eine solche Spannung wird dem Delta-Sigma-ADC 4 als eine
Analog-Eingangsspannung Vin zugeführt. Hier gilt zu jeder Zeit
Vin > Vb. Der Delta-Sigma-ADC 4 arbeitet
in Synchronisation mit einem eingegebenen Taktsignal CKin und führt eine hoch
genaue Umwandlung der Analog-Eingangsspannung Vin in einen digitalen
Ausgang Dout durch.
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2 zeigt
ein Beispiel der Änderung
der Analog-Eingangsspannung Vin in dem Delta-Sigma-ADC 4 in 1.
Hier beträgt
die Vorspannung Vb 1.00 V, und die normale Änderungsspanne der Analog-Eingangsspannung
Vin liegt zwischen 1.00 V und 1.50 V. Fügt man eine kleine Toleranz
hinzu, dann liegt der Analogeingangsbereich des Delta-Sigma-ADC 4 zwischen
0.75 V und 1.75 V. Das heißt, der
Delta-Sigma-ADC 4 in 4 weist
einen Analogeingangsbereich auf der in Bezug auf die Vorspannung
Vb (= 1.00 V) asymmetrisch ist. Die Eingangsspannung von 1.25 V
ist daher gleich dem Mittelwert des digitalen Ausgangs Dout. Die
Subtraktionsspannung (ΔVP),
die später
beschrieben wird, beträgt 0.75
V, und die Additionsspannung (ΔVM),
die ebenfalls später
beschrieben wird, beträgt
0.25 V.
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3 zeigt
eine erste Ausführung
des Delta-Sigma-ADC 4 in 1. Der Delta-Sigma-ADC 4 von 3 ist
mit einer Analogeingangs-Abtastschaltung 10, einer Ladungsübertragungsschaltung 20,
einem Integrator 30, einem Komparator 40, einem D-Flipflop 50,
einer Schaltersteuerung 60, einer Referenzspannungs-Abtastschaltung 70 und
einem Digitalfilter 80 ausgestattet. Die Analogeingangs-Abtastschaltung 10 umfasst
einen Eingangskondensator Cin und zwei Schalter 11 und 12.
Die Ladungsübertragungsschaltung 20 umfasst
zwei Schalter 21 und 22. Der Integrator 30 umfasst
einen Operationsverstärker 31 und
einen Integrationskondensator Cint. Die Referenzsspannungs-Abtastschaltung 70 umfasst
einen Subtraktionskondensator Cp, einen Additionskondensator Cm
und vier Schalter 71, 72, 73 und 74.
Die Ausgangsanschlüsse
des Eingangskondensators Cin, des Subtraktionskondensators Cp und
des Additionskondensators Cm sind miteinander verbunden, um einen
Additionspunkt zu bilden. Das Kapazitätsverhältnis Cin : Cp : Cm beträgt z. B.
2 : 3 : 1. Der Integrationskondensator Cint ist zwischen einen invertierenden
Eingang und einen Ausgang des Operationsverstärkers 31 geschaltet,
dessen nicht-invertierender Eingang mit der Vorspan nung Vb verbunden
ist. Der Komparator 40 empfängt den Ausgang des Integrators 30 und
die Vorspannung Vb an seinem nicht-invertierenden bzw. invertierenden Eingang.
Dc ist der Ausgang des Komparators. Dcd ist der verzögerte Komparatorausgang
(der Betrag der Verzögerung
ist ein Taktzyklus des eingegebenen Taktsignals CKin). ϕ1, ϕ2, ϕPA, ϕPB, ϕMA
und ϕMB sind die Steuertaktsignale, die von der Schaltersteuerung 60 geliefert
werden. Vr (–)
ist die Rückkopplungs-Referenzspannung
kleiner als die Vorspannung Vb. ΔVP
ist die Subtraktionsspannung, die im Subtraktionskondensator Cp
akkumuliert und gehalten wird. ΔVM
ist die Additionsspannung, die im Additionskondensator Cm akkumuliert
und gehalten wird. V1 ist die abgetastete Analog-Eingangsspannung.
V2 ist die Spannung am Additionspunkt. V3 ist der integrierte Ausgang.
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4A–4F zeigen
die Wellenformen der verschiedenen Steuertaktsignale in 3.
Die Schalter 11 und 21 werden als Reaktion auf
das Signal ϕ1 von 4A Ein-Aus-gesteuert,
und die Schalter 12 und 22 werden als Reaktion
auf das Signal ϕ2 von 4B Ein-Aus-gesteuert.
Die Periode, während
der das Signal ϕ1 eine "1" ist, wird die "Abtastperiode" genannt. Andererseits
wird die Periode, während
der das Signal ϕ2 eine "1" ist, die "Ladungsübertragungsperiode" genannt. In der
Abtastperiode ist die Analog-Eingangsspannung Vin durch den Schalter 11 mit
dem Eingangsanschluss des Eingangskondensators Cin verbunden, dessen
Ausgangsanschluss durch den Schalter 21 mit der Vorspannung
Vb verbunden ist. Demzufolge wird der Eingangskondensator Cin geladen,
und seine Zwischen-Anschluss-Spannung
wird Vin – Vb.
Ferner ist in der Ladungsübertragungsperiode
die Vorspannung Vb durch den Schalter 12 mit dem Eingangsanschluss
des Eingangskondensators Cin verbunden, dessen Ausgangsanschluss
durch den Schalter 22 mit dem invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 31 verbunden
ist.
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Wenn
Dcd = "1", wird die Schaltersteuerung 60 veranlasst,
das Signal ϕPA (= ϕ1) und das Signal ϕPA
(= ϕ2) an die Referenzspannungs-Abtastschaltung 70 (s. 4C und 4D)
zu liefern. In der Abtastperiode ist daher die Rückkopplungs-Referenzspannung
Vr (–)
durch den Schalter 71 mit dem Eingangsanschluss des Subtraktionskondensators
Cp verbunden, während
in der Ladungsübertragungsperiode
die Vorspannung Vb durch den Schalter 72 mit dem Eingangsanschluss
des Subtraktionskondensators Cp verbunden ist. In der Abtastperiode
ist der Schalter 21 eingeschaltet, während in der Ladungsübertragungsperiode
der Schalter 22 eingeschaltet ist. Demzufolge wird in der
Abtastperiode die Spannung ΔVP
im Subtraktionskondensator Cp akkumuliert und gehalten, während in
der Ladungsübertragungsperiode
die so gespeicherte Spannung ΔVP
zu der Spannung des Eingangskondensators Cin addiert und an den
Integrator 30 geliefert wird, wodurch der Integrationskonden sator
Cint geladen wird.
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Wenn
Dcd = "0" wird die Schaltersteuerung 60 veranlasst,
das Signal ϕMA (= ϕ2) und das Signal ϕMA
(= ϕ1) an die Referenzspannungs-Abtastschaltung 70 (s. 4E und 4F)
zu liefern. In der Abtastperiode ist daher die Vorspannung Vb durch
den Schalter 74 mit dem Eingangsanschluss des Additionskondensators
Cm verbunden, während
in der Ladungsübertragungsperiode
die Rückkopplungs-Referenzspannung
Vr (–)
durch den Schalter 73 mit dem Eingangsanschluss des Additionskondensators
Cm verbunden ist. In der Abtastperiode ist der Schalter 21 eingeschaltet,
während
in der Ladungsübertragungsperiode
der Schalter 22 eingeschaltet ist. Demzufolge geht in der
Abtastperiode der Additionskondensator Cm in den Entladezustand.
Und in der Ladungsübertragungsperiode
wird die Spannung ΔVM im
Additionskonsator Cm akkumuliert und gehalten, und die so gespeicherte
Spannung ΔVM
wird zu der Spannung des Eingangskondensators Cin addiert und an
den Integrator 30 geliefert, wodurch der Integrationskondensator
Cint geladen wird.
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Da
hier die Spannung ΔVP,
die im Kondensator Cp gespeichert wird, und die Spannung ΔVM, die im
Kondensator Cm gespeichert wird, einander entgegengesetzte Polaritäten aufweisen,
wird die Spannung ΔVP
die Subtraktionsspannung genannt, und die Spannung ΔVM wird die
Additionsspannung genannt. Des Weiteren unterscheiden sich, wie
in 2 gezeigt, die Subtraktionsspannung ΔVP und die
Additionsspannung ΔVM
in der Größe voneinander.
Außerdem
sind entsprechend dem Analogeingangsbereich von 2 alle
Bits des Komparatorausgangs Dc eine "1" für Vin =
1.75 V. Andererseits sind alle Bits des Komparatorausgangs Dc eine "0" für
Vin = 0.75 V. Außerdem
werden, wenn Vin = 1.25 V, Bits "0" und "1" in einem Verhältnis von 1 : 1 als der Komparatorausgang
Dc ausgegeben.
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5A–5E zeigen
die Wellenformen der verschiedenen Spannungen in 3 für Vin = 1.50
V. In diesem Fall werden Bits "0" und "1" in einem Verhältnis von 1 : 3 als der Komparatorausgang Dc
ausgegeben.
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Wie
oben beschrieben, ist es mit der Konfiguration von 3 möglich, zu
der abgetasteten Eingangsspannung entweder die Subtraktionsspannung ΔVP oder die
Additionsspannung ΔVM,
die sich in der Größe voneinander
unterscheiden, selektiv zu addieren, wodurch es möglich gemacht
wird, den Delta-Sigma-ADC 4 mit einem unipolaren Analogeingangsbereich
zu verwirklichen.
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6 zeigt
eine zweite Ausführung
des Delta-Sigma-ADC 4 in 1. Der Unterschied
zu 3 ist die Bereitstellung einer Referenzspannungs-Abtastschaltung 70a.
Mit anderen Worten, in der Konfiguration von 6 wird die
Differenz zwischen der Subtraktionsspannung ΔVP und der Additionsspannung ΔVM nicht
durch die Kapazitätswert-Differenz, sondern
durch die Spannungswert-Differenz erzeugt, und der Eingangskondensator
Cin, der Subtraktionskondensator Cp und der Additionskondensator
Cm weisen den gleichen Kapazitätswert
auf. Die Wellenformen der Steuertaktsignale ϕ1, ϕ2, ϕPA, ϕPB, ϕMA
und ϕMB sind wie in 4A–4F gezeigt.
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Das
heißt,
wenn Dcd = "1", ist in der Abtastperiode
eine erste Rückkopplungs-Referenzspannung
Vr1 (–)
kleiner als die Vorspannung Vb durch den Schalter 71 mit
dem Eingangsanschluss des Subtraktionskondensators Cp verbunden,
während in
der Ladungsübertragungsperiode
die Vorspannung Vb durch den Schalter 72 mit dem Eingangsanschluss
des Subtraktionskondensators Cp verbunden ist. Wenn Dcd = "0", ist in der Abtastperiode die Vorspannung
Vb durch den Schalter 74 mit dem Eingangsanschluss des
Additionskondensators Cm verbunden, während in der Ladungsübertragungsperiode
eine zweite Rückkopplung-Referenzspannung Vr2
(–) kleiner
als die Vorspannung Vb und abweichend von der ersten Rückkopplungs-Referenzspannung
Vr1 (–)
durch den Schalter 73 mit dem Eingangsanschluss des Additionskondensators
Cm verbunden ist.
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Folglich
ist es auch mit der Konfiguration von 6 möglich, zu
der abgetasteten Eingangsspannung entweder die Subtraktionsspannung ΔVP oder die
Additionsspannung ΔVM,
die sich in der Größe voneinander
unterscheiden, selektiv zu addieren. Außerdem ist es entsprechend
der Konfiguration von 6 möglich, die Analogeingangs-Abtastschaltung 10 und
die Referenzspannungs-Abtastschaltung 70a mit der gleichen
Kapazität
zu entwerfen, um so ein vereinfachtes Layout bereitzustellen.
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7 zeigt
eine dritte Ausführung
des Delta-Sigma-ADC 4 in 1. Der Unterschied
zu 6 ist die Bereitstellung einer Schaltersteuerung 60a und
einer Referenzspannungs-Abtastschaltung 70b. Mit anderen
Worten, in der Konfiguration von 7 wird ein
einzelner Additions-/Subtraktionskondensator Cpm zur selektiven
Speicherung entweder der Subtraktionsspannung ΔVP oder der Additionsspannung ΔVM in der
Referenzspannungs-Abtastschaltung 70b eingeführt, und
die Zahl von Schaltern wird auf drei reduziert. Der Eingangskondensator
Cin und der Additions-/Subtraktraktionskondensator Cpm weisen die
gleiche Kapazität
auf. ϕ1, ϕ2, ϕXA, ϕYA und ϕB
sind Steuertaktsignale, die von der Schaltersteuerung 60a geliefert
werden. Die Wellenformen dieser Steuertaktsignale, von denen die
Signale ϕXA, ϕYA und ϕB in Klammem gesetzt
sind, sind wie in 4C–4F gezeigt.
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Das
heißt,
in der Abtastperiode ist die Vorspannung Vb durch den Schalter 72 mit
dem Eingangsanschluss des Additions-/Subtraktionskondensators Cpm,
ungeachtet des Wertes des verzögerten Komparatorausangs
Dcd, verbunden. In der Ladungsübertragungsperiode
ist, wenn Dcd = "1", eine dritte Rückkopplungs-Referenzspannung
Vr3 (+), die größer ist
als die Vorspannung Vb, durch den Schalter 71 mit dem Eingangsanschluss
des Additions-/Subtraktionskondensator Cpm verbunden, während, wenn
Dcd = "0", eine vierte Rückkopplungs-Referenzspannung
Vr4 (–),
die kleiner ist als die Vorspannung Vb, durch den Schalter 73 mit
dem Eingangsanschluss des Additions-/Subtraktionskondensators Cpm
verbunden ist. Hier sind die Potenzialdifferenz zwischen der dritten
Rückkopplungs-Referenzspannung
Vr3 (+) und der Vorspannung Vb und die zwischen der Vorspannung
Vb und der vierten Rückkopplungs-Referenzspannung
Vr4 (–)
so festgelegt, dass sie nicht miteinander übereinstimmen.
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Folglich
ist es auch mit der Konfiguration von 7 möglich, zu
der abgetasteten Eingangsspannung entweder die Subtraktionsspannung ΔVP oder die
Additionsspannung ΔVM,
die sich in der Größe voneinander
unterscheiden, selektiv zu addieren. Außerdem ist es entsprechend
der Konfiguration von 7 möglich, die Zahl von Kondensatoren
und Schaltern verglichen mit der Konfiguration von 6 zu
reduzieren.
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Des
Weiteren wird in dem Delta-Sigma-ADC nach jeder der vorangehenden
Ausführungen
ein positiver, unipolarer Eingangsbereich (von 0.75 V bis zu 1.75
V) verwirklicht, vorausgesetzt, dass Vb = 1.00 V und Vin > Vb zu jeder Zeit zutrifft.
Die Vorspannung Vb ist jedoch beliebig. Ferner ist die vorliegende
Erfindung auf Delta-Sigma-ADCs mit einem negativen, unipolaren Eingangsbereich
anwendbar, wenn Vin < Vb
zu jeder Zeit zutrifft.
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Außerdem können als
andere Beispiele der Anwendung des erfindungsgemäßen Delta-Sigma-ADC ADCs zum
Bestimmen, die chemische Reaktionen einsetzen, z. B. für Cholesterin-Analysatoren, und
zur Umwandlung eines Analogstromes, der in einer Photodiode in einer
Richtung fließt,
in einen Digitalwert angeführt
werden.