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Anordnung zum Siditbarmadien von Einschwingvorgängen Es ist bekannt,
zur Prüfung eines Untersuchungsobjektes, z. B. eines Übertragungssystems, z. B.
einer Leitung als Funktion der Zeit auf den Eingang des Objektes, ein Signal, beispielsweise
einen Impuls zu geben, der als Primärimpuls auf dem Objekt ein Echosignal erzeugt.
Dieses Echosignal wird dann einschließlich der mit ihm auf dem Objekt hervorgerufenen
Reflexionen, die auf Unregelmäßigkeiten des Übertragungsweges zurückzuführen sind,
als Maß für die Beschaffenheit des Objektes benutzt. Die aus Echosignalen und Reflexionen
bestehende Spannung kann entweder an einem Meßinstrument abgelesen und mittels eines
Oszillographen sichtbar gemacht werden. Die Echospannungen entstehen hierbei an
denselben Klemmen, an denen das Primärsignal angelegt wird. Dieses ist so bemessen,
daß es bereits beendet ist, bevor das Echosignal an den Klemmen auftritt.
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Es sind auch andere Einrichtungen zur Beobachtung von Impedanzunregelmäßigkeiten
bekannt, bei denen an Stelle von Impulsen Spannungen mit periodisch veränderbarer
Frequenz benutzt werden. Hierbei wird der Unterschied zwischen der Frequenz eines
an ein Leitungsende gelegten Signals und der des reflektierten, an demselben Ende
empfangenen Signals ge messen. Der gemessene Wert ist ein Maß für die Entfernung
der eine Reflexion verursachenden Unregelmäßigkeit. In diesen, als Echometer bezeichneten
Geräten beobachtet man jedoch die Echospannungen direkt oder deren proportionale
Werte.
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Bei der Anordnung, welche der Erfindung zugrunde liegt, wird dagegen
die Echospannung, also das reflektierte Signal und das Verhältnis zu den Stör-Signalen,
die am Ausgang des zu untersuchenden Ob-Objektes, also eines Ubertragungssystems
bzw. einer Leitung mit zeitlicher Verzögerung gegen die an den Eingang gelegten
Primärsignale auftreten, in Größe nd Wellenform am Eingang dieses Systems ermittelt.
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Es ist bekannt, daß die Kennzeichnung dieser Werte verbessert werden
kann, wenn der Echospannung eine veränderliche Zeitdauer zugeordnet wird. Zu dieser
Begrenzung der Zeitdauer ist ein :weites Signal erforderlich, welches dem ersten
nach iner veränderbaren Zeit folgt. Das Primärsignal beteht somit aus zwei Teilen,
z.B. zwei Impulsen, leren Abstand eingestellt werden kann. Wenn man las Meßergehnis
auf dem Schirm eines Kathoden trahloszillographen sichtbar machen will, wird man
lie Aussendung des Primärsignals, d. h. des Impulslaares, periodisch wiederholen,
wobei die Perioden-Dauer größer oder mindestens gleich der Zeitdauer des ibstandes
t zwischen den einzelnen Impulsen des mpulspaares ist. Durch stufenweises Verändern
des Abstandes T kann man also nacheinander mehrere Werte punktweise ermitteln.
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Bei einer bekannten Anordnung werden zu diesem Zweck zwei Impulsreihen
erzeugt, welche dieselbe Wiederholungsfrequenz, aber verschiedene Phase zueinander
besitzen. Durch Veränderung der Phaseneinstellung, die mit einem Einstellknopf erfolgt,
können verschiedene Abstände zwischen den mit einander gemischten Impulsen dieser
beiden Impulsreihen eingestellt werden. Die gewünschten Messungen erfolgen hierbei
also zeitlich nacheinander.
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Da die gesuchte Kurve oft eine sehr unregelmäßige Form besitzt und
man eine ausreichende Genauigkeit erlangen will, muß eine sehr große Zahl von Punkten
aufgenommen werden. Dies ist insbesondere deswegen sehr zeitraubend, weil für jeden
Punkt der entsprechende Wert durch Rechnen zu ermitteln ist.
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Darüber hinaus ist diese Methode auch unsicher und ungenau, weil zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Messungen leicht Änderungen in der Verstärkung der verwendeten
Verstärker auftreten, was nicht vernachlässigbare Fehler nach sich zieht.
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Diese Nachteile werden bei einer Anordnung zum Sichtbarmachen von
Einschwingvorgängen in einem Übertragungssystem oder einer Leitung auf dem Schirm
eines Kathodenstrahloszillographen mit zwei
Impulsgeneratoren zur
Erzeugung gegeneinander verschiebbarer Impulse von- -Impuispaaren, bei der die durch
diese Impulse entstehenden Echoimpulse mit dem im Ubertragungssystem oder der Leitung
hervorgerufenen Reflexionen über Verstärker quadratische Gleichrichter und Integrationsglieder
an die Meßablenkorgane des Oszillographen gegeben sind, dadurch vermieden, daß gemäß
der Erfindung die beiden Impulsgeneratoren je eine Frequenz/ und J2 besitzen, deren
Differenz (tl2) die Frequenz der Meßspannung ergibt, die auf das Übertragungssystem
oder die Leitung gegeben und gleich der Frequenz des Ablenkgenerators ist.
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Die Erfindung soll im folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen
beschrieben werden.
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Fig. 1 stellt als einfaches Blockschaltbild das Gesamtschema einer
Einrichtung gemäß der Erfindung dar; Fig. 2, 3 4 und 5 zeigen besondere Anordnungen
für verschiedene Generatoren zur Erzeugung von Signalpaaren; Fig. ö zeigt eine Schaltung
mit einem quadratischen Gleichrichter und Tiefpaßfilter.
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In Fig. 1, die die gesamte Anlage gemäß der Erfindung darstellt,
speist ein Generator 1 von wiederkehrenden Signalpaaren von der Periode tal eine
Differentialanordnung 2. Diese kann z. B. durch einen Differentialtransformator
oder durch eine Wheatstonesche Brücke gebildet sein. Sie ist mit vier Klemmenpaaren
versehen. Das erste Paar dient dazu, die vom Generator 1 stammende Spannung über
die Verbindung 6 anzulegen. Das zweite liefert über eine Verbindung 7 die reflektierten
Signale, die beobachtet werden sollen. Am dritten Paar liegt das zu prüfende Übertragungssystem
3, das hier als Übertragungsleitungslänge dargestellt ist, die ohne Reflexion durch
eine geeignete Impedanz 4 abgeschlossen ist, und das vierte Klemmenpaar ist mit
einer Kompensation 5 verbunden, deren Wert derart gewählt ist, daß die vom Generator
1 stammenden und in der Anordnung 2 über die Verbindung 6 angelegten Signale nicht
direkt eine Spannung an die Klemmen übertragen die mit der Verbindung 7 verbunden
sind. Solche Differentialvorrichtungen sind bekannt, und es ist nicht nötig, sie
im einzelnen zu beschreiben.
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Die an der Verbindung 7 auftretenden Signale, welche hauptsächlich
die reflektierten Signale oder vorher erwähnten Echospannungen sind, werden durch
einen Verstärker 8 verstärkt, dessen Ausgang auf einen quadratischen Gleichrichter
9 arbeitet, dessen Ausgangskreis wiederum über die Verbindung 20 auf ein Tiefpaßfilter
10 oder auf ein integrierendes und filtrierendes Netz arbeitet, dem ein Tiefpaßfilter
folgen kann.
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Die durch das Filter 10 integrierten, gefilterten Signale sind gegebenenfalls
nach Verstärkung durch einen Verstärker 11 durch die Verbindung 12 an die vertikalen
Ablenkplatten des Kathodenstrahloszillographen 13 gelegt.
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Wie bereits erwähnt, setzt sich der Generator 1 aus zwei einfachen
Impulsgeneratoren 14 und 15 mit voneinander verschiedenen Wiederholungsfrequenzen
zusammen. Die Ausgangskreise der Generatoren 14 und 15 speisen einen Blischkreis
16, der dazu dient, eine Addition der Impulsreihen beider Generatoren an die Verbindung
6 anzulegen. Der genannte Mischkfeis 16 ist entweder eine einfache Additionsverbindung
für die Spannungen der Generatoren 14 und 15 oder ein komplizierteres Gerät, wenn
diese Impulse vor ihrer Verwendung verändert werden sollen.
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Der Generator 18 bewirkt die Zeitablenkung des Oszillographen 13
über die Verbindung 17. Dieser liefert eine periodische Sägezahnspannung und ist
durch die Leitungen 6 und 19 vom Generator 1 synchronisiert.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende: Die Generatoren 14
und 15 senden z. B. Impulse von kurzer Dauer und voneinander abweichenden Wieder
holungsfrequenzen. Daraus folgt, daß der,Mischkreis 16 Impulspaare empfängt, deren
beide Elemente in gewissen sich wiederholenden Zeitabschnitten mit der Periode in
I(oinzidenz sind, aber im Lauf einer solchen Periode untereinander einen Zeitunterschied
t zeigen, der sich mit der Zeit linear ändert. Wenn z. B der Mischkreis 16 ein einfacher
Uberlagerungskreis von Spannungen ist, findet man an dessen Ausgang Impulspaare,
bei denen der Abstand zwischen ihren beidell Elementen sich linear mit der Zeit
ändert. Im Synchronismus mit der Änderung dieses Abstandes verstellt sich der elektronische
Strahl des Oszillo graphen 13 durch Steuerung des Ablenkgenerators 18 über die Verbindung
17 derart, daß auf dem Fluoreszenzschirm der Röhre 13 der leuchtende Punkt, ausgehend
von einem festen Merkzeichen, welches auf dem Schirm vorgesehen ist, eine Verschiebung
proportional zu t erleidet. Andererseits ist das Signal auf der Verbindung 7, wie
schon vorher erklärt wurde, während jeder Zeitperiode T gleich oder proportional
der Summe R (t) + R (t + z) der durch das Versuchsobjekt 3 reflektierten Signale.
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Außerdem bildet der quadratische Gleichrichter 9 an seinem Ausgang
infolge der um das Zeitintervall r verlagerten Signale, die vom Generator 1 stammen,
einen Strom oder eine Spannung proportional dem Quadrat dieser Summe, eventuell
noch Verstärkung durch den Verstärker 8.
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Es ist leicht einzusehen, daß die Spannungen der Signale, die an
der Verbindung20 am Ausgang des Detektors 9 auftreten, mehrere Bestandteile enthalten,
von denen zwei konstante und gleiche Werte zum mittleren Quadrat jeder der Größen
R (t) und R (t + z) haben. Es ist leicht, diese später durch bekannte Mittel zu
eliminieren (z. B. durch den Verstärker 11, wenn, wie üblich, dieser derart beschaffen
ist, daß diese Spannungen nicht verstärkt werden), Die Bestandteile mit sehr schneller
Änderung, die in R2 (t) und R2 (t + r) enthalten sind, Ausdrücke, die, wenn S (t)
und S (t + r) Impulse von kurzer Dauer oder andere Signale mit steiler Wellenfront
sind, den Teilen von S (t) und S (t + I) entsprechen, die gleichfalls schnelle Änderungen
darstellen, werden leicht durch das Filter 10 eliminiert, dessen oben Frequenzgrenze
entsprechend gewählt ist.
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Wenn die genannte Frequenzgrenze des Filters 1C (oder dessen Zeitkonstante,
wenn es ein einfaches integrierendes Filter ist) derart gewählt ist, daß diejenigen
Signale durchgelassen werden, deren Frequenzen 1/T und einem nicht zu großen Vielfacher
von 1/T entsprechen, liefert das Filter 10 automatiscl an seinem Ausgang eine Spannung
proportional den Mittel des Produktes R (t) R (t + r) während der Zeit T, da die
sehr hohen Frequenzen entsprechenc den sehr schnellen vorher erwähnten Änderunger
ganz eliminiert werden. Die so erhaltene Spannung kann darauf durch den Verstärker
11 verstärkt uni durch die Verbindung 12 an die Ablenkplatten zu vertikalen Ablenkung
des Kathodenstrahles de Oszillographen 13 gelegt werden.
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Man erhält also auf dem Schirm des Oszillographs 13 eine Kurve, die
das gesuchte Resultat darstellt
Man kann auf dem Schirm eine geeichte
Skala gemäß den Werten von T vorsehen.
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Es sollen nun verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung für
besondere Signale S (t) beschrieben werden.
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Fig. 2 stellt einen Generator für doppelte Signale von sehr kurzer
Dauer dar, der in den Impulsgeneratoren 14 und 15 in dem Schema der Fig. 1 benutzt
wird. Der Generator 14 setzt sich aus einem Oszillator zusammen, der den piezoelektrischen
Kristall 101 der Eigenfrequenz f, enthält, der der Elektronenröhre 102 zugeordnet
ist. Die notwendigen Impedanzwerte in den Kreisen des Steuergitters und der Anode
der Röhre 102 werden mittels der Widerstände 103 und 104 und der Kondensatoren 105
und 106 erhalten (die Speisequellen der Röhre 102 sind wegen der größeren Einfachheit
nicht dargestellt).
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Der Verbindungskondensator 107 überträgt die an der Anode der Röhre
102 liegende Wechselspannung an das Steuergitter einer Verstärkerröhre 108, welche,
infolge der Widerstände 109, 110, 111, 112 als Gitterstrom Amplitudenbegrenzer wirkt.
Der Resonanzkreis mit der Induktivität 113 und Kapazität 114, der vom Anodenstrom
der Röhre 108 durchflossen wird, empfängt in jeder Schwingungsperiode des Kristalls
101 einen Impuls und die begrenzte, an dem Schwingungskreis 113 und 114 liegende
Spannung wird durch den Kondensator 115 und den Widerstand 116 an eine zweite Verstärkerröhre
117 übertragen, deren Steuergitter gegen die Kathode durch den Widerstand 118 negativ
vorgespannt ist, dem der Kondendavor 119 parallel liegt. An den Klemmen des Widerstandes
120, der in den Anodenkreis der Röhre 117 geschaltet ist, entsteht eine Wechselspannung
der Frequenz fi, die aus Impulsen sehr kurzer Dauer besteht.
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Der zweite Generator 15 ist in analoger Weise zum senerator 14 ausgebildet.
Durch die Kondensatoren L21 und 122 sind die an den Ausgängen der Gene--atoren 14
und 15 liegenden Impulsspannungen an ien Mischkreis 16 übertragen, welcher eine
Diode 123 nthält, die dazu dient, die genannten Gleichstrommpulse zu liefern, sowie
einen Widerstand 124 an len Klemmen 125, 126 enthält, an dem die Spannung iegt,
die dazu bestimmt ist, an die Verbindung 6 iach Fig. 1 gelegt zu werden.
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Fig. 3 stellt eine etwas andere Vorrichtung für den ischkreis 16
dar, wenn man am Ausgang des Geneators 1 Impulspaare erhalten will, deren einzelne
Impulse entgegengesetztes Vorzeichen haben. In dem 3eispiel gemäß Fig.3 führen die
Kondensatoren 121 md 122 an die Dioden 223 bzw. 223a, die einander ntgegengesetzt
geschaltet sind und deren Ausgangspannungen an den in Reihe geschalteten Widertänden
224 und 224a und einen Transformator 227 .ddiert und über diesen Transformator an
die Klemnen 225, 226 übertragen werden, die die Ausgangsklemmen des Generators 1
nach Fig. 1 bilden.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungen des Geneators 1, die dem Fall
angepaßt sind, bei dem man inschwingvorgänge des Meßobjektes untersuchen will. Es
ist offensichtlich, daß die aufeinanderolgende Aussendung von zwei Signalen dieser
Art, velche entgegengesetzte Polaritäten haben, und deren infänge in der Zeit um
einen Intervalls verlagert ind, vollkommen durch die Signale von rechteckiger wellenform
und Dauer gleich z nachgeahmt ist. Es rird also genügen, daß der Generator 1 solche
Signale rzeugt, deren Dauer während der Periode T1 varirt von einem unteren Wert
praktisch gleich Null bis
zu einem oberen Wert, der für z gegeben ist, welcher Tj
z. B. gleich -2'- gewählt sein kann.
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Fig. 4 zeigt eine Ausführung eines solchen Generators. Dieser Generator
enthält zwei Generatoren 14 und 15 für Impulse von sehr kurzer Dauer und den Frequenzen
fl und 2, wie in dem Beispiel nach Fig. 3, sowie eine Werlagerungsvorrichtung mit
Polaritätsumkehrung der erzeugten Impulse, ähnlich zu der nach Fig. 3. Man erhält
also zwischen den Klemmen der Sekundärwicklung des Transformators 227 Impulspaare
von Abstand T und von entgegengesetzter Polarität wie in dem Beispiel nach Fig.
3. Durch Integrierung dieser Impulspaare in einem Integrationsnetz, welches von
einem Widerstand 228 und einem Kondensator 229 gebildet ist, erhält man die Signale
von gewünschter rechteckiger Wellenform, die man, wenn erforderlich, außerdem durch
einen Verstärker 230 verstärken kann, bevor sie an die Verbindung 6 nach Fig. 1
gelegt werden.
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Fig. 5 zeigt eine andere Generatorausbildung, die Signale von rechteckiger
Wellenform derselben Art, wie in dem Beispiel nach Fig. 4, liefert. In dem Beispiel
nach Fig. 5 ist die benutzte Vorrichtung ähnlich derjenigen nach Fig. 4, bis auf
die Klemmen der Sekundärwicklung des Transformators 227. An den Klemmen dieser Wicklung
erhält man, wie vorher erklärt, Impulspaare von entgegengesetzter Polarität, die
in dem Beispiel nach Fig. 5 benutzt werden, um einen Sperrschwinger in Tätigkeit
zu setzen oder anzuhalten, welcher von der Elektronenröhre 301 gebildet ist, die
am Transformator302 liegt, welcher eine Rückkopplung zwischen dem Steuergitterkreis
und der Anode der Röhre 301 herstellt. Von der Anode der Röhre 301 werden die gewünschten
Signale durch den Kondensator 303 an die Verbindung 6 nach Fig. 1 übertragen.
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Fig. 6 zeigt eine Schaltung eines quadratischen Detektors und des
Integrations- und Filternetzwerkes, welches in der Einrichtung nach Fig. 1 angewendet
werden kann. In dem Schema nach Fig. 6 speist der Ausgang des Verstärkers 8 die
Primärwicklung eines Transformators 401, dessen Sekundärwicklung gegen Erde symmetrisch
ist und zwei Gleichrichter 402 und 403 speist, die man in dem quadratischen Teil
ihrer Strom-Spannung-Charakteristik betreibt. Zu diesem Zweck speist der durch die
Sekundärwicklung von 401 und durch die Gleichrichter 402 und 403 gebildete Kreis
einen Widerstand 404 von geringem Wert, der klein gewählt werden muß gegenüber dem
Scheinwiderstand der Einheit 401, 402, 403. Um dieser Bedingung besser zu genügen,
liegen parallel zu den zwei sekundären Wicklungshälften des Transformators 401 vorzugsweise
zwei Hilfswiderstände 408 und 409.
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Ein von dem Widerstand 405 und vom Kondensator 406 gebildetes Integrationsnetzwerk
liefert eine Spannung, die im wesentlichen proportional dem Zeitintegral der Spannung
an dem Widerstand 404 ist, die selbst dem Quadrat der Amplitude am Ausgang des Verstärkers
8 proportional ist. Ein Tiefpaßfilter 10 kann hinzugefügt werden, um die Komponenten
hoher Frequenz zu eliminieren, welche noch in der Ausgangsspannung des Integrationsnetzwerkes
vorhanden sein könnten.
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Die Wahl der Frequenzen und Zeitkonstanten der Einrichtung kann wie
folgt definiert werden: Wenn 0 die maximale Vergrößerungszeit zwischen den durch
den Kreis 3 reflektierten Signalen, den durch den Generator 1 im Kreis 3 über die
Verbindung 6 und die Differentialordnung 2 (Fig. 1) angelegten
Signalen
ist, (z. 13. wenn 3 eine Übertragungsleitung von der Länge 1 und der Fortpflanzungsgeschwindigkeitu
ist) wird 0 gleich 2 wobei die als praktisch anzusehenden, maximalen Werte für z
von der Größenordnung 0 sind.
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Man wird fi und 2 derart wählen, daß T1 mindestens gleich 0 ist Weiterhin
müssen die zwei Frequenzen ti und 2 derart gewählt sein, daß die höchste dieser
Frequenzen unter 2t bleibt, um ein Bedecken der reflektierten Signale durch zwei
aufeinanderfolgende, durch den Generator ausgesandte Impulse zu vermeiden.
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Die Zeitkonstante des integrierenden und flitrierenden Netzes 10
muß unter der Periode gewählt sein, um eine gute Wiedergabe der Einzelheiten der
auf dem Schirm des Oszillographen beobachteten Kurve zu ermöglichen. Praktisch könnte
man z. B. für diese Zeitkonstante den höchstmöglichen, mit dieser letzten Bedingung
zu vereinbarenden Wert nehmen, denn es ist bekannt, daß ein elektrischer Integrator
um so besser ist, je höher seine Zeitkonstante. Die Integrationszeitkonstante muß
groß genug gewählt sein, um am Ausgang des Integrationsnetzes die Signale zu eliminieren,
deren Frequenz von der Größenordnung von fl oder von fæ ist und um so mehr die oberen
Harmonischen der genannten Frequenzen.
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In einer praktischen Anwendung bezüglich einer Übertragungsleitung,
deren Fortpflanzungszeit hin
und zurück zwei Mikrosekunden war, hat man fL = 100
kHz; f2 = 99,975 kHz gewählt, indem man dem Integrationsnetz eine Zeitkonstante
von 4 Mikrosekunden gegeben hat, und ihm ein Tiefpaßfilter mit einer Grenzfrequenz
von 80 kHz nachgeschaltet hat.
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IJATENTANSPRUCII Anordnung zum Sichtbarmachen von EinW schwingvorgängen
in einem Übertragungssystem oder einer Leitung auf dem Schirm eines Kathodenstrahloszillographen,
mit zwei Impulsgeneratoren zur Erzeugung gegeneinander verschiebbarer Impulse von
Impulspaaren, bei der die durch diese Impulse entstehenden Echoimpulse mit den im
Übertragungssystem oder der Leitung hervorgerufenen Reflexionen über Verstärker,
quadratische Gleichrichter und Integrationsglieder an die Meßablenkorgane des Oszillographen
gegeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Impulsgeneratoren (14, 15)
je eine Frew quenz (/l und 2) besitzen, deren Differenz (tl 2) die Frequenz der
Meßspannung ergibt, die auf das Übertragungssystem oder die Leitung gegeben und
gleich der Frequenz des Ablenkt generators (18) ist.