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Schaltungsanordnung mit mindestens einer Schreib-und
Ausleseschaltung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit mindestens einer Schreib- und minde- stens einer Ausleseschaltung, wobei die Schreibschaltung aus einer Quelle, die ein impulsförmige Si- gnal liefert, und aus einem damit verbundenen, als Kondensator ausgebildeten Speicherelement besteht, dessen Impedanz sich als Funktion der von der erwähnten Quelle her zugeführten und darauf im Element gespeicherten Information ändert, während die Ausleseschaltung aus einer kontinuierlich wirksamen
Wechselspannungsquelle und einem auch als Kondensator ausgebildeten Wiedergabeelement besteht, wobei die Spannung über einem Wiedergabeelemententweder direkt, im Falle einer Reihenschaltung beider Elemente, oder indirekt, im Falle einer Parallelschaltung beider Elemente,
unter Zusatz eines Reihenkondensators eine Funktion der Impedanz des Speicherelementes ist.
Eine solche Anordnung ist bekannt aus der deutschen Auslegeschrift Nr. 1050804. Darin wird eine Anordnung beschrieben, die mehrere Schreib- und Ausleseschaltungen enthält. wobei die Speicherelemente durch Bariumtitanatzellen gebildet werden, denen die Bildinformation über einen Schalter zugeführt wird.
Da der Schalter die Bildinformationsquelle mit den Bariumtitanatzellen nacheinander verbindet, werden diesen Zellen kurzzeitige Impulse zugeführt, deren Amplitude ein Mass für die Information ist, die in dem Speicherelement gespeichert werden soll, und deren Dauer gegenüber einer Periode der von der Wechselspannungsquelle gelieferten Spannung klein ist. Während der Dauer eines solchen Impulses wird sozusagen eine Gleichspannung dem Bariumtitanatelement zugeführt, welche Spannung den Wert der dielektrischen Konstante dieses Materials in Abhängigkeit von der Grösse dieser Gleichspannung ändert.
Da die Wechselspannungsquelle kontinuierlich wirksam ist, kann es jedoch vorkommen, dass bald der Momentanwert dieser Wechselspannung gross und bald bedeutend kleiner und/oder entgegengesetzter Polarität ist, während der Dauer eines Impulses, der dem Speicherelement zugeführt wird. Dies bedeutet, dass der erwähnte Momentanwert mit der Amplitude des Impulses addiert den mittleren Wert bedingt, um welchen die Wechselspannung über dem Speicherelement zu schwanken beginnt, nachdem der Impuls zugeführt worden ist.
Diese Schwierigkeit macht sich besonders geltend, wenn die Periode des von der Wechselspannungsquelle gelieferten Signals gegenüber der Dauer eines von der Informationsquelle gelieferten Impulses nicht mehr klein ist. Eine längere Periode bedeutet eine niedrigere Frequenz, was erwünscht ist. Besonders wenn eine grosse Anzahl von Speicher- und Wiedergabeelementen auf einer kleinen Oberfläche zusammenge- drängt ist, lässt sich eine Strahlung aus den Ausleseschaltungen in die Schreibschaltungen bei niedrigen Frequenzen bedeutend leichter vermeiden als bei höheren Frequenzen. Sind die Wiedergabeelemente aus aktiviertem Zinksulfid aufgebaut, so darf die Aktiviefungsfrequenz maximal 15 kHz betragen.
Bei dieser Frequenz ist die Dauer eines Impulses gegenüber einer Periode der aktivierenden Wechselspannung kurz.
Daraus folgt, wie dies noch weiter unten näher erläutert wird, dass sich in Abhängigkeit von dem Zeitpunkt der Zufuhr der Impulse ein anderer effektiver Wert der dielektrischen Konstante einstellt. Dies ist nicht erwünscht, da das Auslesen in diesem Falle durch den Zeitpunkt der Zufuhr des Impulses beeinflusst wird.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist in der erwähnten deutschen Auslegeschrift bereits vorgeschlagen worden, die Impulse nicht direkt sondern über ein Widerstand-Kapazitäts-Netzwerk dem Speicherelement
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zuzuführen. Die dem Kondensator zugeführte Ladung ist dabei massgebend für die Information, die end- gültig im Bariumtitanatelement gespeichert werden soll. Über den Widerstand wird diese Ladung langsam nach dem Bariumtitanatelement abgeleitet. Besonders bei Wiedergabetafeln, bei denen eine grosse Anzahl solcher Speicherelemente benutzt wird und all diese Speicherelemente verschiedene Informationen erhali ten, läuft dies auf den Zusatz einer grossen Anzahl von Widerständen und Kondensatoren hinaus.
Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu beheben ohne Zusatz gesonderter Elemente, und dazu ist die Schaltungsanordnung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des von der Wech- selspannungsquelle gelieferten Signals gleich der Wiederholungsfrequenz des impulsförmigen Signals oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen derselben ist, wobei zum Aufrechterhalten einer konstanten Phasendifferenz zwischen beiden Signalen die beiden Quellen durch eine Kopplungsvorrichtung miteinan- der verbunden sind.
Dieser Lösung unterliegt die Erkenntnis des nach der Zufuhr der Impulse an die Speicherelemente auf- tretenden Vorganges, was weiter unten näher erläutert wird.
Einige mögliche Ausführungsformen von Schaltungsanordnungen nach der Erfindung werden an Hand der Figuren beispielsweise beschrieben. Dabei zeigt Fig. 1 eine erste Ausführungsform, bei welcher die
Auslesevorrichtung mit einer Wechselspannungsquelle versehen ist. Nach Fig. 2 ist diese Auslesevorrich- tung mit einer Wechselstromquelle versehen und die Fig. 3 und 4 dienen zur weiteren Erläuterung.
In Fig. 1 bezeichnet 1 das Speicherelement, das über den Schalter 2, die Informationsquelle 3 und die Batterie 4 in die Schreibschaltung eingefügt ist. Dieses Speicherelement 1 ist ausserdem über das Aus- leseelement 5 und die Wechselspannungsquelle 6 in die Ausleseschaltung eingefügt.
In dem betrachteten Falle ist das Speicherelement 1 in Form eines Kondensators angegeben, zwischen dessen Belägen sich ein Material mit ferroelektrischen Eigenschaften, z. B. ein Gemisch aus Barium- und
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(BaTiO) X (SrTiO),-xTemperatur 80 % des Gemisches aus Barium-und 20 % aus Strontiumtitanat bestehen sollen um optimale Ergebnisse zu erreichen. Dies gilt auch für das Ausleseelement 5, zwischen dessen Belägen ein Material mit Elektroluminiszenz-Eigenschaften angeordnet ist, z. B. ein Zinksulfid (ZnS), das mit 10 Kupfer (Cu) und 10-3 Aluminium (Al)-Atomen pro Molekül ZnS aktiviert ist.
Werden solche Ausleseelemente in einer Fernsehwiedergabetafel angebracht, so werden eine grosse Anzahl von Reihenschaltungen von Ausleseelementen 5 und Speicherelementen 1 parallelgeschaltet, wobei jedem Speicherelement 1 von der zugehörigen Quelle 3 her eine andere Information zugeführt werden kann. Solche Quellen 3 können z. B. durch ein sogenanntes Kreuzschienensystem gebildet werden, das aus zwei Gruppen langgestreckter Leiter besteht, wobei die Leiter einer Gruppe zu denen der andern Gruppe senkrecht angeordnet sind ; der Schalter 2 kann eine Diode sein, die geöffnet wird, sobald der zugehörige Kreuzungspunkt der Leiter die für das Element 5 erforderliche Spannung erhält.
Das zwischen den Platten des Speicherelementes angebrachte ferroelektrische Material hat bekanntlich die Eigenschaft, dass seine dielektrische Konstante bei zunehmender Feldstärke abnimmt, d. h. bei zunehmender Spannung über dem Kóndensator nimmt dessen Kapazitätswert ab und somit seine Impedanz zu.
Nimmt somit die Amplitude der durch die Kombination der Quelle 3 und des Schalters 2 gelieferten Impulse in einem gewissen Augenblick zu, so nimmt der Kapazitätswert des Speicherelementes 1 ab, so dass ein grösserer Teil der von der Quelle 6 gelieferten Wechselspannung über dem Speicherelement 1 und ein kleinerer Teil über dem Ausleseelement 5 wirksam wird, welches letztere Element somit weniger stark aufleuchtet als in der Anfangslage. Es sei hier bemerkt, dass bei Steuerung durch eine Wechselspannungsquelle ein schwarzes Bildelement einer grossen und ein weisses Bildelement einer kleinen Amplitude des von der Quelle 3 gelieferten Signals entsprechen soll.
Wird die Amplitude der von der Quelle 3 gelieferten Spannung gross gewählt in bezug auf die Ampli- tude der Wechselspannung der Quelle 6, so wird die Spannung über dem Element 1 nach dem Öffnen des Schalters 2 nahezu nicht durch die Zeitpunkte des Öffnens und Schliessens dieses Schalters beeinflusst.
Wird jedoch bei konstanter Amplitude der von der Quelle 3 gelieferten Spannung die Amplitude der von der Wechselspannungsquelle 6 gelieferten Spannung vergrössert, so tritt folgendes ein :
1. Die Amplitude des Wechselspannungsabfalles über dem Wiedergabeelement 5 wird zunehmen, wodurch die effektive Lichtausbeute dieses Elementes grösser wird ;
2. die Steuerung des Elementes 1 wird durch den mittleren Wert der von der Quelle 6 gelieferten Wechselspannung während der Zeit beeinflusst, in der der Schalter 2 geschlossen ist.
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Die erste Folge ist erwünscht, da die Wirkung desto besser ist je grösser die Lichtausbeute ist ; die zweite Folge ist jedoch nicht erwünscht.
Um die zweite Folge und ihren ungünstigen Einfluss zu erörtern, ist in Fig. 3a die von der Quelle 3 gelieferte Wechselspannung veranschaulicht, während Fig. 3b die Impulse zeigt, welche durch die kombinierte Wirkung der Quelle 3 und des Schalters 2 dem Element 1 zugeführt werden, wobei die Schaltfrequenz des Schalters 2 beliebig gewählt ist.
An dem Zeitpunkt t1 schliesst sich der Schalter 2 für die Zeit r sec, während der die Quelle 3 dem Speicherelement eine Spannung von + V1 Volt zuführt. Während dieser Zeit hat die Wechselspannung Va einen mittleren Wert von +V Volt, so dass, wenn in erster Näherung auf die Änderung des Kapazitätswertes des Kondensators 1 verzichtet wird, nach diesem ersten Schaltvorgang dieser Kondensator eine La-
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Kreis, wobei infolge der Anfangsladung von Q Coulomb der mittlere Wert, um den die Wechselspannung über dem Kondensator 1 zu schwanken anfängt, sein wird: V1-V5. V2/(C1 + CJ Volt.
Erfolgt das nächste Schliessen des Schalters 2 zu dem Zeitpunkt t, so ist der mittlere Wert der Wechselspannung Va gleich +V Volt, und der mittlere Wert, um den die Wechselspannung über dem Kondensator 1 nach dem Öffnen des Schalters 2 zu schwanken anfängt, ist: V1-C5.V3/(C1 + Cd Volt.
Nach dem Öffnen des Schalters 2 im Augenblick tes + T bei einem zugehörigen Betrag von-V der
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auch der mittlere Wert der sinusförmigen Wechselspannung über dem Kondensator 1 ändern wird.
Der Kondensator 1 hat jedoch keinen konstanten Kapazitätswert. Dieser Kapazitätswert ist nämlich von den vorhergehenden Vorgängen und von dem Bereich, in dem der Kondensator 1 betrieben wird, abhä lgig.
Dies wird an Hand der Fig. 4 veranschaulicht, in der die Ladung Q als Funktion der angelegten Spannung V für einen Kondensator mit Bariumtitanat als Dielektrikum aufgetragen ist. Dabei ist die Hystereseschleife als unendlich schmal angenommen, da die auch bei solchen ferroelektrischen Materialien wahrnehmbare Hystereseerscheinung für die hier betrachteten Wirkungen unwesentlich ist.
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cl)Schalter im Augenblick t1 geschlossen und im Augenblick + r wieder geöffnet wird. Ist die Amplitude der Wechselspannung über dem Kondensator 1 gleich A V/2, so gehört dazu eine Ladungsänderung A Q.
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spricht somit V + C. V / (C + Cs) Volt und die betreffende Ladungsänderung bei gleicher Wechselspannungsamplitude wird durch A Ql gegeben.
Nach dem Zeitpunkt t + Twird der Kapazitätswert somit Cl (t A Ql/A v.
Da A Ql kleiner ist als A Q, bedeutet dies, CI (1s) < ), so dass das Schliessen an verschiedenen Zeitpunkten zur Folge hat, dass trotz gleicher Werte von V1 ein anderer Kapazitätswert eingestellt wird.
Der Kapazitätswert des Kondensators 1 beim Schliessen des Schalters 2 am Zeitpunkt t liegt selbstverständlich zwischen dem beim Schliessen am Zeitpunkte und dem am Zeitpunkt tus'
Bei gleichbleibender Amplitude der Wechselspannung der Quelle 6 wird der Spannungsabfall über dem Kondensator 1 sogar noch etwas, zunehmen bei abnehmendem Kapazitätswert dieser Kondensators, so dass die Wirkung noch etwas grösser ist, als aus den vorhergehenden Formeln ersichtlich ist.
Die Schlussfolgerung ist somit, dass, wenn an beliebigen Zeitpunkten eingeschaltet wird, trotz gleichbleibender Information von der Quelle 3 her sich der Kapazitätswert des Kondensators 1 ändert. Dies bedeutet, dass sich durch das Einschalten an beliebigen Zeitpunkten die Lichtausbeute des Auslieferungsele-
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B.müssen 25 Perioden der Schaltfrequenz vorbeigehen bis beim Schliessen des Schalters 2 der gleiche Momentwert der Wechselspannung auftritt. Bei 25 Bildern pro Sekunde bewirkt dies Helligkeitsänderung mit einer Schwebungsfrequenz von etwa 1 Hz pro Sekunde, die also mit dem Auge wahrgenommen werden, da das Auge nicht fähig ist, solche langsame Änderungen zu integrieren.
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Mit Rücksicht auf diese Erkenntnis wird es einleuchten, dass die Abhilfe des vorerwähnten Nachteiles nicht aus dem Zusatz weiterer Widerstände und Kondensatoren besteht, sondern dass gemäss dem Prinzip der Erfindung die Frequenz von der Quelle 6 gelieferten Wechselspannung gleich der Schaltfrequenz des Schalters 2 oder ein ganzzahliges Vielfaches dieser Frequenz sein muss. Ausserdem ist über die Kopplungvorrichtung 9 die Wechselspannungsquelle 6 mit dem Schalter 2 gekoppelt, so dass das Schaltsignal, das das Schliessen und Öffnen des Schalters 2 bedingt, phasenstarr mit der von der Quelle 6 gelieferten Wechselspannung gekoppelt ist. Dies ist in Fig. 3c veranschaulicht, wobei die Frequenz der Schaltimpulse gleich der in Fig. 3a veranschaulichten Wechselspannung gewählt ist, wobei ausserdem die Impulse stets mit dem Maximum der Wechselspannung zusammenfallen.
Daraus folgt, dass der mittlere Wert der Wechselspannung nach aem Schliessen des Schalters 2 an den Zeitpunkten t und t. stets + Vs Volt beträgt, so dass sich stets der gleiche Kapazitätswert einstellt. Unerwünschte Helligkeitsänderungen treten somit nicht auf.
Die Zeitpunkte t4 und tg sind nur beispielsweise gewählt und es wird einleuchten, dass die Schliesszeiten des Schalters 2 auch stets unmittelbar vor den Nulldurchgängen der sinusförmigen Spannung liegen können. In diesem Falle schwankt die Wechselspannung über dem Kondensator l lediglich um den mittleren Wert V so dass der sich effektiv einstellende Kapazitätswert lediglich durch die von der Quelle 3 abgenommene Spannung bedingt wird. Dies kann auch erzielt werden, indem die von der Quelle 3 ab-
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der mittlere Wert der Wechselspannung über dem Kondensator 1 gleich : (V -Cg. Vg/ (C + Cg) Volt, wenn +V ; der mittlere Betrag der Wechselspannung während der Schliesszeit T des Schalters 2 ist.
Wenn die
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Es können auch andere Kombinationen von Schliesszeiten und zugesetzten Spannungen eingestellt werden, je nach dem auf der in Fig. 4 dargestellten Kurve gewünschten Arbeitspunkt. Dieser Arbeitspunkt verschiebt sich nämlich als Funktion der von der Quelle 3 gelieferten Spannung, welche z. B. die Videoinformation für ein durch die Wiedergabeelemente 5 wiederzugebendes Bild sein kann. Dabei gilt die Forderung, dass eine maximale Kontrastvariation bei einer minimalen Änderung der von der Quelle 3 zugeführten Spannung erzielt wird.
Es sei ausserdem bemerkt, dass die Frequenz der Wechselspannung bei den meisten Verwendungen ein Vielfaches der Schaltfrequenz betragen wird. Für eine Fernsehwiedergabetafel, die an ein 625-Zeilensystem ohne Zeilensprung-Abtastung mit 25 Bildern pro Sekunde angepasst ist, wird z. B. die Schaltfrequenz 25 Hz betragen, während eine Wechselspannung von 25 Hz viel zu niedrig ist für eine kontinuierliche Aktivierung der Wiedergabetafel. In diesem Falle könnte letztere z. B. gleich der Zeilenfrequenz von 15625 Hz sein, wobei die erste Anforderung erfüllt wird. Wenn die Schaltfrequenz von den Bildsynchronisierimpulsen abgeleitet und die Wechselspannung über eine Vervielfachungsschaltung auch von diesen Bildsynchronisierimpulsen erhalten wird, wird gleichzeitig die Anforderung der phasenstarren Kopplung erfüllt.
Die Vorrichtung 9 ist in diesem Falle eine Vervielfachungsschaltung oder auch eine Steuervorrichtung, welche sowohl den Schalter 2 als auch die Quelle 6 steuert.
Die Vervielfachungsschaltung kann jedoch auch verwendet werden, wenn, wie dies in Fig. 3 einfach angegeben ist, der Vervielfachungsfaktor gleich 1 ist, so dass die Schaltfrequenz gleich der Wechselspan-
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sehen ist, dem die Impulse zugeführt werden. Es besteht sogar die Möglichkeit, die Kopplungsvorrichtung 9 und den Generator 6 zu kombinieren, wenn die Amplitude der Wechselspannung nicht allzu gross zu sein braucht.
Ist der Vervielfachungsfaktor grösser als 1, so ist gewöhnlich eine grosse Verstärkung notwendig, da die Amplitude der von der Kopplungsvorrichtung 9 mit einem besonders eingestellten Vorverstärker und einem auf die höheren Harmonischen der Schaltfrequenz abgestimmten Kreis gelieferten Spannung zu klein ist, um ohne weitere Verstärkung der Reihenschaltung der Elemente 5 und 1 zugeführt zu werden.
Die Quelle 6 kann auch ein Oszillator sein, der eine Schwingung der gewünschten Frequenz und Amplitude erzeugt und der durch die über die Kopplungsvorrichtung zugeführten Impulse direkt synchronsiert wird. Im letzteren Falle kann die Vorrichtung 9 auch ein Phasendiskriminator sein, in dem das vom Schalter 2 stammende Schaltsignal und das über die Leitung 10 zugeführte Oszillatorsignal miteinander verglichen werden. Die von der Vorrichtung 9 gelieferte Regelspannung stellt den Oszillator 6 auf die richtige Frequenz und die richtige Phase ein.
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Die Quelle 6'braucht nicht eine sinusförmige Wechselspannung zu liefern. Jede Wellenform einer
Wechselspannung, die sich zum Aktivieren des Ausleseelementes 5 eignet, lässt sich anwenden.
Wenn nicht eine Kombination einer Quelle 3 und eines Schalters 2 verwendet wird, sondern Impuls- förmige Spannungen direkt von einer Quelle dem Speicherelement 1 zugeführt werden, so können diese
Impulse direkt zum Steuern oder zum Synchronisieren der Quelle 6 verwendet werden.
Nach Fig. 2, in der diejenigen Teile, welche denen der Fig. 1 entsprechen, gleich bezeichnet sind, sind die Elemente 5 und 1 nicht in Reihe, sondern parallelgeschaltet und ein Vorschaltkondensator 11 ist zwischen dieser Parallelschaltung und der Quelle 6 eingeschaltet. Die Impedanz des Kondensators 11 ist hoch gegenüber der maximalen Impedanz der erwähnten Parallelschaltung. Die Kombination des Kon- densators 11 und der Quelle 6 kann daher als eine Stromquelle gedacht werden, wobei die dem Konden- sator 11 zugeführte Ladung sich wieder ändern könnte, wenn die Zeitpunkte des Schliessens des Schalters 2 beliebig gewählt wären.
In Abhängigkeit von der von der Quelle 3 dem Element 1 zugeführten Information ändert sich dessen
Impedanz. Da die Impedanz des Ausleseelementes 5 nahezu konstant bleibt, ändert sich die Spannung über der Parallelschaltung als Funktion der Impedanzänderung des Elementes l, so dass das Element 5 mehr
Licht ausstrahlt in dem Masse wie die Impedanz des Elementes 1 grösser ist. Der Kapazitätswert des Kon- densators 1 nimmt ab bei einem zunehmenden Wert der von der Quelle 3 gelieferten Spannung, so dass seine Impedanz zunimmt. Daraus folgt, dass bei dieser Stromquellensteuerung ein schwarzes Bildelement einem geringen Signal und ein weisses Bildelement einem grossen Signal entspricht, so dass keine Umkehrung des Bildsignals notwendig ist, wie dies bei Spannungsquellensteuerung der Fall ist.
Als Speicherelement l eignet sich jedes Element mit Speicherwirkung, die ausserdem durch eine ge- sondert zugeführte Schreibspannung geändert werden kann. Ein solches Element ist z. B. eine Germaniumoder Siliziumdiode, die in der Sperrichtung betrieben wird. Eine auf diese Weise betriebene Diode hat die
Eigenschaft, dass ihr Kapazitätswert bei zunehmender angelegter Spannung abnimmt.
Die Verwendung von Schreib- und Ausleseschaltungen mit einer kontinuierlich wirksamen Wechsel- spannungs-oder Wechselstromquelle braucht sich nicht auf eine Femsehwiedergabetafel zu beschränken, auch für Rechenmaschinen, wobei die Information pro Element eingeschrieben wird und diese Information kontinuierlich auslesbar sein soll, sind diese Schaltungen brauchbar. Die Elemente 5 können z. B. bestimmte Ziffern kontinuierlich oder nicht kontinuierlich wiedergeben, je nachdem dem zugehörigen Speicherelement Information zugeführt worden ist oder nicht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung mit mindestens einer Schreib- und mindestens einer Ausleseschaltung, wobei die Schreibschaltung aus einer Quelle, die ein impulsförmiges Signal liefert, und aus einem damit verbundenen, als Kondensator ausgebildeten Speicherelement besteht, dessen Impedanz sich als Funktion der aus der erwähnten Quelle zugeführten und darauf gespeicherten Information ändert, während die Ausleseschaltung aus einer kontinuierlich wirksamen Wechselspannungsquelle und einem auch als Kondensator ausgebildeten Wiedergabeelement besteht, wobei die Spannung über dem Wiedergabeelement entweder direkt, im Falle einer Reihenschaltung beider Elemente, oder indirekt, im Falle einer Parallelschaltung beider Elemente, unter Zusatz eines Reihenkondensators eine Funktion der Impedanz des Speicherelementes ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Frequenz des von der Wechselspannungsquelle gelieferten Signals gleich der Wiederholungsfrequenz des impulsförmigen Signals oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen derselben ist, wobei zum Aufrechterhalten einer konstanten Phasendifferenz zwischen beiden Signalen die beiden Quellen durch eine Kopplungsvorrichtung miteinander verbunden sind.