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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Messen und
Anzeigen von Signalattribut-Meßdaten und insbesondere auf das
automatische Einstellen von Meßparametern und Skalierungs-
Anzeigeparametern für Frequenzmessungsdaten für
zeitveränderliche Signale, beispielsweise Frequenz-modulierte
Signale. Eine Anwendung der Erfindung liegt in der Erzeugung
einer Anzeige von Messungen der Frequenz über der Zeit für ein
Signal mit einer dynamischen Frequenz. Eine weitere
Anwendung der Erfindung liegt im Herstellen einer
Histogramm-Anzeige, die die Frequenzverteilung eines Satzes von
Frequenzmessungen zeigt.
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Um das Verhalten eines Signales über einer Zeitperiode zu
analysieren, wird ein Block von Zeit-bezogenen Messungen
durchgeführt. Eine Anzeige von Amplitudenmessungen über der
Zeit wird einen Signalverlauf des Verhaltens des Signals
erzeugen.
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Durchgehende Zeitintervalls-Messungen eines Signals liefern
eine Möglichkeit, um Charakteristika des Signals im
Modulationsbereich zu analysieren, d.h. das Verhalten der Frequenz
oder Phase des Signals über der Zeit. Dies unterscheidet
sich von den klassischen Arten des Messens und Anzeigens von
Daten über Signale. Ein Oszilloskop zeigt die Amplitude über
der Zeit: den Zeitbereich. Ein Spektrumanalysator zeigt die
Amplitude über der Frequenz: den Frequenzbereich.
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Durchgehende Zeitintervalls-Messungen machen es einfacher,
das dynamische Frequenzverhalten eines Signals zu studieren:
den Frequenzdrift eines Oszillators über der Zeit, das
Frequenzsprungverhalten eines agilen Senders, die
Chirp-Linearität und das Phasen-Umschalten bei Radarsystemen.
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Ein Beispiel eines Geräts, das diesen Typ eines Zeitstempels
und durchgehender Zeitintervall-Daten erzeugt, ist in
"Frequency
and Time Interval Analyzer Measurement Hardware",
Paul S. Stephenson, Hewlett-Packard Journal, Bd. 40, Nr. 1,
Februar 1989, Seiten 35-41 beschrieben.
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Statt der herkömmlichen numerischen Frquenzzähler-Anzeige
verwendet der Modulationsbereich-Analysator eine graphische
Anzeige der Frequenz über der Zeit, um dem Bediener
effizient die viel größere Informationsbandbreite zu vermitteln.
Diese Änderung ist analog zu der Änderung von einem
Voltmeter zu einem Oszilloskop für Messungen der Spannung über der
Zeit.
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Die Messungs-Initialisierungs-Anforderungen zum Herstellen
und Anzeigen einer Messung im Modulationsbereich sind
möglicherweise verwirrender und abschreckender für den
Bediener, weshalb ein Verfahren zum automatischen Skalieren der
Geräteparameter und der Anzeige für ein spezielles
Eingangssignal erwünscht ist, um es einfacher zu machen, das Gerät
zu verwenden.
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Beim Messen von Frequenz-modulierten Signalen kann ein
Kompromiß zwischen der Verwendung einer
Messungsinitialisierung, die die beste Auflösung der Signalfrequenz ergibt, und
einer Messungsinitialisierung, die die besten Daten des
dynamischen Verhaltens der Frequenz ergibt, existieren. Für
ein langsam moduliertes Signal ergibt die Messung der
Frequenz über eine große Anzahl von Zyklen eine bessere
Auflösung der Frequenz. Jedoch kann für ein schnell moduliertes
Signal das Messen über zu viele Zyklen die Modulation
herausmitteln.
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Das Hewlett-Packard-Journal, Band 40, Nr. 1, Februar 1989,
Seiten 13-21, offenbart einen Firmware-Systementwurf für
einen Frequenz- und Zeitintervall-Analysator. Bei dem
bekannten Analysator liefert eine automatische
Trigger-Funktion eine automatische Auswahl des Trigger-Pegels und der
Kanaleingaben. Die minimalen und maximalen Spitzensignal-
Amplituden werden durch einen binären Suchalgorithmus
bestimmt.
Bei dem bekannten Gerät wird die Frequenz durch
Anwenden einer reziproken Zähltechnik auf der Basis einer
Anzahl der Eingabeereignisse geteilt durch eine
Toröffnungszeit berechnet. Die Toröffnungszeit ist das Produkt der
Differenz der Referenztaktflanken und der Periode des Takts.
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Die Erfindung basiert auf der Aufgabe, ein Verfahren zum
Untersuchen eines Eingangssignals und zum Einstellen eines
Frequenzmeßgeräts auf einen Zustand, der eine stabile,
zentrierte und richtig skalierte Anzeige des Signals erzeugt,
zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1
gelöst.
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Das Verfahren der Erfindung untersucht das Eingangssignal
und versucht, das Gerät auf einen Zustand einzustellen, der
automatisch eine stabile, zentrierte, richtig skalierte
Anzeige des Signals erzeugt.
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Während des gesamten Prozesses ändert das System der
Erfindung nur die Parameter automatisch, die notwendig sind, um
eine gültige Messung durchzuführen, und um dem Benutzer eine
sinnvolle Anzeige zu liefern, und läßt andere Parameter
unverändert, die der Benutzer besimmungsgemäß eingestellt
haben kann.
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Das Verfahren verwendet einen Mehrschrittprozeß zur
Bestimmung von Werten für die vertikale Frequenzskala und die
horizontale Zeitskala der Anzeige. Diese Werte können
verwendet werden, um die Meßparameter für entweder eine Anzeige
der Frequenz über der Zeit oder eine Histogramm-Anzeige zu
bestimmen.
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Nach dem Herausfinden der 50%-Schwellenspannung auf einem
beliebigen verwendeten Eingangskanal führt das System einen
interaktiven Prozeß durch, um die minimale und die maximale
Eingangsfrequenz zu bestimmen. Es überprüft danach das
Verhältnis
dieser zwei Frequenzen gegenüber den Gerätegrenzen
und stellt die Anzeigewerte ein, wenn es notwendig ist, um
nur die höheren Frequenzen zu zeigen. Es sucht dann die
beste Frequenzauflösung, während die Messung und die Anzeige
der Frequenzmodulation beibehalten wird. Das System
versucht, das Signal in der mittleren Hälfte der Anzeige
anzuzeigen, und versucht ferner, Werte mit nicht mehr als zwei
signifikanten Ziffern für die Mitte und den Meßbereich zu
verwenden.
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Schließlich wird die horizontale Zeit pro Einteilung
eingestellt, um, wenn es möglich ist, näherungsweise vier
Modulationszyklen anzuzeigen.
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Das automatische Skalierungsverfahren für
Zeitintervall-Messungen folgt einem gleichartigen Prözeß.
Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines
Modulationsbereich-Meßgeräts 100 der Art, die das
automatische Skalierungsverfahren der Erfindung verwendet.
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Fig. 2, 3, 4 und 5 zeigen ein Flußdiagramm, das den Betrieb
der Erfindung zeigt, um die Meßparameter des Geräts
einzustellen, und um die vertikale Skala (Frequenz
pro Einteilung) der Anzeige des Geräts einzustellen.
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Fig 6 zeigt ein Flußdiagramm, das den Betrieb der
Erfindung zeigt, um die horizontale Skala (Zeit pro
Einteilung) der Anzeige des Geräts einzustellen.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines
Modulationsbereich-Meßgerätes 100 der Art, die das automatische
Skalierungsverfahren der Erfindung verwendet. Das
Frontbedienfeld 101 des Geräts weist eine Anzeige 103,
Signaleingangstore 105 und Benutzer-Eingabeknöpfe 107 auf. Ein
Mikroprozessor 109 steuert das Gerät als Reaktion auf Eingabe-
Auswahlen, die durch den Benutzer getroffen werden.
Meßschaltungen 111 empfangen das Eingangssignal auf einer
Leitung 113 und messen die Frequenz des Signales, wobei sie die
Frequenzdaten zu einem Speicher, auf den der Mikroprozessor
109 zugreifen kann, senden. Bestimmte Parameter für den
Meßbetrieb, speziell die Dauer der "Meß-Toröffnung" der
Periode, während der eine Frequenzmessung durchgeführt wird,
können durch den Mikroprozessor 109 gesteuert werden. Durch das
Steuern der Dauer der Meß-Toröffnung kann das Gerät
eingestellt werden, um den besten Kompromiß zwischen der
Meßfrequenz-Auflösung und der Meßmodulation eines gegebenen
Eingangssignals zu schließen.
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Die Meßschaltungen 111 fangen Informationen von einem
Eingangssignal ein und verarbeiten die Daten durchzuführen, die
aus dem Eingangssignal gewonnen werden, vor. Die
Meßschaltungen 111 umfassen Zähler, die Zeit- und Ereignis-Stempel
erzeugen, und Prozessoren, um Operationen auf den Daten
durchzuführen, die entweder eine augenblickliche Frequenz
oder ein Zeitintervall zur Folge haben. Die Frequenz ist der
Unterschied zwischen entsprechenden Ereignisstempel-Werten
geteilt durch die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden
Zeitstempel-Werten, Zyklen geteilt durch die Zeit. Die
Ergebnisse werden im Speicher gespeichert, wo sie für eine
weitere Verarbeitung und eine graphische Anzeige durch den
Prozessor 109 verfügbar sind.
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Die Meßschaltungen 111 können in einem Modus betrieben
werden, der Konstantereignismodus genannt wird, in dem die
Dauer der Meß-Toröffnung auf eine vorbestimmte Anzahl von
Ereignissen, d.h. Eingangssignalzyklen, eingestellt ist.
Dieser Modus wird für das automatische Skalierungsverfahren der
Erfindung verwendet.
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Der Mikroprozessor 109 verarbeitet die
Frequenzmessungsdaten, um auf der Anzeige 103 eine Anzeige des
Frequenzverhaltens des Eingangssignals über der Zeit zu erzeugen. Um die
Meßdaten auf der Anzeige optimal anzuzeigen, sollten die
maximalen und minimalen Werte für die zwei Achsen,
Frequenzachsen und Zeitachse, basierend auf den Meßdaten eingestellt
sein.
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Der Betrieb des Mikroprozessors 109, um das automatische
Skalierungsverfahren der Erfindung durchzuführen, um die
Parameter der Meßschaltungen 111 und die Parameter der Anzeige
103 einzustellen, wird nachfolgend in Verbindung mit dem
Flußdiagramm, das in den Fig. 2, 3, 4, 5 und 6 gezeigt ist,
detaillierter erläutert. Die Fig. 2, 3, 4 und 5 zeigen den
Betrieb, um die Meßparameter einzustellen, und um die
vertikale Skala (Frequenz pro Einteilung) der Anzeige 103
einzustellen. Fig. 6 zeigt die Operation, um die horizontale
Skala (Zeit pro Einteilung) der Anzeige 103 einzustellen.
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Wie in Fig. 2 gezeigt ist, besteht der erste Schritt 201
darin, die 50%-Schwellenspannung auf dem Eingangssignal zu
finden. Diese Operation wird ähnlich der Art durchgeführt,
wie ein Oszilloskop die Mitte eines Eingangssignals findet.
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Als nächstes muß in Schritten 203 bis 205 die minimale und
maximale Eingangsfrequenz herausgefunden werden. Dies ist
ein iterativer Prozeß. Im Schritt 203 stellt der Prozessor
die Meßschaltungen im Konstantereignismodus auf eine Anzahl
von Ereignissen ein, die eine anfängliche Toröffnungsdauer
liefern, die groß genug ist, um sicherzustellen, daß bei
einer beliebigen Frequenz bis zu der maximalen für das Gerät,
eine gültige Messung durchgeführt wird. Wie nachfolgend
erklärt wird, wird die Meßtoröffnungsdauer nachfolgend
geändert, indem die Anzahl von Ereignissen geändert wird, über
die die Konstantereignismessungen durchgeführt werden.
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Im Schritt 205 führen die Schaltungen eine durchgehende
konstante Ereignis-Zwei-Stempel-Frequenzmessung durch. Nur die
Minimal- und Maximal-Frequenzwerte werden aufgezeichnet.
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Im Schritt 207 wird das Ergebnis überprüft, um zu bestimmen,
ob eine gültige Messung durchgeführt wurde. Wenn im Schritt
207 herausgefunden wird, daß das Ergebnis keine gültige
Messung ist, wurde eine zu geringe Toröffnungsdauer verwendet,
so daß die ungültige Toröffnungsdauer gespeichert wird, und
die Toröffnungsdauer in einem Schritt 211 erhöht wird, bevor
eine weitere Messung durchgeführt wird. Wenn im Schritt 207
ein gültiges Ergebnis gefunden wird, springt die Steuerung
über einen Entscheidungsschritt 209 zu einem Schritt 213.
Der Prozessor berechnet die Toröffnungsdauer unter
Verwendung der maximalen Frequenz, die im Schritt 205 erfaßt
wurde, neu. In einem Schritt 215 wird diese neue
Toröffnungsdauer gegenüber vorhergehenden Toröffnungsdauern, die
ungültige Messungen ergaben, überprüft. Wenn die neue
Toröffnungsdauer geringer oder gleich einer Toröffnungsdauer ist,
die eine ungültige Messung ergab, wird die Toröffnungsdauer
im Schritt 217 erhöht. Dann wird die Messung des Schritts
205 wiederholt. Solange eine gültige Messung resultiert,
werden die Schritte 205, 213, 215 und 217 wiederholt, wobei
nach jeder Meßiteration eine Toröffnungsdauer berechnet
wird, bis die kleinste Anzahl herausgefunden ist, die eine
gültige Messung bei der gemessenen Frequenz ermöglicht, wie
im Schritt 209 überprüft wird.
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In der Terminologie eines herkömmlichen Frequenzzählers
finden die Schritte 203 bis 217 die minimale Toröffnungsdauer
heraus, die das Gerät verwenden kann, um die Frequenz eines
Eingangssignals zu messen. Obwohl das Messen bei der
minimalen Toröffnungsdauer die Auflösung der Frequenzmessung
reduziert, verbessert es die Chancen, die maximalen und
minimalen Werte für Signale, die mit einer hohen Rate moduliert
sind, zu finden (eine längere Toröffnungszeit würde einen
größeren Teil der Modulation herausmitteln).
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Wie in Fig. 3 gezeigt ist, bestimmt der Prozessor in einem
Schritt 219 als nächstes das Verhältnis der maximalen
Frequenz
zu der minimalen Frequenz. Im Schritt 221 wird das
Verhältnis gegenüber der Grenze des Verhältnisses der
obersten zur untersten Frequenz, das auf der vertikalen Skala
der Anzeige 103 verwendet werden kann, überprüft. Wenn das
Verhältnis innerhalb der Zahlengrenze liegt, springt das
Verfahren direkt zu einem Schritt 225. Wenn das Verhältnis
nicht innerhalb der Skalengrenze liegt, wird im Schritt 223
basierend auf der erfaßten maximalen Frequenz und der
Skalengrenze eine minimale Frequenz, die angezeigt werden kann,
berechnet.
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Im Schritt 225 wird eine neue Messung durchgeführt, bei der
alle gemessenen Frequenzen unter dieser Grenze ignoriert
werden. Ein neues Maximum und ein neues Minimum werden
basierend nur auf diesen Frequenzen über dieser Grenze
bestimmt.
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Die Schritte 227 bis 241 versuchen, wie in Fig. 4 gezeigt
ist, die Auflösung der Messung durch Einstellen der
Toröffnungsdauer und durch Überwachen des Frequenzbereichs und der
gemessenen maximalen und minimalen Fequenzen zu optimieren
Für Signale mit einer Frequenzmodulation niederen Pegels
oder mit Rauschen kann die inhärente Auflösungsunsicherheit
von Messungen mit einer kurzen Toröffnungszeit eine
wesentliche Komponente des sichtbaren Bereichs zwischen den
gemessenen minimalen und maximalen Frequenzen sein. Eine Erhöhung
der Toröffnungsdauer (ein Erhöhen der Anzahl von
Eingabenzyklen, gemittelt für jede Messung), um die Frequenzmessungs-
Auflösung zu verbessern, riskiert eine Herausmittelung der
gewünschten Modulation oder des Rauschens. Es ist möglich,
daß es unmöglich ist, Signale mit niedrigen Pegeln einer
Hochfrequenzmodulation oder mit Rauschen mit einer
ausreichenden Auflösung zu messen, um Änderungen exakt anzuzeigen.
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Im Schritt 227 wird der Frequenzbereich, der Unterschied
zwischen der maximalen und der minimalen Frequenz, bestimmt.
Im Schritt 229 wird das Bereichs/Auflösungsverhältnis
bestimmt Die Auflösung ist proportional zu der
Toröffnungsdauer,
wobei eine längere Toröffnungsdauer eine bessere
Auflösung ergibt. Das Bereichs/Auflösungsverhältnis wird im
Schritt 231 gespeichert. In einem Entscheidungsschritt 233
wird, wenn der Bereich verglichen mit der Auflösung groß ist
(Verhältnis ist groß), die Auflösung als ausreichend
betrachtet, und die Steuerung springt direkt zu einem Schritt
243.
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Wenn im Schritt 233 herausgefunden wird, daß der Bereich
nahe bei der Auflösung ist, springt die Steuerung zu Schritten
235 bis 241, um zu versuchen, die Messung durch Ändern der
Toröffnungsdauer zu verbessern. Solange die Toröffnungsdauer
unter der Grenze ist, wie im Schritt 234 überprüft wird,
wird die Toröffnungsdauer in einem Schritt 237 erhöht, wobei
in einem Schritt 239 eine weitere Messung der minimalen und
maximalen Frequenz durchgeführt wird. Die Steuerung
durchläuft dann Schritte 227 bis 233, um das resultierende
Bereichs/Auflösungsverhältnis zu untersuchen.
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Wenn im Schritt 235 herausgefunden wird, daß die
Toröffnungsdauer an der Grenze ist, springt die Steuerung zu einem
Schritt 241, in dem die gespeicherten Bereichs/Auflösungs-
Verhältnisse untersucht werden, und die Toröffnungsdauer auf
den Wert eingestellt wird, der das höchste
Bereichs/Auflösungs-Verhältnis erzeugte, wobei dieses die optimale
Meßeinstellung für das Eingangssignal ist. Vom Schritt 241 springt
die Steuerung zum Schritt 243, wie in Fig. 5 gezeigt ist, in
dem basierend auf dem endgültigen Toröffnungsdauer-Wert eine
Messung durchgeführt wird.
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Die Schritte 245 und 247, wie in Fig. 5 gezeigt ist, stellen
die Parameter der vertikalen Achse der Anzeige 103 basierend
auf der gemessenen minimalen und maximalen Frequenz ein. Im
Schritt 245 werden der Mittelwert und der Meßbereich der
Anzeige eingestellt, um die gemessen Frequenzen auf der
mittleren Hälfte der Anzeige anzuzeigen. Das Verfahren für
diesen Schritt ist ähnlich dem Verfahren, dem gefolgt wird, um
eine Oszilloskopanzeige zu zentrieren. Im Schritt 247 werden
die Anzeigeparameter auf gerundete Zahlen eingestellt, wenn
das Ergebnis eine kleine Bewegung der Position der Meßwerte
ist. Gerundete Zahlen weisen eine oder zwei signifikante
Ziffern auf.
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Das Flußdiagramm von Fig. 6 zeigt den Betrieb des
Einstellens der horizontalen Skala (Zeit pro Einteilung) für die
Anzeige 103. Zuerst wird das Bereichs/Auflösungs-Verhältnis
in einem Schritt 601 überprüft. Wenn dieses groß ist,
springt die Steuerung zu einem Schritt 603, wobei ein
Hysterese-Band auf die Hälfte des gemessenen Frequenzbereichs
eingestellt wird. Wenn das Verhältnis nicht groß ist, wird
das Hysterese-Band im Schritt 605 auf 3/4 des gemessenen
Bereichs eingestellt.
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Vom Schritt 603 oder 605 springt die Steuerung zu einem
Schritt 607. Eine Messung für eine eingestellte Zeitdauer
(z.B. 250 msec) wird durchgeführt, wobei die positiven
Überquerungen des Hysterese-Bands gezählt werden. Aus den
Überquerungen, die in einer bekannten Zeit gezählt werden, wird
im Schritt 609 näherungsweise die Periode der
Modulationszyklen berechnet.
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Danach wird im Schritt 611 die Zeitskala eingestellt, um
näherungsweise vier Modulationszyklus-Perioden anzuzeigen. Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Zeitskala pro
Einteilung auf eine Zahl mit einer signifikanten Ziffer
eingestellt.
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Während Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
gezeigt und beschrieben wurden, die gegenwärtig als bevorzugt
betrachtet werden, ist es für Fachleute offensichtlich, daß
verschiedene Änderungen und Modifikationen derselben
durchgeführt werden können, ohne von dem Bereich der Erfindung,
der durch den beigefügten Anspruch definiert ist,
abzuweichen.