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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Prozeß zur Analog-/Digital-Umsetzung
und eine Einrichtung zur Analog-/Digital-Umsetzung (ADC), vorzugsweise
einen Prozeß zur
Analog-/Digital-Umsetzung, der ein Prinzip der sukzessiven Approximation
verwendet (SA-ADC).
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Bei
der digitalen Signalverarbeitung ist es notwendig, ein Analogsignal
in ein Digitalsignal umsetzen zu können. Es gibt verschiedene
Arten von Analog-/Digital-Umsetzern,
die sich bezüglich
Kosten und Leistungsfähigkeit
stark unterscheiden. Die Kosten werden durch die Schaltungskomplexität des Analog-/Digital-Umsetzers
und die erforderliche Technologie zur Implementierung von Schaltungskomponenten
mit der Schaltungskomplexität
bestimmt. Die Leistungsfähigkeit
wird in der Regel über Umsetzungsrate,
Auflösung
und Stromaufnahme gemessen.
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Ein
Analog-/Digital-Umsetzer (ADC), der das Prinzip der sukzessiven
Approximation verwendet (SA-ADC) wird durch einen Algorithmus, wie
zum Beispiel Binärsuche,
gesteuert. Der Analog-/Digital-Umsetzer umfaßt im Prinzip eine Abtasteinheit, die
einen Momentanwert eines Eingangssignals speichert, einen Digital-/Analog-Umsetzer (DAC), der bekannte
Referenzwerte erzeugt, und einen Komparator, der den gespeicherten
Wert mit einem Referenzwert vergleicht. Der Algorithmus steuert
die Sequenz von Referenzwerten so, daß der gespeicherte Wert gemäß einer
Meßskala
bestimmt werden kann, die normalerweise eine durch Binärzahlen
dargestellte ganze Zahl ist. Dieses Prinzip wird durch eine Kausalanforderung
begrenzt, wobei ein Vergleich finalisiert sein muß, bevor
der Algorithmus herausfinden kann, welcher Referenzwert beim nächsten Vergleich verwendet
werden soll. Dieser Zyklus grenzt die maximale Rate eines SA-ADC
ab.
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Ein
anderes Problem ist die Genauigkeit der Referenzwerte. In einer
elektrischen Schaltung wird ein Wert gemäß einer Exponentialkurve gesetzt,
d. h., je mehr Zeit verfügbar
ist, desto genauer wird der Wert. Dies kann zu dynamischen Fehlern
führen
und ist ein ratenabhängiges
Problem. Das besagte Problem kann durch einen redundanten Code gelöst werden,
siehe M. P. V. Kolluri, „A
12-BIT 500-NS Subranging ADC",
IEEE Journal of Solid State Circuits, Band 24, Nr. 6, S. 1498–1506, Dezember
1989; als Alternative kann man eine Vielzahl von Komparatoren und
eine Vielzahl von Referenzpegeln verwenden, siehe P-E Danielsson, "A/D-conversion employing
successive approximation with dual comparators", Report Nr. LiTH-ISY-R-1796, 951004,
Linköpings
Universität
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Offenlegung
der Erfindung
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Ein
Problem bei der Umsetzung eines analogen Signalwerts in einen digitalen
Signalwert unter Verwendung eines Prinzips der sukzessiven Approximation
besteht darin, daß ein
solcher Prozeß gemäß dem Stand
der Technik abhängig
von seinem Approximationsprozeß einen
Ratenbegrenzungsfaktor umfaßt.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Vergrößerung der Rate des Approximationsprozesses
durch eine verbesserte Unterteilung eines Suchintervalls und darin
angeordneter Referenzpegel.
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Die
vorliegende Erfindung löst
das oben erwähnte
Problem, indem für
jedes Suchintervall mindestens drei Bereiche definiert werden, dergestalt, daß die Bereiche
das gesamte Suchintervall abdecken, und dergestalt, daß jeder
Bereich mindestens einen anderen Bereich abdeckt; so daß jeder
solche Bereich auf ein neues kleineres Suchintervall definiert wird,
bis ein letztes Suchintervall einen voreingestellten Wert erreicht;
so daß ein
Referenzwert in jedem redundanten Teil definiert wird, dergestalt,
daß N
Bereiche in einem Suchintervall N-1 Referenzwerte ergeben; so daß mindestens
ein Referenzpegel in jedem Suchintervall so definiert wird, daß er mit
mindestens einem anderen Referenzpegel zusammenfällt, wobei mindestens ein solcher
zusammenfallender Referenzpegel zu zwei Suchintervallen gehört, die
durch Bereiche in einem nächstliegenden
größeren Suchintervall
gebildet werden.
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Um
den digitalen Signalwert zu erzielen, wird ein unbekannter abgetasteter
Wert mit allen Referenzpegeln in einem Suchintervall verglichen,
wodurch mindestens ein Bereich in dem Suchintervall eliminiert werden
kann, und in dem nachfolgenden Prozeß der sukzessiven Approximation
wird der unbekannte abgetastete Wert mit allen Referenzwerten in
dem neuen kleineren Suchintervall verglichen, wobei jede Wahl eines
vergleichenden Referenzpegels von dem Ergebnis in dem nächstliegenden
vorausgehenden Schritt unabhängig
ist, bis der unbekannte abgetastete Wert mit einer voreingestellten
Genauigkeit bestimmt werden kann.
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Der
oben beschriebene Prozeß kann
vorteilhafterweise in einem Analog-/Digital-Umsetzer implementiert
werden.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Approximationsprozeß mit geringen
Anforderungen an Konvergenz durchgeführt werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie nur
einen Komparator umfaßt.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie eine
hochratige Implementierung ermöglicht.
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Die
Erfindung wird nun durch bevorzugte Ausführungsformen und mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine Ausführungsform,
die darstellt, wie ein Suchintervall von einem Wert X zu einem Wert
Y gemäß der Erfindung
unterteilt werden kann.
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2 ist dieselbe Ausführungsform
der Unterteilung des Suchintervalls wie in 1, wobei den Referenzpegeln Bezugszahlen
gegeben wurden.
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3 zeigt ein Flußdiagramm
für den
Approximationsprozeß gemäß der Erfindung.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
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1 zeigt ein Suchintervall
von einem Wert X zu einem Wert Y, das das Werteintervall darstellen kann,
in dem ein unbekannter analoger Signalwert in einen digitalen Signalwert
umgesetzt werden soll. Das Suchintervall wurde in eine Anzahl kleinerer
Suchintervalle unterteilt, wobei in verschiedene Bereiche unterteilt
wird, um einen Prozeß der
sukzessiven Approximation zu verwenden, um zu dem gewünschten
digitalen Signalwert zu iterieren.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird das Suchintervall X-Y zunächst
in drei Bereiche a, b und c unterteilt. Diese Bereiche sind bezüglich Absolutwerten
gleich. Der Bereich a beginnt bei dem X-Pegel und endet an einer
beliebigen Stelle vor dem Y-Pegel. Der Bereich b beginnt oder endet
nicht an irgendeinem der Endwerte X oder Y, aber er hat denselben
Mittelpunkt wie der Mittelpunkt des Intervalls X-Y. Der Bereich
c beginnt an einer beliebigen Stelle in dem Intervall X-Y und endet
an dem Y-Pegel. Jeder der Bereiche a, b und c überlappt mindestens einen der
anderen Bereiche in demselben Suchintervall, d. h. überlappt
der Bereich a mindestens den Bereich b und der Bereich c überlappt
mindestens den Bereich b. Die Bereiche a und c können sich gemäß der dargestellten
Ausführungsform
in 1 überlappen. Diese
Anordnung von Bereichen erzeugt Teile, in denen eine sogenannte
Redundanz entsteht. Somit besteht bei der Ausführungsform in 1 in dem gesamten b-Bereich Redundanz.
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In
diesem redundanten Teil sollen Referenzpegel angeordnet werden.
Im Fall der Verwendung von drei Bereichen in einem Suchintervall
sieht es so aus, als ob sich Bereich a und Bereich c nicht überlappen,
aber am selben Punkt enden und beginnen, zwei verschiedene redundante
Teile erzeugt werden würden.
Ein durch die Bereiche c und b gebildeter redundanter Teil und ein
weiterer redundanter Teil für Bereich
a und b. Für
jeden redundanten Teil soll ein Referenzpegel angeordnet werden,
d. h. sollen für drei
Bereiche zwei Referenzpegel angeordnet und für vier Bereiche drei Referenzpegel
und für
N Bereiche N-1 Referenzpegel angeordnet werden. Bei der Ausführungsform
in 1 sollen also zwei
Referenzpegel in den redundanten Teilen angeordnet werden.
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2 zeigt ein Beispiel dafür, wie diese
Referenzpegel in den redundanten Teilen für die Ausführungsform gemäß 1 angeordnet werden können. Abhängig davon,
wie die Referenzpegel plaziert werden, wird der vorangehende Suchprozeß mehr oder
weniger effektiv.
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Im
nächsten
Schritt wurden die Bereiche a, b und c in jeweilige Suchintervalle
unterteilt, dergestalt, daß Bereich
a ein neues Suchintervall, das die Bereiche a1, a2 und a3 umfaßt, Bereich
b ein neues Suchintervall, das die Bereiche b1, b2 und b3 umfaßt, und
Bereich c ein neues Suchintervall, das die Bereiche c1, c2 und c3 umfaßt, bildet.
Bei dieser Ausführungsform
wurde jedes der neuen kleineren Suchintervalle zu einer reduzierten
Kopie des nächstliegenden
oberen Suchintervalls hergestellt, d. h. das Suchintervall, das
die Bereiche a1, a2 und a3 umfaßt,
ist eine reduzierte Kopie des Suchintervalls, das die Bereiche a,
b und c umfaßt.
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Ein
Suchintervall kann drei Bereiche umfassen, während ein anderes Suchintervall
drei oder mehr Bereiche umfassen kann. Es bestehen also keinerlei
Einschränkungen,
daß das
Suchintervall, das die Bereiche a1, a2 und a3 umfaßt, so viele
Bereiche umfassen soll, wie das Suchintervall, das aus dem Bereich
b oder c gebildet wird, und auch keine Anforderung, größere Suchintervalle
in mehr Bereiche als ein kleineres zu unterteilen. Die Länge der
in einem Suchintervall enthaltenen Bereiche kann unterschiedlich
sein. Jeder der Bereiche a1, a2 und a3 kann eine verschiedene Länge aufweisen,
und dasselbe gilt für
die Bereiche in den anderen Suchintervallen.
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Somit
haben in 1 die Bereiche
a, b und c neue Suchintervalle gebildet, die die neuen Bereiche
a1, a2, a3; b1, b2, b3 bzw. C1, C2, C3 umfassen.
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In
jedem solchen neuen kleineren Suchintervall sollen gemäß den obigen
Ausführungen
zwei oder mehr Referenzpegel abhängig
von der Anzahl enthaltener Bereiche angeordnet werden. Mindestens
einer der Referenzpegel in jedem der neuen kleineren Suchintervalle
soll gemeinsam mit mindestens einem anderen Referenzpegel vorliegen,
wobei mindestens ein solcher anderer Referenzpegel zu einem Suchintervall
desselben Unterteilungsschritts gehört, d. h. soll zum Beispiel
das aus dem Bereich a gebildete Suchintervall einen gemeinsamen
Referenzpegel mit dem Suchintervall aus Bereich b aufweisen, und
das ein zu dem aus dem Bereich c gebildeten Suchintervall gehörender Referenzpegel
einen gemeinsamen Referenzpegel mit dem aus Bereich b gebildeten
Suchintervall aufweisen soll. In 2 gibt es
Beispiele für
gemeinsame Referenzpegel, wie zum Beispiel R4 und R5, die zu den
Suchintervallen mit den Bereichen a1, a2, a3; b1, b2, b3 und c1,
c2, c3 gehören.
Bei der in 2 gezeigten
Ausführungsform
werden beide Referenzpegel für
das Suchintervall mit einem anderen Referenzpegel gemeinsam.
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Im
nächsten
Schritt wurden die Bereiche a1, a2, a3; b1, b2, b3 und c1, c2, c3
in drei verschiedene Suchintervalle unterteilt, dergestalt, daß Bereich
a1 ein neues Suchintervall bildet, das die Bereiche a11, a12 und
a13 umfaßt,
Bereich a2 ein neues Suchintervall bildet, das die Bereiche a21,
a22 und a23 umfaßt,
Bereich a3 ein neues Suchintervall bildet, das die Bereiche a31,
a32 und a33 umfaßt,
Bereich b1 ein neues Suchintervall bildet, das die Bereiche b11, b12
und b13 umfaßt,
Bereich b2 ein neues Suchintervall bildet, das die Bereiche b21,
b22 und b23 umfaßt,
Bereich b3 ein neues Suchintervall bildet, das die Bereiche b31,
b32 und b33 umfaßt,
Bereich c1 ein neues Suchintervall bildet, das die Bereiche c11, c12
und c13 umfaßt,
Bereich c2 ein neues Suchintervall bildet, das die Bereiche c21,
c22 und c23 umfaßt, und
Bereich c3 ein neues Suchintervall bildet, das die Bereiche c31,
c32 und c33 umfaßt.
Bei dieser Ausführungsform
wurde jedes der neuen kleineren Suchintervalle zu einer reduzierten
Kopie des nächstliegenden
obigen Suchintervalls hergestellt, d. h. zum Beispiel das Suchintervall,
das die Bereiche a11, a12 und a13 umfaßt, ist eine reduzierte Kopie
des Suchintervalls, das die Bereiche a1, a2 und a3 umfaßt.
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Wie
bereits bezüglich
der Anordnung von Referenzpegeln offengelegt wurde, sollen diese
Suchintervalle außerdem
N-1 Referenzpegel für
N Bereiche für
das besagte Suchintervall umfassen. Auch soll hierbei mindestens
ein Referenzpegel- in jedem Suchintervall gemeinsam mit mindestens
einem anderen Referenzpegel vorliegen, d. h. zum Beispiel soll
das aus dem Bereich a1 gebildete Suchintervall einen gemeinsamen
Referenzpegel mit dem aus dem Bereich a2 gebildeten Suchintervall
aufweisen, und ein Referenzpegel, der zu dem aus dem Bereich a3
gebildeten Suchintervall gehört,
soll einen gemeinsamen Referenzpegel mit dem aus Bereich a2 gebildeten
Suchintervall aufweisen. In 2 sieht man
Beispiele für
gemeinsame Referenzpegel, zum Beispiel R8, R9, R12, R13, R16 und
R17. Nicht dargestellt, aber absolut vorstellbar ist zum Beispiel
eine Anordnung des gemeinsamen Referenzwerts R5 zusammen mit dem
gemeinsamen Referenzpegel R13, und auf dieselbe Weise kann der gemeinsame
Referenzpegel R9 gemeinsam mit dem gemeinsamen Referenzpegel R4
angeordnet werden.
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Die
Unterteilung gemäß dem obigen
wird ausgeführt,
bis das letzte Suchintervall einen voreingestellten gegebenen Stopwert
erreicht.
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IN 3 sieht man ein Beispiel
für ein
Flußdiagramm
dafür,
wie ein Approximationsprozeß ausgeführt werden
kann. Alle Bezugszahlen in 3 stehen
mit 1 und 2 in Zusammenhang.
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In
einem ersten Schritt wird ein unbekannter abgetasteter Wert V für jedes
besagte Suchintervall mit einem der Referenzpegel verglichen. Hierbei
ist das Suchintervall X-Y und der Referenzpegel R2. Es muß betont
werden, daß der
erste Schritt bei dem Vergleich nicht von dem Anfangsintervall starten muß, wie in 1 und 2 gezeigt.
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Das
besagte Suchintervall kann Teil eines größeren Suchintervalls sein,
d. h. das Suchintervall X-Y in 1 und 2 kann Teil eines ursprünglich größeren Suchintervalls
sein. Anders ausgedrückt,
kann der Approximationsprozeß in
einem beliebigen Suchintervall starten, solange der unbekannte abgetastete
Wert als in dem besagten Suchintervall enthalten definiert werden kann.
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Der
nächste
Schritt in dem Approximationsprozeß wird mit dem unbekannten
abgetasteten Wert V mit dem Referenzpegel R1 verglichen. Wenn bei dem
ersten Ergebnis der abgetastete Wert V kleiner als der Referenzwert
R2 war, landet man in dem linken Zweig in 3. Wenn das Ergebnis dagegen darin bestand,
daß der
unbekannte abgetastete Wert V größer als
der Referenzwert R2 war, landet man in dem rechten Zweig in 3. Im Fall V < R2 sind Bereich
a oder b relevant und Bereich c kann eliminiert werden. Im Fall
V > R2 ist Bereich
c relevant und die Bereiche a und b können eliminiert werden. Man
nehme nun an, daß,
wenn man in dem linken Zweig des Flußdiagramms in 3 bleibt, d. h. der unbekannte abgetastete
Wert V kleiner als der Referenzwert R2 war und Bereich a oder b
relevant ist. Unabhängig von
dem Ergebnis dieses Vergleichs zwischen dem unbekannten abgetasteten
Wert V und dem Referenzwert R1 sollen im nächsten Schritt die unbekannten
abgetasteten Werte R3 und R4 verglichen werden. Dies ist darauf
zurückzuführen, daß durch
Anordnen mindestens eines Referenzpegels in jedem Suchintervall
gemeinsam mit mindestens einem anderen Referenzpegel in einem anderen
Suchintervall, wobei mindestens eines des besagten „anderen Suchintervalls" ebenfalls aus Bereichen
in einem nächstliegenden
größeren Suchintervall
gebildet wurde, in der Lage sind, vorherzusagen, welcher nächster Referenzwert
mit dem unbekannten abgetasteten Wert V verglichen werden soll.
Es versteht sich, daß wir
uns in dem linken Zweig des Flußdiagramms
in 3 befinden und dabei
sind, den unbekannten abgetasteten Wert mit dem Referenzpegel R1
zu vergleichen, während
man im Voraus den nächsten
Vergleich vorbereiten kann, so wie er zwischen dem unbekannten abgetasteten
Wert und R4 unabhängig
von dem Ergebnis bei dem Vergleich mit R1 auftreten soll.
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Im
nächsten
Schritt soll also der unbekannte abgetastete Wert mit dem Referenzwert
R4 verglichen werden. Abhängig
davon, ob der unbekannte abgetastete Wert V kleiner oder größer als
der Referenzwert R1 war, landet man bei dem Vergleich mit R4 in
dem linken bzw. dem rechten Zweig. Unter der Annahme, daß man sich
in dem linken Zweig befindet, d. h. der unbekannte abgetastete Wert
V bei dem Vergleich mit R1 kleiner als der Referenzwert R1 war und
daß der
Bereich a relevant ist und Bereich b eliminiert werden kann. Im
nächsten
Schritt soll der unbekannte abgetastete Wert V mit R3 verglichen
werden, weil für
ein gegebenes Suchintervall hier das Suchintervall, das aus Bereich
a gebildet wird, der unbekannte abgetastete Wert V mit jedem Referenzwert
für dieses
Suchintervall verglichen werden soll. Wenn zum Beispiel ein Suchintervall
vier Bereiche umfaßt,
soll der unbekannte abgetastete Wert V mit den drei Referenzpegeln
für das
besagte Suchintervall verglichen werden.
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Im
nächsten
Schritt soll also der unbekannte abgetastete Wert V unabhängig von
dem Ergebnis des vorhergehenden Schritts mit dem Referenzwert R3
verglichen werden. Auch kann hierbei der Vergleich mit R3 schon
dann vorbereitet werden, wenn man weiß, daß man sich bei dem Vergleich
mit R4 in dem linken Zweig befindet. Da der vorangehende Schritt
immer unabhängig
von dem Ergebnis des Schritts zuvor ist, können in derselben Iterationsschleife
zwei Vergleiche durchgeführt
werden. Anders ausgedrückt
kann, statt auf das Ergebnis eines Vergleichs zwischen einem unbekannten
abgetasteten Wert und einem Referenzpegel zu warten, der nächste Schritt
vorbereitet werden, bevor das Ergebnis gegeben wird. Auf diese Weise
kann der Approximationsprozeß beschleunigt
werden, da in demselben Iterationsprozeß zwei Vergleiche durchgeführt werden
können.
Man nehme an, daß bei
dem Vergleich des unbekannten abgetasteten Werts mit dem Referenzwert
R4 das Ergebnis V < R4
war. Wiederum befindet man sich in dem linken Zweig und weiß, daß die Bereiche
a1 und a2 relevant sind und daß der Bereich
a3 eliminiert werden kann. Beim Vergleich mit R3 weiß man, daß beim nächsten Schritt
V mit R8 verglichen werden soll, unabhängig von dem Ergebnis des Vergleichs
R3 usw.
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Der
oben erwähnte
Prozeß wird
fortgesetzt, bis der unbekannte abgetastete Wert mit einer voreingestellten
Genauigkeit bestimmt werden kann.
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In 3 wurden Vergleiche, die
von dem vorherigen Ergebnis unabhängig sind, mit einer gestrichelten
Linie eingeschlossen, zum Beispiel ist in 3 zu sehen, daß der Vergleich in dem linken Zweig
mit R4 unabhängig
von dem Ergebnis des vorherigen Schritts ist, als der unbekannte
abgetastete Wert mit R1 verglichen wurde.
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Der
vorliegende Approximationsprozeß kann Teil
eines Analog-/Digital-Umsetzers sein. Ein Analog-/Digital-Umsetzer wird nicht
weiter ausführlich beschrieben,
da er im Stand der Technik wohlbekannt ist und seine Funktionsweise
und Konstruktion kein Teil der Erfindung ist.
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Es
versteht sich, daß die
Erfindung nicht auf die oben erwähnten
Ausführungsformen
beschränkt ist,
sondern innerhalb des Schutzumfangs der angefügten Ansprüche modifiziert werden kann.