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Die Erfindung betrifft einen konfigurierbaren Eingangsverstarker fur Positionsmesseinrichtungen nach Anspruch 1 Ein konfigurierbarer Eingangsverstarker ermoglicht es, eine Schaltung zur Auswertung von Positionssignalen in Positionsmesseinrichtungen so zu gestalten, dass sie unverändert in verschiedenen Positionsmesseinrichtungen eingesetzt werden kann Das ist besonders vorteilhaft, wenn diese Schaltung in einem applikationsspezifischen Baustein (ASIC) integriert wird.
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Positionsmesseinrichtungen sind weit verbreitet und werden insbesondere in Werkzeugmaschinen zur Erfassung von Weg- oder Winkelinformationen eingesetzt Häufig handelt es sich dabei um inkrementelle Positionsmesseinrichtungen Sie umfassen zur Bestimmung der Relativlage zweier zueinander beweglicher Objekte in der Regel eine Inkrementalteilungsspur auf Seiten eines Maßstabs. Diese Spur wird mit Hilfe einer Abtasteinheit zur Erzeugung von Inkrementalsignalen abgetastet. Dabei kommen verschiedene Abtastprinzipien, z B optische oder magnetische. zum Einsatz
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Die von der Abtasteinheit gewonnenen Weg- oder Winkelinformationen stehen aufgrund des Abtastprinzips ublicherweise als sinusförmige Stromsignale zur Verfügung. Häufig werden mehrere Positionssignale generiert, die zueinander phasenverschoben sind Sind beispielsweise zwei um 90° zueinander phasenverschobene Positionssignale vorhanden, lässt sich aus der Information, welches Signal vor- bzw nacheilt, die Bewegungsrichtung feststellen Bei um 180° zueinander phasenverschobenen Signalen kann durch Bildung eines Differenzsignals die Storanfälligkeit vermindert werden, da Störungen, die auf beiden Signalen vorhanden sind, durch die Differenzbildung eliminiert werden. Wenn bei den sinusförmigen Stromsignalen ein Gleichstromanteil enthalten ist, wird dieser durch die Differenzbildung ebenfalls kompensiert.
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Folgende Signalkombinationen sind im Stand der Technik bekannt
- – vier sinusförmige Stromsignale mit je 90° Phasenverschiebung (0°; 90°, 180°, 270°) ohne Gleichstromanteil
- – vier sinusförmige Stromsignale mit je 90° Phasenverschiebung (0°, 90° 180°, 270°) mit Gleichstromanteil
- – drei sinusformige Stromsignale mit je 90° Phasenverschiebung (0°, 90°, 180°) mit Gleichstromanteil
- – drei sinusförmige Stromsignale mit je 120° Phasenverschiebung (0°, 120°, 240°) mit Gleichstromanteil
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Je nach Anwendungsfall steht also eine unterschiedliche Anzahl von sinusformigen Stromsignalen mit verschiedenen Phasenlagen zueinander zur Verfügung, die zur Auswertung einer Signalverarbeitungseinrichtung zugefuhrt werden Dort werden die Stromsignale haufig zuerst in einem Eingangsverstarker in Spannungssignale umgewandelt. Im Falle von 180° phasenverschobenen Signalen wird aus diesen oft bereits im Eingangsverstarker ein Differenzspannungssignal gebildet, das zu den Eingangssignalen proportional ist. Bei der anschließenden Signalverarbeitung in der Folgeelektronik werden unter anderem Fehler korrigiert und durch Interpolation die Periodendauer der sinusförmigen Signale unterteilt und so die Auflösung der Positionssignale erhoht Anschließend werden die Positionssignale in standardisierte Formate konvertiert und ausgegeben
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Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung, sowie aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, geht man immer mehr dazu uber, die elektronischen Schaltungen, die zur Auswertung der Positionssignale von inkrementellen Positionsmesseinrichtungen benötigt werden, in applikationsspezifische Bausteine (ASICs) zu integrieren. Durch die oben beschriebene Vielzahl von Messprinzipien und der daraus resultierenden Art und Anzahl der auszuwertenden Signale war es bisher allerdings notwendig, fur jede Familie von inkrementellen Positionsmesseinrichtungen einen eigenen ASIC zu entwickeln.
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Daraus ergeben sich Nachteile: die Kosten von ASICs sind nur bei großen Stückzahlen wirtschaftlich interessant und deren Entwicklung und die damit verbundene Produktpflege ist zeit- und kostenintensiv. Es ist also ein permanentes Bedürfnis, die elektronischen Schaltungen zur Auswertung der Positionssignale von inkrementellen Positionsmesseinrichtungen so zu gestalten, dass sie für mehrere verschiedene Anwendungen einsetzbar sind Damit werden, wenn die elektronische Schaltung in einen ASIC integriert wird, höhere Stückzahlen erreicht und dadurch die Wirtschaftlichkeit erhoht und der Entwicklungsaufwand reduziert
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Fur die Folgeelektronik zur Durchführung der oben beschriebenen Signalverarbeitung durch Fehlerkorrektur, Interpolation und Konvertierung in standardisierte Datenformate können häufig bereits die gleichen Schaltungen für mehrere Anwendungen verwendet werden, wenn die Eingangssignale in einem Eingangsverstarker entsprechend aufbereitet werden. Oft unterscheiden sich die elektronischen Schaltungen zur Auswertung von Positionssignalen deshalb nur durch den Eingangsverstarker
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen konfigurierbaren Eingangsverstarker für Positionsmesseinrichtungen anzugeben, der in verschiedenen Konfigurationen betreibbar ist und dadurch mehrere Arten von Eingangssignalen so aufbereiten kann, dass fur deren Auswertung die gleiche Folgeelektronik verwendet werden kann
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen konfigurierbaren Eingangsverstarker fur eine Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Details ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhangigen Ansprüchen.
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Es wird nun ein konfigurierbarer Eingangsverstärker für Positionsmesseinrichtungen vorgeschlagen, der aus mindestens einer Verstarkereinheit besteht, die einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang, sowie einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang aufweist und in mindestens zwei verschiedenen Konfigurationen betreibbar ist. In einer ersten Konfiguration ist zwischen dem ersten Eingang und dem ersten Ausgang ein erster Operationsverstärker und zwischen dem zweiten Eingang und dem zweiten Ausgang ein zweiter Operationsverstärker angeordnet, die als Signalverstärker geschaltet sind. Somit stehen an den Ausgangen Ausgangssignale zur Verfugung. die proportional zu an den Eingängen anliegenden Eingangssignalen sind In einer zweiten Konfiguration ist der erste Operationsverstärker als Differenzverstarker geschaltet. Dadurch steht am Ausgang ein Ausgangssignal zur Verfügung, das proportional zur Differenz der an den Eingängen anliegenden Eingangssignale ist.
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Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten konfigurierbaren Eingangsverstärkers anhand der Figuren. Dabei zeigt
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1 einen Prinzipschaltplan einer ersten Ausführungsform eines konfigurierbaren Eingangsverstärkers,
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2 einen Prinzipschaltplan einer zweiten Ausfuhrungsform eines konfigurierbaren Eingangsverstarkers und
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3 ein Blockschaltbild eines konfigurierbaren Eingangsverstärkers mit einer übergeordneten Steuereinheit
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1 zeigt einen Prinzipschaltplan einer ersten Ausführungsform eines konfigurierbaren Eingangsverstärkers für den Einsatz in Positionsmesseinrichtungen. Sie besteht aus einer Verstarkereinheit 10, die einen ersten Eingang IN1, einen zweiten Eingang IN2, sowie einen ersten Ausgang OUT1 und einen zweiten Ausgang OUT2 besitzt
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Der erste Eingang IN1 ist mit dem invertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers A1 verbunden. Der erste Ausgang OUT1 ist mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers A1 verbunden und uber eine erste Impedanz Z1 auf den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers A1 zurückgekoppelt Der nicht-invertierende Eingang des ersten Operationsverstarkers A1 ist uber ein Schaltelement S11 mit einer Referenzspannung VREF verbindbar
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Der zweite Eingang IN2 der Verstärkereinheit 10 ist über ein Schaltelement S12 mit dem nicht-invertierenden Eingang des ersten Operationsverstarkers A1, sowie über ein Schaltelement S21 mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstarkers A2 verbindbar Außerdem ist er mit einem ersten Anschluss einer zweiten Impedanz Z2 verbunden Der zweite Anschluss der zweiten Impedanz Z2 ist über ein Schaltelement S22 an die Referenzspannung VREF, sowie über ein Schaltelement S23 an den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers A2 schaltbar Der zweite Ausgang OUT2 der Verstarkereinheit 10 ist mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstarkers A2 verbunden Der nicht-invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers A2 liegt an der Referenzspannung VREF
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In einer ersten Konfiguration K1 sind die Schaltelemente S11, S21, S23 geschlossen und die Schaltelemente S12 und S22 offen Damit arbeiten die Operationsverstarker A1 und A2 als zwei voneinander getrennte stromgesteuerte Spannungsquellen, d h Stromsignale die an die Eingänge IN1 und IN2 angelegt werden, werden in proportionale Spannungssignale umgewandelt Als Bezugspunkt fur die Ausgangssignale OUT1 und OUT2 dient die Referenzspannung VREF
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In einer zweiten Konfiguration K2 sind die Schaltelemente S11, S21 und S23 offen und die Schaltelemente S12 und S22 geschlossen Dadurch ist jetzt der zweite Eingang IN2 der Verstärkereinheit 10 über das Schaltelement S12 mit dem nicht-invertierenden Eingang des ersten Operationsverstarkers A1 und uber die zweite Impedanz Z2 und das Schaltelement S22 mit der Referenzspannung VREF verbunden. Da Schaltelement S21 offen ist, ist der zweite Operationsverstärker A2 ohne Funktion. Am ersten Ausgang OUT1 der Verstärkereinheit 10 wird ein Spannungssignal ausgegeben, das proportional zur Differenz der an den Eingängen IN1 und IN2 anliegenden Stromsignale ist
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Wie oben bereits erwähnt, sind die zu verarbeitenden Eingangssignale meist annahernd sinusformig und weisen verschiedene Phasenlagen zueinander auf. Werden nun in die Eingänge IN1 und IN2 zwei zueinander um 180° phasenverschobene sinusförmige Signale eingespeist, ergeben sich fur das Spannungssignal am Ausgang OUT1 folgende Vorteile:
- 1 Sogenannte Gleichtaktstörungen, also Störungen, die in beiden Stromsignalen an den Eingangen IN1 und IN2 gleichermaßen enthalten sind, werden durch die Differenzbildung kompensiert
- 2 Der Gleichstromanteil, der in den sinusförmigen Stromsignalen enthalten ist, wird eliminiert, d h das Spannungssignal am Ausgang OUT1 ist annähernd offsetfrei
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In der folgenden Tabelle sind die Schalterstellungen der Schaltelemente S11, S12, S21, S22, S23 für die Konfigurationen K1 und K2 zusammengefasst.
| Schaltelement | Erste Konfiguration K1 | Zweite Konfiguration K2 |
| S11 | geschlossen | offen |
| S12 | offen | geschlossen |
| S21 | geschlossen | offen |
| S22 | offen | geschlossen |
| S23 | geschlossen | offen |
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2 zeigt den Prinzipschaltplan einer zweiten Ausführungsform eines konfigurierbaren Eingangsverstarkers für den Einsatz in Positionsmesseinrichtungen. Er besteht aus zwei Verstärkereinheiten 10 1, 10 2 mit dem gleichen Aufbau wie die Verstärkereinheit 10 in 1 Zur Unterscheidung wurde den Bezugszeichen der Verstärkereinheiten 10 1, 10 2 die laufende Nummer der Verstärkereinheit hinzugefügt. So ist die erste Verstärkereinheit in 2 mit 10.1 bezeichnet, die zweite Verstarkereinheit mit 10 2 Analog dazu entspricht Z1 1 in der ersten Verstärkereinheit 10.1 der ersten Impedanz Z1 in 1, bzw. Z1.2 in der zweiten Verstärkereinheit 10.2 der ersten Impedanz Z1, usw.
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Zusätzlich ist den Ausgangen OUT1.1 und OUT2 1 der Verstarkereinheit 10 1 ein mittelwertbildender Spannungsteiler 20, bestehend aus einer dritten Impedanz Z3, einer vierten Impedanz Z4 und einer fünften Impedanz Z5 nachgeschaltet
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Der erste Ausgang OUT1 1 ist über die dritte Impedanz Z3, der zweite Ausgang OUT2 1 uber die vierte Impedanz Z4 mit dem ersten Anschluss der funften Impedanz Z5 verbunden Der zweite Anschluss der funften Impedanz Z5 ist mit der Referenzspannung VREF verbunden Bei Einhaltung der Bedingung Z3 = Z4 stellt sich am gemeinsamen Knotenpunkt der Impedanzen Z3, Z4. Z5 ein Mittelwertsignal Vm ein, welches uber ein Schaltelement S33 an den nicht-invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers A1 2 der Verstärkereinheit 10.2 schaltbar ist
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Neben der ersten Konfiguration K1 und der zweiten Konfiguration K2 des konfigurierbaren Eingangsverstärkers in 1 ist in der bevorzugten Ausführungsform in 2 somit noch eine dritte Konfiguration K3 möglich. Dabei sind in der Verstarkereinheit 10.1 die Schaltelemente S11.1, S21.1, S23 1 geschlossen und die Schaltelemente S12.1, S22.1 offen, in der Verstärkereinheit 10 2 die Schaltelemente S21.2. S23.2 geschlossen und die Schaltelemente S11.2, S12.2, S22 2 offen. Zusätzlich ist Schaltelement S33 im mittelwertbildenden Spannungsteiler 20 geschlossen
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Damit arbeiten in der dritten Konfiguration K3 des konfigurierbaren Eingangsverstarkers die beiden Operationsverstarker A1 und A2 der Verstärkereinheit 10 1 entsprechend der oben beschriebenen ersten Konfiguration K1 als stromgesteuerte Spannungsquellen. Aus deren Ausgangssignalen OUT1.1 und OUT2.1 wird im mittelwertbildenden Spannungsteiler 20 ein Mittelwertsignal Vm gebildet, welches über das Schaltelement S33 an den nicht-invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers A1 2 der Verstarkereinheit 10 2 gelangt Wenn der Eingang IN1 2 der Verstärkereinheit 10.2 unbeschaltet ist, arbeitet der Operationsverstärker A1 2 als nicht-invertierender Verstärker mit Verstärkungsfaktor 1, also als sogenannter Spannungsfolger, d. h. das Mittelwertsignal Vm wird lediglich gepuffert und mit unveranderter Amplitude am Ausgang OUT1 2 ausgegeben. Wie dem Fachmann allerdings bekannt ist, kann der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers A1.2 durch externe Beschaltung des Eingangs IN1 2 in weiten Bereichen variiert werden
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Der Operationsverstarker A2 2 der zweiten Verstarkereinheit 10 2 arbeitet ebenfalls als stromgesteuerte Spannungsquelle entsprechend der ersten Konfiguration K1
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Aus Grunden der Übersichtlichkeit sind die Schalterstellungen der Schaltelemente S11 1, S12.1, S21 1, S22 1, S23 1, S11 2, S12 2, S21 2, S22.2. S23 2, S33 für die Konfigurationen K1, K2, K3 in der folgenden Tabelle noch einmal zusammengefasst.
| Schaltelement | Erste Konfiguration K1 | Zweite Konfiguration K2 | Dritte Konfiguration K3 |
| S11 1 | geschlossen | offen | geschlossen |
| S12 1 | offen | geschlossen | offen |
| S21 1 | geschlossen | offen | geschlossen |
| S22.1 | offen | geschlossen | offen |
| S23 1 | geschlossen | offen | geschlossen |
| S11 2 | geschlossen | offen | offen |
| S12 2 | offen | geschlossen | offen |
| S21 2 | geschlossen | offen | geschlossen |
| S22 2 | offen | geschlossen | offen |
| S23 2 | geschlossen | offen | geschlossen |
| S33 | offen | offen | geschlossen |
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Als Schaltelemente S11, S12, S21, S22, S23, S11 1, S12 1, S21.1, S22.1, S23 1. S11 2, S12 2, S21 2, S22 2, S23 2, S33 werden Halbleiterschalter verwendet Diese können annähernd leistungslos ein- und ausgeschaltet werden und eignen sich hervorragend fur die Integration in einem anwenderspezifischen Baustein (ASIC)
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Die verwendeten Impedanzen Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z1.1, Z2.1, Z1.2, Z2 2 können aus Wirk- und Blindwiderständen zusammengesetzt sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft wenn sie, wie in 1 anhand von Z1 angedeutet, aus einem ohmschen Widerstand R1 bestehen. zu dem ein Kondensator C1 parallelgeschaltet ist. In diesem Beispiel arbeitet der erste Operationsverstarker A1 als Tiefpass mit einer Grenzfrequenz von fg = 1/(2·π·R1·C1), d h hochfrequente Störungen, die im Eingangssignal enthalten sind, werden abgeschwacht
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Je nach Konfiguration K1, K2, K3, in der die Verstärkereinheiten 10, 10 1, 10 2 betrieben werden, kann es sein, dass einer der Operationsverstarker A1, A2, A1 1, A2 1, A1 2, A2.2 fur die Funktion der Schaltung nicht benötigt wird. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn der entsprechende Operationsverstarker A1, A2, A1 1, A2 1, A1 2, A2 2 inaktiv geschaltet werden kann Dadurch wird der Stromverbrauch und somit auch die Erwärmung der Schaltung reduziert
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Daruber hinaus ist es von Vorteil, im inaktiven Zustand am dazugehorigen Ausgang OUT1, OUT2, OUT1.1, OUT2 1, OUT1.2, OUT2 2 einen definierten Spannungspegel, bevorzugt VREF, auszugeben. Auf diese Weise wird einem undefinierten Verhalten des Operationsverstarkers A1, A2, A1.1, A2.1, A1.2, A2.2, das sich durch den unbeschalteten invertierenden Eingang ergeben könnte, vorgebeugt.
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Zur Veranschaulichung ist in 1 die Möglichkeit, den zweiten Operationsverstärker A2 inaktiv zu schalten, durch ein Steuersignal 11 angedeutet Wird die Schaltung in der zweiten beschriebenen Konfiguration K2 betrieben, ist der zweite Operationsverstärker A2 ohne Funktion. In diesem Fall kann er über das Steuersignal 11 inaktiv geschaltet werden
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Die in 1 und 2 beschriebenen Schaltungen sind so konzipiert, dass an den Eingangen IN1, IN2, IN1 1, IN2 1, IN1 2, IN2.2 anliegende Stromsignale in dazu proportional verlaufende Spannungssignale umgewandelt und an den Ausgängen OUT1, OUT2, OUT1 1, OUT2.1, OUT1 2, OUT2 2 ausgegeben werden. Derartige Schaltungen werden als stromgesteuerte Spannungsquellen bezeichnet. Für den Fachmann ist es jedoch offensichtlich, dass die Schaltungen durch die Verwendung zusätzlicher Impedanzen, die in Serie zu den Eingängen IN1, IN2, IN1 1, IN2 1, IN1 2, IN2.2 geschaltet werden, auch dazu verwendet werden konnen, Spannungssignale zu verarbeiten. In diesem Fall spricht man von spannungsgesteuerten Spannungsquellen Die zusatzlichen Impedanzen konnen selbstverstandlich mit in den ASIC integriert werden.
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3 zeigt ein Blockdiagramm eines konfigurierbaren Eingangsverstarkers, bestehend aus zwei Verstarkereinheiten 10 1, 10.2 und einem mittelwertbildenden Spannungsteiler 20, mit einer ubergeordneten Steuereinheit 30, uber die auswahlbar ist, in welcher Konfiguration der Eingangsverstarker betrieben wird
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Die Steuereinheit 30 erhalt uber mindestens eine Konfigurationsleitung 31 die Information, in welcher Konfiguration der Eingangsverstarker betrieben werden soll Uber eine Vielzahl von Schaltleitungen 32 werden die Schaltelemente S11, S12, S21, S22, S23, S11 1, S12.1, S21 1. S22.1, S23 1, S11 2, S12 2, S21.2, S22.2, S23.2, S33 je nach ausgewahlter Konfiguration K1, K2, K3 geöffnet oder geschlossen.
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Die Steuereinheit 30, die Konfigurationsleitung 31 und die Schaltleitungen 32 stellen somit Umschaltmittel 30, 31, 32 dar, über die der Zustand der Schaltelemente S11, S12, S21, S22, S23, S11.1, S12 1, S21.1, S22 1, S23 1, S11 2, S12 2, S21 2, S22.2, S23.2, S33 entsprechend der Konfiguration K1, K2, K3 bestimmt wird
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Bei der mindestens einen Konfigurationsleitung 31 kann es sich beispielsweise um Auswahlleitungen handeln, bei denen durch das Spannungspotential, mit dem sie verbunden werden, bestimmt wird, welche Konfiguration K1, K2, K3 ausgewählt ist. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn es sich bei der mindestens einen Konfigurationsleitung 31 um eine digitale Schnittstelle 31, vorzugsweise eine serielle Schnittstelle, handelt. Eine digitale Schnittstelle 31 ist in applikationsspezifischen Bausteinen (ASICs), die in Positionsmesseinrichtungen verwendet werden, häufig bereits vorhanden, es sind also keine zusätzlichen Leitungen notig. Daruber hinaus ist diese Art der Ansteuerung sehr flexibel So kann beispielsweise ohne großen Aufwand implementiert werden, dass jedes einzelne Schaltelement gezielt aus- und eingeschaltet werden kann. Auf diese Weise können z B Testfunktionen oder weitere Konfigurationen integriert werden
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Die beschriebenen Ausführungsformen eines konfigurierbaren Eingangsverstarkers lassen sich im Rahmen der Erfindung selbstverstandlich abwandeln und an verschiedenste Anforderungen anpassen
