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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Rauschunterdrückung
für ein rauschbehaftetes Eingangssignal mit unterbrochen auftretendem Nutz-Signal
durch Steuerung eines Verstärkers für das Eingangssignal mittels einer in einem
Rauschspannungsdetektor aus der Rauschspannung abgeleiteten Steuerspannung.
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Bei einer bekannten, als Rauschsperre für UKW-Empfänger dienenden
Schaltungsanordnung dieser Art wird die vom Empfangsgleichrichter des Empfängers
abgeleitete Rauschspannung dazu benutzt, bei fehlendem Hochfrequenzträger den Niederfrequenzverstärker
des Empfängers zu sperren. Diese bekannte Schaltungsanordnung 'geht davon aus, daß
die Rauschspannung hinreichend im Empfangsgleichrichter ableitbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Art so auszugestalten, daß das Nutzsignal auch unter ungünstigen übertragungsbedingungen
aus dem Eingangssignal herausgelöst werden kann.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein Differenzverstärker
ist, dessen einer Eingang an die Eingangsleitung für die Eingangssignale und dessen
anderer Eingang an den Ausgang des Rauschspannungsdetektors angeschlossen ist, daß
der Rauschspannungsdetektor einen Integrator aufweist, der über einen Schalter an
die Eingangsleitung angeschlossen ist und von dem über einen hochohmigen Verstärker
die Steuerspannung abgeleitet wird, und daß der Schalter von den Ausgangssignalen
des Differenzverstärkers geschaltet wird, derart, daß er bei Vorliegen eines Nutzsignals
offen und andernfalls geschlossen ist.
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Die Erfindung macht sich zwei Umstände zunutze, einmal den Umstand,
daß bei dem hier in Frage stehenden Eingangssignal das Nutzsignal nicht ständig
vorliegt, und zum zweiten den Umstand, daß die Rauschkomponente sich im allgemeinen
nur langsamer ändert als das Nutzsignal, so daß man aus dem in den Nutzsignallücken
gewonnenen Durchschnittswert des Geräuschpegels auf die Größe des Geräuschpegels
während eines nachfolgenden Zeitabschnittes, in dem ein Nutzsignal vorliegt, durch
zeitliche Extrapolation schließen kann: Nach der Erfindung werden die neuen Rauschspannungen
nur bei geschlossenem Schalter im Rauschspannungsdetektor wirksam, also wegen der
besonderen Schaltersteuerung nur in den Nutzsignallücken. In diesen Nutzsignallücken
liegt aber das Rauschspannungssignal allein vor, und die Steuerspannung kann ungestört
durch das Nutzsignal allein aus der Rauschspannung abgeleitet werden. Die zwangläufig
vorhandene Speicherwirkung des Integrators gestattet es in Verbindung mit der hochohmigen
Ausgestaltung des nachgeschalteten Verstärkers, die so in einer Nutzsignallücke
durch Integration ermittelte Steuerspannung über die nächste Nutzsignalperiode zu
halten. Es ist dazu nur erforderlich, die beteiligten Zeitkonstanten entsprechend
zu bemessen.
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In vielen Fällen benötigt man das Nutzsignal, z. B. ein Sprachsignal,
nur für einen Schaltvorgang, z. B. bei sprachgesteuerten Einrichtungen. In einem
solchen Fall benötigt man das Nutzsignal nicht analog, es genügt ein daraus abgeleitetes
binäres Ausgangssignal, das seinen einen Wert bei Vorhandensein des Nutzsignals
und seinen anderen Wert bei Nichtvorhandensein des Nutzsignals annimmt. Zu diesem
Zweck empfiehlt- die Erfindung, den Differenzverstärker übersteuert zu betreiben;
so daß das- Ausgangssignal binär ist.
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Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Die erfinderische Schaltung, die in der einzigen Figur dargestellt
ist, wird zunächst in groben Zügen beschrieben. Diese Schaltung empfängt am Eingangsanschluß
12 ein mit Geräusch vermischtes Eingangssignal und erzeugt an einem Ausgang 13 ein
binäres Ausgangssignal, das anzeigt, ob ein Eingangssignal vorliegt oder nicht.
Die Schaltung weist folgende Hauptgruppen auf: Einen Amplitudendetektor 14, der
an den Eingangsanschluß 12 angeschlossen ist, einen logarithmischen Umformer 15
und ein diesem nachgeschaltetes Tiefpaßfilter 16, einen Differenzverstärker 17,
dessen einer Anschluß 18 an den Ausgang des Tiefpaßfilters 16 angeschlossen ist,
und eine Schaltung, in die die Signal- und Geräuschamplitude am Ausgang des Tiefpaßfilters
16 eingespeist wird und die ein Signal erzeugt nach Maßgabe des durchschnittlichen
Amplitudenwertes des Geräusches und an den anderen Eingang 20 des Differenzverstärkers
17 angeschlossen ist.
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Mit 24 ist ein Widerstand und mit 25 eine Kapazität bezeichnet, die
einerseits über einen allgemein mit 26 bezeichneten Schalter an den Ausgang des
Tiefpaßfilters 16 und andererseits an einen allgemein mit 27 bezeichneten Verstärker
angeschlossen sind. Der eine Anschluß der Kapazität 25 ist an ein festes Spannungspotential
28 angeschlossen.
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Im folgenden wird zur Erleichterung des Verständnisses dieser Schaltung
ein Operationsbeispiel erläutert. Es. sei angenommen, daß der Schalter 26 dauernd
geschlossen ist, so daß sich die Kapazität 25 nach Maßgabe der Signalamplitude zuzüglich
der Geräuschmittelwertsamplitude auflädt. Wenn am Eingangsanschluß 12 für längere
Zeit kein Signal, sondern nur eine Geräuschamplitude vorliegt, dann ist die Spannung
über der Kapazität 25 ein Maß für den Mittelwert des am Eingangsanschluß 12 eingespeisten
Geräuschpegels. Wenn jedoch am Eingangsanschluß 12 ein Signal auftritt, dann steigt
die Spannung an der Kapazität 25 auf einen entsprechend höheren Wert an. Wenn sich
also die Eingangsspannung am Eingangsanschluß 12 gegenüber dem Durchschnittswert
oder Mittelwert ändert, dann ändert sich auch die Eingangsgröße am Eingangsanschluß
20 des Differenzverstärkers 17 gegenüber der am Eingangsanschluß 18.
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Im folgenden werden die Einzelheiten der Schaltung näher erläutert.
Der Schalter 26 hat - einen Steuereingang 30, über den er geöffnet bzw. geschlossen
wird. Der Steuereingang 30 ist an einen Schaltungspunkt angeschlossen, wo er eine
Steuerspannung aufnehmen kann,- um den Schalter 26 bei Abwesenheit eines Eingangssignals
zu schließen und bei Anwesenheit einesEingangssignals amEingangsanschluß 12 zu öffnen.
Der Steuereingang 30 ist zu diesem Zweck vorzugsweise, wie aufgezeichnet, an den
Ausgangsanschluß 13 angeschlossen. Die Kapazität 25 lädt sich mithin nach Maßgabe
des Geräuschpegels am Eingangsanschluß 12 auf, wenn dort nur Geräuschspannungen
einfallen. Sie ist dagegen vom Eingangsanschluß 12 getrennt, wenn dort ein Eingangssignal
auftritt. Demzufolge ist die Spannung der Kapazität 25 abhängig vom Mittelwert der
Amplitude
des Geräuschpegels- am Eingangsanschluß 12
und
unabhängig von der Spannung dort eingespeister Eingangssignale.
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Der Verstärker 27 hat vorzugsweise eine so hohe Impedanz im Hinblick
auf die Zeitdauer der am Eingangsanschluß 12 auftretenden Eingangssignale, daß mit
Rücksicht auf die Größe der Kapazität 25 die Spannung der Kapazität 25 im wesentlichen
konstant bleibt, wenn der Schalter 26 geöffnet ist.
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Der Schalter 26 weist einen Transistor 40 auf, der, wie durch doppelte
Pfeile angedeutet, bilateral zwischen zwei Schalteranschlüssen 41 und 42 geschaltet
ist und diese verbindet, wenn der Basisanschluß mit Strom beaufschlagt wird. Der
Transistor 40 ist dagegen in beiden Richtungen nicht leitend, wenn der Basisanschluß
entsprechend vorgespannt ist. Die Vorspannung muß dann natürlich so gewählt werden,
daß sie für die an den Anschlüssen 41 und 42 auftretenden Spannungen ausreicht.
Die Basis wird durch einen Differenzverstärker gesteuert, der aus zwei Transistoren
44, 45 besteht, deren Emitteranschlüsse über einen gemeinsamen Widerstand 46 an
ein festes Potential -E3 angeschlossen sind. Das Vorzeichen und der Index dieses
Spannungssymbols kennzeichnen gegenüber den weiter unten noch anzuführenden Spannungssymbolen
die relativen Spannungswerte. Der Basisanschluß des Transistors 44 ist an einem
Spannungspotential -E2 angeschlossen. Mit 47 ist ein weiterer Transistor bezeichnet,
dessen Kollektorwiderstand 48 die Basisspannung des Transistors 45 nach Maßgabe
der Spannung am Ausgangsanschluß 13 steuert. Der Basisanschluß des Transistors 47
liegt an einem Spannungspotential -Ei. Mit 49 ist ein Widerstand bezeichnet, der
parallel mit einer Diode 50 an ein Spannungspotential -E2 angeschlossen ist. Diese
Schaltelementkombination dient dazu, zu verhindern, daß der Transistor 45 an der
Basis stärker vorwärts vorgespannt wird als der Transistor 44. Durch diese Schaltelementkombination
49, 50 wird erreicht, daß der Strom in den Transistoren 44 und 45 insgesamt immer
einen konstanten Wert hat, unabhängig von dem Leitungszustand, den die einzelnen
Transistoren 44, 45 gerade einnehmen.
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Der Kollektoranschluß des Transistors 45 ist an die Basis des Transistors
40 angeschlossen, so daß, wenn der Transistor 45 eingeschaltet ist, ein Basisstrom
für den Transistor 40 erzeugt wird, der diesen ebenfalls einschaltet. Der Kollektoranschluß
des Transistors 44 liegt am Eingangsanschluß 41. Mit 52 und 53 sind zwei Widerstände
bezeichnet, über die die Basis des Transistors 40 an ein festes Potential +E angeschlossen
ist, das hinreichend hoch ist, um den Transistor 40 abzuschalten, wenn der Transistor
45 abgeschaltet ist.
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Wie bereits bemerkt, ist der Gesamtstrom der beiden Transistoren 44,
45 konstant. Abgesehen von der weiter unten noch zu beschreibenden Zenerdiode 55,
ziehen die beiden Transistoren 44, 45 Strom aus dem Eingangsanschluß 41, und der
Transistor 45 zieht außerdem Strom über die Widerstände 52 und 53. Wenn man von
dieser Widerstandsserienschaltung absieht, ziehen die beiden Transistoren 44, 45
einen konstanten Strom vom Tiefpaßfilter 16. Mit 55 ist die bereits erwähnte Zenerdiode
bezeichnet, die zwischen dem Eingangsanschluß 41 und einem Schaltknoten zwischen
den Widerständen 52, 53 geschaltet ist. Diese Zenerdiode 55 dient dazu, den über
den Eingangsanschluß 41 gezogenen Strom konstant zu halten, unabhängig von einem
Steuersignal für den Schalter 26.
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Die Funktion der Zenerdiode ergibt sich am besten aus einem Operationsbeispiel.
Es sei angenommen, daß der konstante Strom an dem Emitteranschluß am Eingangsanschluß
41 vorliegt, während der Transistor 44 eingeschaltet ist und der Schalter 26 mithin
abgeschaltet ist. Wenn der Transistor 45 eingeschaltet ist, gelangt ein Teil dieses
Stromes an den Eingangsanschluß 41, und zwar über die Basisemitterverbindung des
Transistors 40, der Rest fließt jedoch über die Widerstände 52 und 53 ab. Dieser
Rest würde den Strom am Eingangsanschluß 41 ändern. Mit anderen Worten, wenn sich
die Basisspannung des Transistors 40 ändert, dann ändert sich auch der Strom, der
nötig ist, um den Schalter 26 zu schalten.
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Die Zenerdiode 55 jedoch zieht den über den Widerstand 53 fließenden
Strom vom Widerstand 52 ab zum Eingangsanschluß 41. Auf diese Weise verringert die
Zenerdiode die erwähnten Stromschwankungen am Eingangsanschluß 41.
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Der Schalter 26 kann auch anders gestaltet werden. Er weist einen
Widerstand 46 auf, der an ein festes Potential -E3 einer Stromquelle angeschlossen
ist. Eine entsprechende Stromquelle kann in bekannter Weise darin bestehen, daß
ein Transistor mit einem Kollektorpotential an die gemeinsame Verbindung der Emitteranschlüsse
der Transistoren 44 und 45 angeschlossen ist, während er mit seinem Emitteranschluß
an den freien Anschluß des Widerstandes 46 angeschlossen ist und mit seiner Basis
an einem festen Spannungspotential liegt. Der Widerstand 49 die Diode 50 und der
Widerstand 46 oder eine entsprechende Schaltung dienen dazu, den Gesamtstrom an
den Kollektoranschlüssen der Transistoren 44,45 konstant zu halten. Diese Teile
der Schaltung können also ersetzt werden durch andere Schaltmittel, die die gleiche
Funktion haben. Durch den Widerstand 52 wird eine Aufladung nach Maßgabe der eingespeisten
Spannungen bewirkt. Dieser Effekt ist aber nicht bedeutungsvoll, er kann leicht
durch die bereits beschriebene Zenerdiode 55 oder dadurch vermieden werden, daß
man den Widerstand 52 durch eine transistorierte Stromquelle ersetzt, wie sie eben
als Alternative für den Widerstand 46 beschrieben wurde.
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In einem solchen Fall kann man auf die Zenerdiode 55 verzichten und
diese durch einen Widerstand ersetzen.
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Der Verstärker 27 hat einen großen Innenwiderstand und weist einen
Transistor 60 auf, dessen Emitteranschluß über einen Widerstand 61 an ein Spannungspotential
-E3 angeschlossen ist. Im Kollektorkreis des Transistors 60 liegt ein Widerstand
62. Mit 63 ist ein Transistor umgekehrter Leitungsrichtung bezeichnet, der auf Spannungsänderungen
über dem Widerstand 62 anspricht und in Phase mit dem Emitter des Transistors 60
in den Widerstand 61 einspeist. Die Verstärkerschaltung des Verstärkers 27 ist soweit,
wie bis jetzt beschrieben, bekannt. Die Schaltung nach der Erfindung weist darüber
hinaus noch einen dritten Transistor 65 auf, der in den Kollektorkreis des Transistors
60 geschaltet ist und dessen Basisanschluß an dem Kollektoranschluß des Transistors
63 liegt. Die Transistoren 63 und 65 arbeiten mithin mit hoher positiver Rückkopplung
zusammen.
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Die Schaltung weist außerdem in dem Kollektor=
kreis
des Transistors 63 einen Widerstand 67 auf, über den einstellbar ein positives Rückkopplungssignal
über den Widerstand 68 an die Basis des Transistors 60 gelangt, wodurch der Transistor
60 gleichstrommäßig vorgespannt wird.
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Mit 70 ist eine Zenerdiode bezeichnet die über den Widerstand 67 geschaltet
ist und eine vorbestimmte Spannung zwischen dem Emitteranschluß des Transistors
60 und dem Kollektoranschluß des Transistors 63 aufbaut. Mit 71 ist eine Diode bezeichnet,
die an den Emitteranschluß des Transistors 60 angeschlossen ist und im. Kollektorkreis
des Transistors 63 liegt und als Temperaturkompensation dient.
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In der Emitterfolgeschaltung aus dem Transistor 63 und dem Widerstand
61 besteht über die Basis-Emitter-Verbindung des Transistors 60 und dem Widerstand
61 eine nur kleine Impedanz zwischen dem Basisanschluß und dem Massepotential. Die
Transistoren 60 und 63 dienen dazu, die Eingangsimpedanz des Verstärkers heraufzusetzen.
Die Eingangsimpedanz kann man durch den Basis-Kollektor-Widerstand des Transistors
60 begrenzen. Der Verstärker 27 eliminiert den Ladeeffekt des Basis-Kollektor-Widerstandes,
indem er die Kollektorspannung des Transistors 60 entsprechend ändert und damit
Änderungen der Basis-Kollektor-Spannung kompensiert.
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Die Spannung am Kollektoransehluß des Transistors 60 ist die gleiche
wie am Emitteranschluß des Transistors 65 und wird daher durch die Spannung am gemeinsamen
Anschluß des Kollektors des Transistors 63 und der Basis des Transistors 65 gesteuert.
Der Schaltkreis zwischen dem Kollektoranschluß des Transistors 63 und dem Emitteranschluß
des Transistors 60- dient dazu, eine Spannung an der Basis des Transistors 65 zu
erzeugen, durch die die Kollektorspannung des Transistors 60 derart geändert wird,
daß sie der Eingangsspannung an der Basis des Transistors 60 folgt. Gleichzeitig
werden Signalspannungen im Kollektorkreis des Transistors 60 dämpfungsfrei durch
den Emitter- und Kollektorkreis des Transistors 65 an den Basiskreis des Transistors
63 geleitet. Dabei ist davon ausgegangen, daß der Transistor 65 nicht vorhanden
ist. Wenn der Transistor 65 nicht vorhanden wäre, wären die Basisspannungen und
die Kollektorspannung am Transistor 60 nicht in Phase. Der Eingangswiderstand des
Verstärkers 27 ist mithin eine Funktion aus dem Produkt der Verstärkung des Transistors
60 und der Parallelkombination des Basis-Kollektor-Widerstandes der Transistoren
63 und 65. Der Eingangswiderstand ist höher als bei bekannten Emitterfolgeschaltungen,
und zwar um die Stromverstärkung des Transistors 60.
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Die für den Verstärker 27 beschriebenen Mittel, den Eingangswiderstand
hoch zu machen, können auch bei anderen Schaltungen, wie z. B. Eingangsschaltungen
für Vakuumröhren oder Feldeffekttransistoren, Verwendung finden. Solche Schaltelemente
haben zwar einen hohen Widerstand zwischen ihrem Steueranschluß und anderen Anschlüssen,
sie haben aber Kapazitäten, die den Betrieb der Schaltungen bei hohen Frequenzen
beeinträchtigen. Wenn man die Spannung zwischen dem Emitter oder einem Bezugspotential
einerseits und dem Kollektor oder einem Ausgangsanschluß andererseits bei solchen
Eingangsverstä.rkerschaltungen Null macht, dann wird die Basis- oder Eingangskapazität
solcher Schaltungen verringert. Der Amplitudendetektor 14 ist von üblicher Bauart
und deshalb auch nur im Blockdiagramm dargestellt. Dieser Amplitudendetektor kann
eine Diodenschaltung mit Gleichrichterwirkung enthalten. Der Detektor kann z. B.
eine Wicklung aufweisen, die in der Mitte an Massenpotential angeschlossen ist und
deren beide Enden über je eine Diode am Ausgangsanschluß liegen, so daß der Amplitudendetektor
als Doppelweggleichrichter wirkt.
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Der Umformer 15 arbeitet logarithmisch und ist dann vorgesehen, wenn
das Eingangssignal logarithmisch verarbeitet werden soll. Solche Umformer sind bekannt.
Ein solcher Umformer kann z. B. aus einem Verstärker mit einer niederspannigen Zenerdiode
bestehen, die vom Ausgang an den Eingang rückgekoppelt ist, so daß der Verstärker
eine logarithmische Charakteristik erhält.
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Das Tiefpaßfilter 16 kann ein passives Netzwerk sein, bestehend aus
Widerständen u. dgl., es kann aber auch ein integrierender Verstärker sein oder
eine Kombination aus einem Schalter und einer Kapazität und einem Verstärker entsprechend
den Elementen 25, 26 und 27, die an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen sind,
derart, daß sich die Kapazität periodisch mit dem Schalten des Schalters 26 ändert.
Eine solche Schaltung enthält einen weiteren, dem Schalter 26 entsprechenden Schalter,
der die integrierende Kapazität entlädt und über eine Verzögerungsleitung auf das
Eingangssignal anspricht. Die Verzögerungsleitung entkoppelt die beiden Schalter.
Der Verstärker am Ausgang des Tiefpaßfilters hat vorzugsweise niedrigen Ausgangswiderstand,
so daß der geringfügige Ladungseffekt des Schalters 26, der bereits beschrieben
wurde, reduziert wird.
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Der Differenzverstärker 17 weist vorzugsweise zwei Transistoren und
einen Widerstand in bekannter Schaltung ähnlich der der Elemente 44, 45 und 46 auf.
Für den an den Eingangsanschluß 18 angeschlossenen Kreis ist eine sperrende Vorspannung
als Schwellwert vorgesehen, die auch an den Basisanschluß des zugehörigen Transistors
gelangt. Die Schwellwertspannung kann von einem einstellbaren Potentiometer, über
das eine Gleichspannung gelegt ist, abgegriffen werden. Durch diese Schwellwertspannung
werden Eingangssignale am Anschluß 18 ferngehalten, bei denen die Signalamplitude
aus Eingangssignal zuzüglich Geräuschpegel unter einem bestimmten Wert liegt. Auf
diese Weise wird ein bestimmtes voreinstellbares Schwellwertniveau eingestellt,
und das Signal auf der Leitung 20 addiert zu diesem Schwellwertniveau ein Spannungsniveau,
das dem Mittelwert des Geräuschpegels entspricht.
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Der Differenzverstärker 17 wird übersteuert, so daß sein Ausgang nur
zwei Werte annehmen kann, die das Vorhandensein bzw. die Abwesenheit des Eingangssignals
am Eingangsanschluß 12 anzeigen.
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Bei der beschriebenen Schaltung ist der Ausgang am Ausgangsanschluß
13 binär. In Abänderung des dargestellten Ausführungsbeispiels kann die Anordnung
auch so getroffen werden, daß das Ausgangssignal am Ausgang 13 analog ist. In einem
solchen Fall ist der Differenzverstärker 17 als linearer Verstärker ohne Schwellwert
ausgebildet und erzeugt ein Signal nach Maßgabe der Differenz der auf den Leitungen
18 und 20 eingespeisten Spannungen. Da der Umformer 15 logarithmisch arbeitet, entspricht
eine Subtraktion der beiden logarithmischen Werte in
dem Differenzverstärker
dem Signalquotienten. Demzufolge wird bei dieser Abänderung am Ausgang ein Signal
auftreten, das das Verhältnis des Eingangssignals am Eingangsanschluß 12 zum Durchschnittswert
des Geräuschpegels anzeigt. Die Steuerung des Schalters 26 erfolgt in diesem Fall
auf andere Weise, z. B. durch einen besonderen, übersteuerten Differenzverstärker.