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Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung und ein Verfahren, welche eine galvanische Trennung eines Eingangsanschlusses von einem Ausgangsanschluss sicherstellen.
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Herkömmlich werden zur galvanischen Trennung in Schaltungen Optokoppler eingesetzt. So zeigt das deutsche Patent
DE 24 19 380 C3 ein Übertragungssystem, welches auf Optokopplern basiert. Mit Optokopplern sind Taktraten von 20 MHz typisch und Taktraten von bis zu 50 MHz realisierbar. Hauptprobleme sind bei Optokopplern die geringe Energieübertragung von der Sperrschicht der Sendediode auf die Sperrschicht der Empfangsdiode bzw. des Empfangstransistors. Darüber hinaus ist eine geringe Ladungsträgerlebensdauer in der Empfangssperrschicht problematisch. Bei Optokopplern ist die Flankensteilheit dadurch sehr gering. Bei einer digitalen Abtastung von Flanken mit solch geringer Steigung wird der Jitter (stochastische Zeitdrift) sehr groß.
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Alternativ zu dem Einsatz von Optokopplern ist zusätzlich die Nutzung einer Modulation mittels eines Referenzoszillators bekannt. Um Daten zu übertragen, wird ein von dem Referenzoszillator erzeugtes Trägersignal mit dem zu übertragenden Signal moduliert. Dies führt aufgrund des Nyquist-Kriteriums jedoch zu einer Begrenzung der Taktrate. Darüber hinaus ergeben sich Schwebungen, falls die Trägerfrequenz im Bereich eines ganzzahligen Vielfachen der dominierenden Frequenz des zu übertragenden Signals liegt. Darüber hinaus verbraucht ein solcher Übertrager stets Energie, auch wenn gerade kein Signal übertragen wird, da der Referenzoszillator stets betrieben wird. Insbesondere steigt der Energiebedarf bei ansteigender Taktfrequenz an. Die Jitter-Eigenschaften dieses Systems werden maßgeblich durch den Taktoszillator festgelegt. Insbesondere sind hier das Zeitraster und das Phasenrauschen maßgeblich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine elektronische Schaltung und ein Verfahren zu schaffen, welche eine zuverlässige galvanische Trennung eines Eingangsanschlusses von einem Ausgangsanschluss sicherstellen und gleichzeitig eine hohe Taktrate bei geringen Störungen ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für die Vorrichtung durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 und für das Verfahren durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße elektronische Schaltung zur galvanischen Trennung eines Eingangsanschlusses von einem Ausgangsanschluss verfügt über einen Differenzierer, welcher ausgebildet ist, um ein am Eingangsanschluss eingespeistes Eingangssignal oder ein von dem Eingangssignal abgeleitetes Signal zu einem differenzierten Signal zu differenzieren und über einen Ausgangskomparator abzugeben, welcher ausgebildet ist, um das differenzierte Signal in ein am Ausgangsanschluss ausgegebenes Ausgangssignal umzusetzen. So wird eine zuverlässige galvanische Trennung bei hoher Taktrate erreicht.
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Der Eingangsanschluss und der Ausgangsanschluss sind bevorzugt differenzielle Anschlüsse. Das Eingangssignal und das Ausgangssignal sind dann differentielle Signale. Der Differenzierer ist dann ausgebildet, um Teilsignale des Eingangssignals bzw. Teilsignale des von dem Eingangssignal abgeleiteten Signals zu differenzieren. Das differenzierte Signal ist in diesem Fall ein differentielles Signal. Der Ausgangskomparator ist dann ausgebildet, um Teilsignale des differenzierten Signals in das Ausgangssignal umzusetzen. So wird eine besonders fehlerunempfindliche Messung ermöglicht.
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Die Schaltung verfügt vorzugsweise weiterhin über einen Eingangskomparator, welcher ausgebildet ist, um das Eingangssignal oder ein von dem Eingangssignal abgeleitetes Signal in ein Sprungsignal, insbesondere ein Einheitssprungsignal, umzusetzen. Der Differenzierer ist dann ausgebildet, um das Sprungsignal zu dem differenzierten Signal zu differenzieren. So wird auf Grund der Vorverarbeitung des Signals eine weitere Verbesserung der Genauigkeit der Signalübertragung erreicht.
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Bevorzugt umfasst die Schaltung weiterhin eine Filtereinrichtung, besonders bevorzugt mit einem Hochpass und/oder einem Tiefpass und/oder einem Bandpass, welche ausgebildet ist, das Eingangssignal zu einem gefilterten Eingangssignal zu filtern. Falls die Schaltung einen Eingangskomparator umfasst, ist dieser in diesem Fall ausgebildet, um das gefilterte Eingangssignal in das Sprungsignal umzusetzen. Falls die Schaltung keinen Eingangskomparator umfasst, ist der Differenzierer in diesem Fall ausgebildet, um das gefilterte Eingangssignal zu verarbeiten. So können störende Frequenzanteile des Eingangssignals aus der Verarbeitung ausgenommen werden.
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Bevorzugt ist der Differenzierer ein Hochpassfilter erster Ordnung. Der Differenzierer beinhaltet dann zumindest einen Kondensator als Serienelement. So kann der Differenzierer mit sehr geringem Aufwand hergestellt werden.
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Alternativ ist der Differenzierer bevorzugt ein Hochpassfilter zweiter oder höherer Ordnung. Der Differenzierer beinhaltet dann zumindest einen Kondensator als Serienelement und zumindest eine Induktivität als Querelement. So kann eine genauere Differenzierung des Signals mit steileren Flanken realisiert werden.
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Vorzugsweise ist der Ausgangskomparator ein Operationsverstärker mit einstellbarer Hysterese. Falls die Schaltung über einen Eingangskomparator verfügt, ist dieser in diesem Fall ebenfalls ein Operationsverstärker mit einstellbarer Hysterese. So kann die Umsetzung in die Einheitssprungsignale sehr fein eingestellt werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient der galvanischen Trennung eines Eingangsanschlusses von einem Ausgangsanschluss. Ein am Eingangsanschluss eingespeistes Eingangssignal oder ein von dem Eingangssignal abgeleitetes Signal wird zu einem differenzierten Signal differenziert. Das differenzierte Signal wird in ein am Ausgangsanschluss ausgegebenes Ausgangssignal umgesetzt. So wird eine zuverlässige galvanische Trennung bei hoher Taktrate erreicht.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, in der vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, beispielhaft beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung in einem Blockdiagramm;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung in einem Schaltplan;
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung in einem Schaltplan;
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4a ein exemplarisches Eingangssignal, dargestellt über der Zeit;
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4b ein exemplarisches differenziertes Signal, dargestellt über der Zeit;
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4c ein exemplarisches Ausgangssignal, dargestellt über der Zeit, und
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5 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens als Flussdiagramm.
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Zunächst wird anhand von 1 der generelle Aufbau und die prinzipielle Funktionsweise anhang eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung erläutert. Mittels 2–3 wird anschließend der detaillierte Aufbau unterschiedlicher Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltung verdeutlicht. Anhand von 4a–4c wird anschließend näher auf die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltung eingegangen. Abschließend wird anhand von 5 die Funktion eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht. Identische Elemente werden in ähnlichen Abbildungen zum Teil nicht wiederholt dargestellt und beschrieben.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung gezeigt. Ein Eingangsanschluss 8 ist mit einer Filtereinrichtung 10 verbunden, welche mit einem Eingangskomparator 11 verbunden ist. Dieser ist wiederum mit einem Differenzierer 12 verbunden. Dieser ist mit einem Ausgangskomparator 13 verbunden, welcher mit einem Ausgangsanschluss 9 verbunden ist.
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Ein Eingangssignal 20 ist über den Eingangsanschluss 8 der Filtereinrichtung 1 zugeführt. Die Filtereinrichtung 10 reduziert das Eingangssignal 20 dabei um nicht benötigte Signalkomponenten. So könnte die Filtereinrichtung 10 beispielsweise einen Hochpassfilter beinhalten. Auch ist ein Bandsperrfilter bei z.B. 50 Hz denkbar, um ein Netzbrummen zu entfernen.
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Das gefilterte Eingangssignal 21 wird dem Eingangskomparator 11 zugeführt. Der Eingangskomparator 11 setzt das gefilterte Eingangssignal 21 in ein Sprungsignal, insbesondere ein Einheitssprungsignal 22 um. D.h. steigende Signalflanken des gefilterten Eingangssignals 21 werden in jeweils einem ansteigenden Einheitssprung umgesetzt. Fallende Signalflanken des gefilterten Eingangssignals 21 werden in fallende Einheitssprünge umgesetzt. Das resultierende Einheitssprungsignal 22 wird von dem Differenzierer 12 differenziert. D.h. jeder Einheitssprung in dem Einheitssprungsignal 22 wird durch einen Dirac-Impuls in gleicher Richtung ersetzt. D.h. ein steigender Einheitssprung wird durch einen positiven Impuls, idealerweise einen Dirac-Impuls, ersetzt, während ein fallender Einheitssprung durch einen negativen Impuls, idealerweise einen Dirac-Impuls, ersetzt wird. Das resultierende differenzierte Signal 23 wird von dem Ausgangskomparator zu einem Ausgangssignal 24 umgesetzt. Hierzu wird ein jeder Dirac-Impuls aus dem differenzierten Signal 23 erneut in einen entsprechenden Einheitssprung umgesetzt. Ein positiver Dirac-Impuls wird somit in einen ansteigenden Einheitssprung umgesetzt, während ein negativer Dirac-Impuls in einen fallenden Einheitssprung umgesetzt wird. Das resultierende Signal wird am Ausgangsanschluss 9 ausgegeben.
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Der Eingangskomparator 11 und der Ausgangskomparator 13 nutzen zum Erzeugen der Sprünge, insbesondere der Einheitssprünge, eine Hysterese. Diese ist vorzugsweise einstellbar.
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Die Filtereinrichtung 10 und der Eingangskomparator 11 sind optionale Bauelemente. Auf jedes einzelne dieser Bauelemente kann verzichtet werden. So kann das Eingangssignal 20 direkt dem Differenzierer 12 zugeführt werden. Alternativ kann das gefilterte Eingangssignal 21 direkt dem Differenzierer 12 zugeführt werden. Auch ist eine Zuführung des Eingangssignals 20 direkt zu dem Eingangskomparator 11 möglich.
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Anhand von 2 wird näher auf den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung eingegangen. Ein Eingangsanschluss 30 ist mit einem Serien-Kondensator 31 verbunden. Der abgewandte Anschluss dieses Kondensators 31 ist mit einer Quer-Induktivität 32 verbunden, welche an ihrem abgewandten Ende mit einem Masseanschluss 33 verbunden ist. Mit dem dem Eingangsanschluss 30 abgewandten Anschluss des Kondensators 31 ist weiterhin ein Eingang eines Eingangskomparators 34 verbunden. Ein zweiter Eingang des Komparators 34 ist mit einem Masseanschluss 35 verbunden. Der Komparator 34 ist dabei über einen positiven Versorgungsspannungsanschluss 36 mit einer positiven Versorgungsspannung und über einen negativen Versorgungsspannungsanschluss 37 mit negativer Versorgungsspannung verbunden. Über einen Hysterese-Anschluss 38 ist eine Hysterese des Komparators 34 einstellbar. Bei dem Komparator 34 handelt es sich bevorzugt um einen Operationsverstärker.
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Mit einem Ausgangsanschluss des Komparators 34 verbunden ist ein Serienkondensator 39, welcher an seinem abgewandten Anschluss mit einem Eingangsanschluss eines zweiten Komparators 50 verbunden ist. Zusätzlich ist mit diesem Anschluss ein ohmscher Widerstand 40 verbunden, welcher gegen einen Masseanschluss 41 geschaltet ist. Ein zweiter Eingangsanschluss des Ausgangskomparators 50 ist mit einem Masseanschluss 51 verbunden. Zusätzlich verfügt ebenfalls dieser Ausgangskomparator 50 über einen positiven Spannungsversorgungsanschluss 52 und einen negativen Spannungsversorgungsanschluss 53. Weiterhin verfügt der Ausgangskomparator 50 über einen Hysterese-Anschluss 54, über welchen die Hysterese des Komparators 50 eingestellt werden kann. Der Ausgangsanschluss des Ausgangskomparators 50 ist mit dem Ausgangsanschluss 55 der Schaltung verbunden.
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Der Kondensator 31, die Induktivität 32 und der Masseanschluss 33 bilden dabei einen Hochpassfilter 10a, welcher der Filtereinrichtung 10 aus 1 entspricht. Der Eingangskomparator 34 entspricht dabei dem Eingangskomparator 11 aus 1. Der Kondensator 39, der ohmsche Widerstand 40 und der Masseanschluss 41 bilden dabei einen Differenzierer 12a, welcher dem Differenzierer 12 aus 1 entspricht. Der Ausgangskomparator 50 entspricht dabei dem Komparator 13 aus 1.
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Ein Eingangssignal 20a, welches dem Eingangssignal 20 aus 1 entspricht, wird dem Eingangsanschluss 30 zugeführt und durch den Hochpassfilter 10a gefiltert. Das resultierende gefilterte Eingangssignal 21a, welches dem Signal 21 aus 1 entspricht, wird dem Komparator 34 zugeführt. Dieser vergleicht es mit dem Signal, welches an dem Masseanschluss 35 anliegt. Über den Anschluss 38 wird dabei die Hysterese des Eingangskomparators 34 eingestellt. So wird erreicht, dass das Ausgangssignal 22a des Eingangskomparators 34 ein Einheitssprungsignal ist. Es weist einen Einheitssprung an sämtlichen Signalflanken des gefilterten Eingangssignals 21a auf. Das Signal 22a entspricht dem Signal 22 aus 1. Dieses Signal wird nun dem Differenzierer 12a, welcher dem Differenzierer 12 aus 1 entspricht, zugeführt und von diesem differenziert. Das resultierende differenzierte Signal 23a, welches dem Signal 23 aus 1 entspricht, wird nun dem Ausgangskomparator 50 zugeführt, welcher es erneut zu einem Einheitssprungsignal umsetzt und dieses als Ausgangssignal 24a dem Ausgangsanschluss 55 ausgibt.
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In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung gezeigt. Hier beinhaltet die erfindungsgemäße Schaltung keine Filtereinrichtung. Darüber hinaus ist hier die Signalführung differenziell ausgeführt. D.h. die Signale bestehen jeweils aus zwei Teilsignalen, welche symmetrisch zu einem Spannungsmittelpunkt sind.
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Ein differenzieller Eingangsanschluss 60a, 60b ist mit Eingangsanschlüssen eines Eingangskomparators 61 verbunden. Der Eingangskomparator 61 verfügt dabei über einen positiven Versorgungsspannungsanschluss 62, einen negativen Versorgungsspannungsanschluss 63 und einen Hysterese-Anschluss 64. Der Eingangskomparator 61 verfügt dabei über einen differenziellen Ausgangsanschluss. Dieser ist mit einem differenziellen Differenzierer 12b verbunden. Die beiden Anschlüsse des differentiellen Ausgangsanschlusses des Eingangskomparators 61 sind dabei jeweils mit einem unabhängigen Differenzierer verbunden.
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Diese Differenzierer bestehen dabei jeweils aus einem Serienkondensator 65a, 65b, jeweils einem gegen einen Masseanschluss 67a, 67b geschalteten ohmschen Widerstand 66a, 66b und jeweils einem gegen einen Masseanschluss 69a, 69b geschaltete Induktivität 68a, 68b. Die ohmschen Widerstände 66a, 66b und Induktivitäten 68a, 68b bilden dabei mit der Masse verbundene Querelemente. Der differenzielle Differenzierer 12b verfügt erneut über einen differenziellen Ausgangsanschluss, welcher mit den Eingangsanschlüssen eines Ausgangskomparators 70 verbunden ist. Dieser Ausgangskomparator 70 verfügt erneut über einen positiven Versorgungsspannungsanschluss 71 und einen negativen Versorgungsspannungsanschluss 72 und einen Hysterese-Anschluss 73. Ein Ausgangssignal dieses Ausgangskomparators liegt an dem differentiellen Ausgangsanschluss 74a, 74b der Schaltung an.
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Ein an dem differenziellen Eingangsanschluss 60a, 60b eingespeistes Eingangssignal 20b wird durch den Eingangskomparator 61 in ein Einheitssprungsignal 22b umgesetzt. Wie auch das Eingangssignal 20b ist das Einheitssprungsignal 22b ein differenzielles Signal. Die beiden Teilsignale des Einheitssprungsignals 22b werden durch den Differenzierer 12b jeweils differenziert und als differenziertes Signal dem Ausgangskomparator 70 zugeführt. Der Ausgangskomparator 70 setzt das differenzielle differenzierte Signal 23b erneut in ein Einheitssprungsignal 24b um, welches dem Ausgangssignal der Schaltung entspricht.
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Das Eingangssignal 20b entspricht dabei dem Eingangssignal 20 aus 1. Das Einheitssprungsignal 22b entspricht dabei dem Einheitssprungsignal 22 aus 1. Das differenzierte Signal 23b entspricht dabei dem differenzierten Signal 23 aus 1. Das Ausgangssignal 24b entspricht dabei dem Ausgangssignal 24 aus 1.
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4a zeigt ein Eingangssignal 20c, welches einem Teilsignal des differenziellen Eingangssignals 20b aus 3 entspricht. Deutlich erkennbar ist hier die Rechteckstruktur des Signals 20c.
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4b zeigt ein differenziertes Signal 23c, welches einem Teilsignal des differenzierten Signals 23b aus 3 entspricht. Deutlich erkennbar ist hier, dass das Signal 23c an den zeitlichen Positionen der steigenden Flanken des Signals 20c aus 4a einen positiven Dirac-Impuls aufweist, während es an den zeitlichen Positionen der fallenden Flanken des Signals 20c aus 4a einen negativen Dirac-Impuls aufweist.
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4c zeigt ein Signal 24c, welches einem Teilsignal des differenziellen Ausganssignals 24b aus 3 entspricht. Deutlich erkennbar ist hier, dass die grundlegende Signalform des Signals 20c aus 4a zurückgewonnen wurde. Da die Informationen des Signals 20c aus 4a lediglich in den steigenden und fallenden Taktflanken enthalten sind, geht keine Information verloren, während das Signal 20c zu einem Signal 23c differenziert wird. Auch bei der erneuten Verwandlung des Signals 23c in ein Einheitssprungsignal erfolgt kein Informationsverlust.
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Die gezeigten Schaltungen zeichnen sich durch einen sehr geringen Stromverbrauch aus, da lediglich zum Zeitpunkt des Umschaltens der Transitoren der Komparatoren ein Stromfluss erfolgt. Da die Flankensteilheit maximiert wird, tritt dieser Stromfluss lediglich einige Pikosekunden lang auf. Die Taktfrequenz der gezeigten Schaltungen ist lediglich durch die Kapazität der Koppelkondensatoren 39 bzw. 65a, 65b begrenzt. Eine Übertragungsfrequenz von z.B. 2 GHz ist so zu erreichen.
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In 5 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens als Flussdiagramm dargestellt. In einem ersten optionalen Schritt 80 wird ein Eingangssignal gefiltert. Dabei werden ungewünschte Signalkomponenten, wie z.B. ein Netzbrummen oder niederfrequente Signalkomponenten entfernt. In einem zweiten optionalen Schritt 21 wird das optional gefilterte Eingangssignal in ein Einheitssprungsignal umgewandelt. Dabei werden ansteigende Taktflanken des Signals in einen positiven Einheitssprung umgesetzt, während fallende
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Taktflanken des Signals in einen negativen Einheitssprung umgesetzt werden. In einem dritten Schritt 82 wird das optional gefilterte und optional zu einem Einheitssprungsignal umgesetzte Eingangssignal differenziert. Das resultierende Signal beinhaltet nun lediglich Dirac-Impulse. Dieses resultierende differenzierte Signal wird in einem abschließenden vierten Schritt 83 in ein Einheitssprungsignal umgesetzt. Jeder positive Dirac-Impuls wird dabei in einen ansteigenden Einheitssprung umgesetzt, während jeder negative Dirac-Impuls in einen fallenden Einheitssprung umgesetzt wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Wie bereits erwähnt, können die Filtereinrichtung und der Differenzierer durch Filterschaltungen unterschiedlichen Grades ersetzt werden. Alle vorstehend beschriebenen oder beanspruchten Merkmale oder in den Figuren gezeigten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig vorteilhaft miteinander kombinierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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