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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung
und Verfahren für
digitale Steuer/Regelsysteme. Insbesondere bezieht sich die Erfindung
auf eine Vorrichtung und Verfahren für digitale Steuer/Regelsysteme,
die zum Beispiel in digital gesteuerten Leistungsverstärkersystemen,
digital gesteuerten Motorsteuersystemen und ähnlichem verwendet werden,
um Grenzzyklusverhalten in digitalen Steuer-/Regelsystemen zu minimieren
und zu unterdrücken.
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Hintergrund
der Erfindung
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Digitale
Steuer-/Regelsysteme werden in verschiedenen Anwendungen und Systemen,
wie z. B. Leistungsverstärkerregel
(PAC)-Systemen, Motorsteuersystemen und ähnlichem, verwendet. Digitale Steuer-/Regelsysteme
können
im Gegensatz zu analogen Steuer-/Regelsystemen unter verschiedenen Problemen,
die im Wesentlichen auf die Nichtlinearitätsbeschaffenheit digitaler
Dynamik zurückzuführen sind,
leiden. Um solch ein Problem handelt es sich bei Grenzzyklen.
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Ein
Grenzzyklieren kann durch die inhärente Nichtlinearität des Systems,
die üblicherweise
durch einen in Digital-Analog-Wandlern (DAC) durchgeführten Quantisierungsprozess
eingeführt
wird, verursacht werden. Eine weitere Quelle für ein Grenzzyklieren in PAC-Systemen
tritt auf, wenn die Auflösung der
Leistungsreferenz größer ist
als die der Analog-Digital (ADC)-Auflösung. DAC-Quantisierungsnichtlinearitäten in digitalen
Regelkreissystemen, die zum Beispiel bei einer Funkfrequenzleistungsverstärkerregelung
verwendet werden, können
zu einem periodischen Verhalten des Leistungspegels während der
Modulationsphase führen.
Das periodische oder zyklische Verhalten kann, falls ungeprüft, so stark sein,
dass es dazu führt,
dass das System einer Leistungszeit und den Schalt- und Modulationsausgangsfunkfrequenzspektrumsspezifikationen – zum Beispiel
des Standards des Europäischen
Instituts für
Telekommunikationsnormen (ETSI) 11.10 und 05.05 für das globale
System für
Mobilkommunikation (GSM) – nicht
gerecht wird. Die
US 4,556,956 offenbart
einen verstellbaren Verstärkungsregler
für einen
Dampfturbinenventilstellungsregelkreis, wodurch ein Dampfflussfehlerzustand durch
eine Reziproke des Ventilregelungswerts verstärkt wird.
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Mit
der Forderung nach besserer Präzisionssteuerung/regelung
digitaler Steuer-/Regelsysteme, zum Beispiel bei der Präzisionssteuerung/-regelung von
Sendeleistungsverstärkerausgang,
so dass Systemen mit Mehrfachzugriff im Zeitmultiplex (TDMA), wie
z. B. GSM, entsprochen und genügt wird,
gibt es einen Bedarf für
eine Vorrichtung und Verfahren zum Minimieren und Unterdrücken von
Grenzzyklusverhalten, um Standardanforderungen bei digitalen Steuer/Regelsystemen
gerecht zu werden.
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Angabe der
Erfindung
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Gemäß der Erfindung
werden eine Vorrichtung zum Steuern eines Ausgangs eines digitalen Systems
nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Steuern eines Ausgangs eines
digitalen Systems nach Anspruch 7 zur Verfügung gestellt.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun ausführlicher
beschrieben, und zwar in Vorbildfunktion mit Bezug auf die Zeichnungen,
in denen:
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1 ein
digitales Regelkreissystem und Verfahren gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung darstellt;
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2 eine
Diagrammdarstellung der Eingangsabweichung des Digital-Analog-Wandlers
in niedrigstwertigen Bits versus die effektive Verstärkung in
dem Digital-Analog-Wandler gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung darstellt;
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3 eine
Diagrammdarstellung der Leistungsverstärkerregelungsverstärkungsgrenzen gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung darstellt;
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4 einen
Graph einer Fehlertotzonennichtlinearität gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung darstellt; und
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5 ein
Diagramm einer Reaktion der effektiven Verstärkung der Fehlertotzone und
Digital-Analog-Wandlers über die
Eingangsabweichung des Fehlers in niedrigstwertigen Bits gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Im
Gegensatz zu analogen Steuer-/Regelsystemen können digitale Steuer-/Regelsysteme
unter verschiedenen Problemen, die auf die nichtlineare Beschaffenheit
digitaler Dynamik zurückzuführen sind,
wie z. B. Grenzzyklieren, leiden. Bei Grenzzyklen in digitalen Systemen,
wie z. B. digitalen Steuer-/Regelsystemen, handelt es sich um eine
sich selbst erhaltende periodische Bewegung eines autonomen nichtlinearen
Systems. Das zyklische Verhalten eines Grenzzyklus in einem System,
wie z. B. einem digitalen Steuer/Regelsystem, zum Beispiel Leistungsverstärker- und
Multimodeleistungsverstärkersteuerung/-regelung,
kann letztendlich dazu führen,
dass ein System Spezifikationsanforderungen nicht gerecht wird.
Diese Nichtlinearität
wird von verschiedenen Quellen in digitale Systeme eingeführt; in digitale
Steuer-/Regelsysteme zum Beispiel wird die Nichtlinearität durch
den Digital-Analog-Wandler (DAC)-Quantisierungsprozess
eingeführt.
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1 stellt
ein digitales Regelkreissystem 10 und Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung dar. Das digitale Regelkreissystem 10 kann
einen Wellenformgenerator 12 umfassen, um ein Referenzleistungswertsignal
r(n) 40 mit Reglerfehler e(n) an einen Regler 18 bereitzustellen.
Bei dem Regler kann es sich zum Beispiel um einen zweigliedrigen
Regler, d. h. Proportional- und Integral (PI)-Regler, handeln, dessen
proportionale Verstärkung,
kp, und integrale Verstärkung, ki,
PROP-Verstärkung
g0 bezie hungsweise ERR-Verstärkung g1 durch die Gleichung (g0 +
g1z–1)/(1 – z–1)
repräsentieren,
wobei g0 = kp +
ki und g1 = – kp. Der Regler 18 stellt an dem Reglerausgang
ein Steuer- oder Biassignal u(n) 46 an einen DAC 20 zur
Verfügung,
wobei eine lineare Aktion durch (1 – z–1)/s
repräsentiert
wird, was durch einen Quantisierungsprozess, der durch ein ungefiltertes
Steuer- oder Vorspannungssignal u ^ (t) 48 an ein Leistungsverstärkersubsystem 34 repräsentiert
wird, Quantisierungsnichtlinearitäten in das System 10 einführt. Das
Leistungsverstärkersubsystem 34 stellt
ein Leistungsverstärkerausgangsleistungssignal
Po 50 zur Verfügung, das rückgekoppelt und von einem negativen
Rückkopplungsanschluss 14 subtrahiert
wird. Ein Leistungsdetektor 28 misst den Leistungspegel 50.
Zwar wird ein Leistungsverstärkersubsystem 34 dargestellt,
doch versteht es sich, dass andere Konfigurationen jeden digitalen Kreis,
zum Beispiel- und
nicht beschränkt
auf – digitale
Motorsteuerung, digitale Prozesssteuerung/-regelung umfassend Prozesse,
wie z. B. Temperatur, Fluidpegel, Fluidfluss usw. und digitale Motormanagementeinheiten,
wie z. B. Advanced Braking und Klimaregelung, umfassen können.
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In 1 wird
das Leistungsverstärkersubsystem 34 mit
einem gefilterten Steuer- oder Vorspannungssignal u (t) 49 von
einem Filter 22 dargestellt, das einem Leistungsverstärker (PA) 24 zugeführt wird.
Das Leistungsverstärkerausgangsleistungssignal
Po 50 wird durch einen Richtungskoppler 26,
der eine Kopplerverstärkung
kc aufweist und ein Richtungskopplerausgangsleistungssignal
Pc 52 zur Verfügung stellt, den Leistungsdetektor 28 mit
effektiver Detektorverstärkung
kd, der ein Spannungsausgangssignal vd (t) 54 zur Verfügung stellt,
ein Anti-Aliasing-Filter 30, das ein gefiltertes Spannungsausgangssignal
vd (t) 56 zur Verfügung stellt,
und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 32, der ein resultierendes
digitales Codesignal vd (n) 58 zur
Verfügung stellt,
das an dem negativen Rückkopplungsanschluss 14 von
dem Referenzleistungswertsignal 40 subtrahiert wird, rückgekoppelt.
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Das
in 1 dargestellte digitale Regelsystem 10 zum
Steuern des Ausgangs des Leistungsverstärkers 24 umfasst auch
intentionale Nichtlinearitätsmittel
N (e) 16. Wie oben erörtert,
ist in digitalen Systemen immer ein Grenzzyklus vorhanden, und in dieser
Ausführungsform
wird das Vorhandensein eines Grenzzyklus als problematisch betrachtet.
Um dem Grenzzyklus entgegenzuwirken, wird eine Nichtlinearität intentional
in das System 10 eingeführt,
um den Grenzzyklus zu unterdrücken.
Die intentionale Nichtlinearität
wird gewählt,
um den inversen Verstärkungseffekt
des DAC 20 zu neutralisieren.
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Um
diesen inversen Verstärkungseffekt
des DAC 20 zusätzlich
zu erläutern,
wird eine Technik zur nichtlinearen Regelungstheorie verwendet,
die als Beschreibungsfunktionsanalyse bekannt ist. Der nichtlineare
Effekt des DAC 20 führt
eine codeabhängige
Verstärkung
ein. In Betrieb weist der DAC 20 eine Kleinsignalverstärkung auf,
die aus einem Quantisierungs- oder Kürzungsprozess von zum Beispiel
22 Bits auf 10 Bits entsteht. Diese Kleinsignalverstärkung unterscheidet
sich von seiner Großsignalverstärkung und
im Wesentlichen nimmt die effektive Verstärkung des DAC 20 zu,
während
die Eingangsamplitude oder Eingangsänderungscode, empfangen von
dem Steuer- oder Biassignal u (n) 46, abnimmt. In diesem
Ausführungsbeispiel
zum Beispiel tendiert die Kleinsignalverstärkung in der Grenze zu Unbegrenztheit, während die
Großsignalverstärkung zu
dem Verhältnis
der maximalen DAC-Ausgangsspannung zu dem maximalen Eingangscode
tendiert. Folglich nehmen die auf den DAC 20 angewendeten
Codeänderungen
ab, was dazu führt,
dass die effektive Verstärkung
des DAC 20 zunimmt, während
sich der Kreis setzt und das Regler 18- Ausgangssteuer-
oder Biassignal u (n) 46 zu dem stabilen Zustand tendiert.
Eine unbegrenzte Verstärkung
innerhalb des Systemkreises 10 würde allerdings letztendlich
zu Instabilität
führen,
da die Regler 18- Ausgangssteuer-
oder Biassignal u (n) 46- Änderungen nun ansteigen. Demgemäß würde sich die
effektive Verstärkung
des DAC 20 zu seinem Großsignalwert zurück verringern.
Eine abnehmende Verstärkung
würde dem
Kreis Stabilität
zurückgeben und
es ermöglichen,
dass er sich zu dem stabilen Zustand setzt. Dieser Zyklus wiederholt
sich in dem System, so dass weder der stabile noch der instabile Betrieb
andauern. Somit regelt eine stabile konstante oszillatorische Bewegung,
die als ein Grenzzyklus bekannt ist, das Verhalten des Kreises,
wobei die Amplitude des DAC 20- Eingangscodezyklus zum Beispiel 1 niedrigstwertiges
Bit beträgt.
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Mit
Bezug auf 2 kann dargestellt werden, dass
die effektive Verstärkung
des DAC 20 der linearen Verstärkung entspricht, was den Kreis
am Rande stabil machen würde,
d. h. die äußerste Verstärkung ku 60. 2 stellt
eine Diagrammdarstellung der Eingangsabweichung des DAC 20 in niedrigstwertigen
Bit (lsb) versus die effektive Verstärkung des DAC 20 dar,
wobei es einen unstabilen Bereich 64 oberhalb der äußersten
Verstärkung 60 und
einen stabilen Bereich 62 unterhalb der äußersten
Verstärkung 60 gibt.
Wo 60 die Verstärkungskurve 63 berührt, ermittelt
für dieses bestimmte
Beispiel die entsprechende x-Achse um 0,125 herum die Amplitude
des DAC-Eingangscodegrenzzyklus. Während des Zyklierens ist der
Eingangscode 46 zu dem DAC 20 eine Sinuskurve
mit einer Amplitude wie auf der x-Achse angezeigt. Es sollte beachtet
werden, dass die eigentlichen numerischen Werte Beispiele sind und
lediglich zu Veranschaulichungszwecken dargestellt werden. Die kritische
Dynamik besteht darin, dass die effektive Verstärkung der Nichtlinearität mit Reduzierung
der Eingangsabweichung zu Unbegrenztheit tendiert, wobei die äußerste Verstärkung überschritten
wird und folglich ein Bereich von unstabilen Verstärkungen 64,
eine äußerste Verstärkung 60 und
ein Bereich von stabilen Verstärkungen 62 erzeugt
wird. Die Frequenz des Zyklierens ist als die äußerste Frequenz bekannt und
ist einfach die Frequenz, bei der der Kreis einen Phasengang von –180° aufweist.
Es sollte allerdings beachtet werden, dass die Systemspezifikationen
selbst mit dem Zugegensein eines Grenzzyklus in dem System 10 nach wie
vor eingehalten werden können.
Wenn das DAC 20- Eingangssignal, d. h. Regler 18-
Ausgangssteuer- oder Vorspannungssignal u (t) 49, mit einer
Amplitude, zum Beispiel 1 lsb, in dem stabilen Zustand zykliert,
hängt die
Amplitude des Zyklus an dem Leistungsverstärker 24- Ausgang 50 von
der Verstärkung zwischen
der Vor- oder Steuerspannung und der Leistungsverstärkerausgangsspannung
ab. Falls diese Verstärkung
ausreichend gering gehalten wird, was zum Beispiel von weiteren
Kreisparametern, wie z. B. Leistungseinstellungen usw., abhängt, dann können Spezifikationsanforderungen,
zum Beispiel der Standard des europäischen Instituts für Telekommunikationsnormen
(ETSI) 05.05 und 11.10 für
das globale System für
Mobilkommunikation (GSM), nach wie vor erfüllt werden. Das heißt, ein
Grenzzyklus kann an dem Leistungsverstärker 24- Ausgang 50 nach
wie vor zugegen sein, die Amplitude des Ausgangssignals kann so
ausreichend gering sein, dass ihr Effekt auf die Leistungszeit und
das Schalt- und Modulationsausgangsfunkfrequenzspektrum für das System 10 nicht
problematisch ist, so dass die Spezifikationsanforderungen nach
wie vor erfüllt
werden. 3 stellt zum Beispiel dar, dass,
falls der Leistungspegel 10dBm beträgt, die Verstärkung dann
weniger als 6 betragen muss. 3 ist eine
Darstellung der maximalen Leistungsverstärkerregelungsverstärkung, so
dass Grenzzyklen vorhanden sein können, aber kein Problem verursachen,
wie z. B. Systemspezifikationen und Anforderungen für einen
spezifischen Regelkreis, wie z. B. eine Leistungszeitspezifikation 67 und
ein Modulationsausgangsfunkfrequenzspektrum 66, nicht einhalten
zu können.
Die nominale Verstärkung 65 ist
der Leistungsverstärkerregelungsverstärkungsverlauf
des Reglerausgangssteuer- oder Vorspannungssignals u (t) 49 zu
dem gefilterten Spannungsausgangssignal vd (t) 54.
Es versteht sich, dass es sich bei den in 3 eingezeichneten
Ergebnissen um Ergebnisse für
die Ausführungsform
des erörterten
Regelkreises handelt, und jede Veränderung beim Regelkreisaufbau
andere Ergebnisse aufweisen würde.
Darüber
hinaus werden zusätzlich
zu dem spezifischen Beispiel die oberen Grenzen für die bestimmte
Spezifikation wie in ETSI 05.05 und 11.10 vorgeschrieben ermittelt.
Das Diagramm von 3 bringt allerdings die generellen Charakteristika
für ein
Beschränken
des Grenzzyklus innerhalb einer festgesetzten Grenze zum Ausdruck, um
spezifische Systemspezifikationen und Anforderungen zu erfüllen.
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Wenn
die Leistungsverstärkerregelungsverstärkung des
Leistungsverstärkers 20 nicht
so beschränkt
werden kann, dass sie sich innerhalb einer festgesetzten Grenze
befindet, zum Beispiel wie mit der Grenze in 3 oben erörtert, dann
wird über Nichtlinearitätsmittel
oder Grenzzyklusunterdrücker 16 eine
Nichtlinearität
intentional in den System 10- Kreis eingeführt. Die
in das System 10 eingeführte Nichtlinearität wird so
gewählt,
dass sie eine codeabhängige
effektive Verstärkung
aufweist, bei der es sich um die Inverse der codeabhängigen effektiven Kleinsignalverstärkung des
DAC 20 handelt. Als Folge neutralisieren oder heben die
Verstärkungen
sich effektiv und vorzugsweise gegenseitig auf, was zu einer konstanten
oder codeunabhängigen
kombinierten oder zusammengesetzten Verstärkung führt, die geringer ist als die äußerste Verstärkung gesamter Eingangscodeabweichungen.
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Ein
Beispiel für
eine Nichtlinearität,
die intentional in das System eingeführt wird, ist eine Fehlertotzone
eN (n). Die Nichtlinearität kann auf
einen vorgegebenen Wert festgesetzt werden oder kann wie in dieser
Ausführungsform
programmierbar gemacht werden, um sich im Hinblick auf Gegebenheiten
in dem System 10 zu verändern,
wie durch ein Programmeingangssignal 63 dargestellt wird.
Um zum Beispiel den Kleinverstärkungseffekt
nur für
kleine Änderungen,
zum Beispiel in dem Bereich von 1 lsb oder kleiner in dem DAC-Eingangscode, zu
neutralisieren, kann die Nichtlinearitätsfehlertotzone von zum Beispiel
1 lsb eingeführt
werden, was in vielen Anwendungen wie dieser die meisten Grenzzyklen unterdrücken sollte.
Falls in einem Beispiel der DAC 20 10 lsb beträgt und die
Reglerwortauflösung 22 lsb beträgt, dann ändern sich
die 13 oder weniger lsbs des Reglerworts, dann werden kleine Codeänderungen
festgestellt. Ein programmierbarer Bereich von zum Beispiel aber
nicht beschränkt
auf im Wesentlichen 1 < = δ < = 4 stellt jedoch
einen zusätzlichen Schutz
vor ungewöhnlichen
Grenzzyklen zur Verfügung.
Selbstverständlich
gibt es jede Anzahl an Nichtlinearitäten, die verwendet werden kann.
Die Wahl einer in das System 10 eingeführten Nichtlinearität basiert
auf der spezifischen Anwendung und spezifischen Anforderungen, für deren
Einhaltung das System ausgelegt ist, so dass der Bereich von Nichtlinearitäten von
den oben angegebenen Bereichen für
eine spezifische Anwendung abweichen kann. Somit kann jeder Typ
von Nichtlinearität
verwendet werden, so lange die Nichtlinearität eine effektive Verstärkung aufweist,
die die Inverse der Quelle der effektiven Kleinsignalverstärkung des Grenzzyklus,
in dieser Ausführungsform
zum Beispiel DAC 20, ist.
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4 stellt
einen Graph einer Fehlertotzonennichtlinearität für diese Ausführungsform
dar. Dabei handelt es sich um die Eingangs/Ausgangs-Charakteristik
für die
Fehlertotzone, wobei die x-Achse der Eingangsfehler ist und die
y-Achse der Totzonenausgang ist. Wenn die Größe des Fehlers kleiner ist als
die Totzonenbreite δ,
ist der Ausgang null (d. h. tot). Ansonsten entspricht der Ausgang
dem Fehler.
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Mit
Bezug auf 5 erkennt man, dass das Diagramm
die effektive Verstärkung
für die
Totzonennichtlinearität
kombiniert mit der DAC 20- Nichtlinearität darstellt,
wobei die Totzone zum Beispiel auf das Reglerfehlersignal e (n) 42 angewendet
wurde und sich über
1 lsb erstreckte. Zwar wird die Nichtlinearitätsfehlertotzone vor dem Regler 18 in
das Fehlersignal 42 eingeführt, doch können andere Typen von Nichtlinearitäten anderswo
in den Kreis eingeführt werden
und dennoch das Problem, das mit dem Unterdrücken von Grenzzyklen in dem
System zusammenhängt,
lösen.
Die wesentliche Charakteristik der Darstellung von 5 veranschaulicht,
dass sich mit einem Tendieren der Eingangscodeänderungen zu null die kombinierte
oder zusammengesetzte Verstärkung
verringert. Folglich tendiert die kombinierte Verstärkung, während sich
der Kreis setzt und die Reglercodeänderungen zu null tendieren,
ebenfalls zu null und ermöglicht
es deshalb, dass sich der Systemkreis in einen DC stabilen Zustand
setzt. In 5 wird ebenfalls dargestellt,
dass sich die zusammengesetzte Verstärkung zu null reduziert, während sich die
Codeabweichungen unter null verringern, was zeigt, dass der Grenzzyklus
unterdrückt
wird. Es versteht sich allgemein, dass es nur erforderlich ist,
die zusammengesetzte Verstärkung
unter die äußerste Verstärkung – und nicht
notwendigerweise zu null – zu
reduzieren. In der Praxis ist es aber der Einfachheit halber viel
leichter, die Verstärkung
zu null zu reduzieren. Mit Bezug auf 2 und 5 kann
der Unterschied in der Verstärkung
für Abweichungen unter
1 lsb dargestellt werden. In 2 zum Beispiel tendiert
die Verstärkung
zu Unbegrenztheit, während in 5 die
Verstärkung
zu null tendiert. Zusätzlich bleibt
in 5 die Großsignalverstärkung, zum
Beispiel Codeabweichungen viel größer als 1 lsb, unverändert, d.
h. tendiert zu Eins.
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Zwar
sind die besonderen Ausführungsformen
der Erfindung oben beschrieben worden, doch versteht es sich, dass
durch einen Fachmann verschiedene andere Modifikationen und Verbesserungen
durchgeführt
werden können
ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.