DE1591276A1 - Wobbel-Oszillatorschaltung - Google Patents

Description

Dr. M Ü LL ER-BO R έ Dipl.-I ng. GRALFS Dr. MANITZ DRDEUPEL

PATENTANWÄLTE 1 R Q 1 9 7 P

..'■". Braunschweig, 20.6.1967

Unser Zelchenavl/kl - ΛΪ 736

The Marconi Company Limited English Electric House / Strand London tV.C.2 / England

vVobbel-Oszillat or schaltung

Priorität: Großbritannien vom 23.6.1966 (28087/66)

Die Erfindung betrifft Wobbel-Oszillatorschaltungen. Unter dieser Bezeichnung sind Oszillatoren zu verstehen, deren Frequenz innerhalb eines Frequenzbandes in vorgegebener Art verändert oder "gewobbelt" wird. Hauptziel der Erfindung ist, die Schwingungen eines Wobbel-Oszillators mit Schwingun gen einer beliebigen ausgewählten Frequenz von einer anderen Quelle innerhalb des gewobbelten Frequenzbandes kohärent (phasenstarr) zu machen.

Bei Radarsystemen vom sogenannten Impulskompressionstyp, die auf der Senderseite mit einen linearen oder nahezu linearen Frequenzhub arbeiten, ist e* üblich, den Wobbeihub mittels eines dispersen Netzwerks oder einer Vorrichtung, der ein

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. ORIGINAL INSPECTED *

kurzer Impuls der Trägerfrequenz zugeführt wird und die daraus einen längeren Impuls der gewobbelten Frequenz ableite.t, zu erzeugen. Es ist jedoch manchmal schwierig, in das disperse Netzwerk oder in die Vorrichtung einen kurzen Impuls mit hinreichender Energie einzuspeisen, um einen gewobbelten · Ausgangsimpuls mit hinreichend großen Störabstand zu erzeugen. Darüberhinaus gibt es praktische Schwierigkeiten bei der Auslegung und Herstellung derartiger Schaltungen, bei denen disperse Netzwerke oder Einrichtungen für den in Frage stehenden Zweck verwendet werden. Derartige Einrichtungen können teuer werden. In vielen Fällen führt die Verwendung eines Wobbel-Oszillators zur Erzeugung des erforderlichen Hubs zu wesentlichen praktischen Vorteilen, jedoch ist es bei einigen Radarsystemen (beispielsweise bei Bewegtziel-Radarsystemen und bei Doppler-Impuls-Radarsystemen) erforderlich, von Impuls zu Impuls Phasenstarrheit mit einer ungedämpften Bezugsschwingung (C#) herzustellen. Dies ergibt keine großen Schwierigkeiten, wenn der Wobbeihub durch ein disperses Netzwerk oder eine entsprechende Einrichtung erzeugt wird, weil die erfor derliche Phasenstarrheit dadurch erzielt werden kann, daß die Bezugsschwingung als Träger in dem kurzen Impuls, der dem dispersen Netzwerk zugeführt wird, verwendet wird. Gegenwärtig bekannte Wobbel-Oszillatoren können nur sehr schwierig im vorgenannten Sinn phasenstarr gemacht werden, und es ist schwie rig, von ihnen eine ungedämpfte Schwingung abzuleiten, die als Bezug benutzt werden könnte. Die Erfindung zielt darauf ab, Mittel zu schaffen, um einen Wobbel-Oszillator mit einer Bezugs-

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schwingung beliebiger Fr. quenz innerhalb des v/obbelbandes phasenstarr zu machen.

Gemäß der Erfindung im weitesten Sinne enthält eine tfobbel-Oszillatorschaltung einen sVobbel-üszlllator und Mittel, die einen Phasendetektor enthalten, der Schwingungen des Oszillators mit einer ungedämpften Bezugsschwingung vergleicht, um die Oszillatorfrequenz -außerhalb eines geforderten tfobbelbereiches zu modulieren und so Phasenstarrheit zwischen der Bezugsfrequeiizquelle und dein Oszillator herzustellen.

Nach einem Merkmal der Erfindung enthält eine Wobbel-Oszilla— torschaltung einen Wobbel-Oszillator, eine Bezugsfrequenzquelle, einen Phasendetektor, dem die Schwingungen von dem Oszillator und die Bezugsfrequenz zugeführt werden, sowie Mittel zur Ausnutzung der Phasenumkehr, die im Ausgangssignal des Detektors auftritt, wenn die gewobbelte Oszillatorfrequenz durch die Bezugsfrequenz hindurchläuft, um die Frequenz des Oszillators außerhalb eines geforderten AVobbelbereiches zu verändern und ihn so mit der Bezugsfrequenzquelle phasenstarr zu machen. Um die Oszillatorfrequenz während der Perioden zwischen den Wobbeihüben zu steuern, ist es günstig, eine Diode zu verwenden, der eine Bezugsspannung zugeführt wird, die vom Ausgangssignal des Detektors verändert wird und zum Festhalten (catch) des ffobbelhubendes verwendet wird.

Vorzugsweise wird das Ausgangssignal des Phasendetektors bei ^!

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jedem ffobbelhub ausgetastet, um den Teil des Ausgangssignals, in dem die Frequenz des Oszillators die Bezugsfrequenz approximiert, abzutrennen. Der abgetrennte Teil wird zur Steuerung der Oszillatorfrequenz herangezogen. Ist die Wobbelfolgefrequenz des Oszillators nicht sehr hoch, so ist es in der Praxis unbefriedigend, das Phasendetektor-Ausgangssignal direkt zur Frequenzsteuerung des Oszillators zu verwenden. Die Abtrennung des genannten Teils kann jedoch durch eine Torschaltung, die durch Impulse von einer Impulsquelle, welche die Wobbelfolgefrequenz des Oszillators bestimmt, angeet-eee^t. wird, leicht bewirkt werden. Eine hohe ffobbelfolgefrequenz wird in dem Oszillator bevorzugt verwendet. Ist diese jedoch zu hoch für eine Oszillatorschaltung, die Teil eines Radarsystems ist, so können ausgewählte Wobbeihübe, die eine geringere Folgefrequenz haben, hierzu ausgetastet werden, beispielsweise mit Hilfe einer Torschaltung, die durch Impulse geöffnet wird, welche von einem Frequenzteiler abgeleitet werden, der mit Impulsen von einer Impulsquelle, die auch die Wobbelfolgefrequenz 'des Oszillators bestimmt, angesteuert wird.

Anstelle einer Austastung des Ausgangssignals des Phasendetektors kann dieses auch über Tief- und Hochpaßfilter geführt werden, um höhere Schwebungsfrequenzen sowie Gleichstromanteile auszufiltern, und dann einem Detektor zugeführt werden, dessen Ausgangssignal die Frequenzsteuerung des Wobbel-Oszlllators bewirkt.

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Vorzugsweise vvird das von dem Phasendetektor abgeleitete Ausgangssignal zur Steuerung der Oszillatorfrequenz dem Oszillator über ein Filter zugeführt, das einen Koppelschaltkreis enthält, der eine kleine S^euerSpannungskomponente mit einer hohen Grenzfrequenz und eine sehr viel größere Spannung, die wirksam integriert ist, liefert.

Die Erfindung ist nachfolgend in Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben, Dabei zeigen die Zeichnungsfiguren l(a),(b) und (c), sowie die Figuren 4 und 7 erläuternde Diagramme, die Figuren 2, 3 und 5 vereinfachte Blockschaltbilder von Ausführungsformen der Erfindung und die Figuren 6 und 8 Einzelschaltbilder.

Wird ein Teil des Ausgangssignals von einem Wobbel-Oszillator dem einen Eingang eines Phasendetektors zugeführt, dessen anderem Eingang eine ungedämpfte Bezugsschwingung zugeführt wird, so ist das Ausgangssignal des Phasendetektors nach Ausfilterung der beiden Eingangsfrequenzen die Differenzfrequenz, die gegen Null geht, wenn die Oszillatorfrequenz sich der Bezugsfrequenz nähert, und nach Durchlauf durch diese Bezugsfrequenz wieder ansteigt. Die drei Diagramme (a), (b) und (c) der Figur 1 zeigen drei verschiedene Phasenlagen im Synchronzeitpunkt. Alle drei Schaubilder zeigen die gleiche Frequenz und bei allen besteht Phasenstarrheit mit der Beilugsschwingung. Dazwischen zeigen die drei Diagramme den Phasenbereich ( bei Synchronismus ), über den Phasenstarr-

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heit gehalten werden kann. Die Figuren 1 (a) und t (c) zeigen entgegengesetzte Extremfälle und Figur 1 (b) zeigt eine mehr mittlere und daher "sichere" Einstellung. »Yiedaraus ersehen werden kann, ist der Bereich, in dem die beiälen Eingangsfrequenzen des Detektors nahezu gleich sind, eine breite "Schleife" der Phasenumkehr, wobei Lage und Vorzeichen der Schleife von den relativen Phasenlagen am Kohärenzpunkt abhängen. Besteht keine Kohärenz (Phasenstarrheit) zwischen den beiden Eingangsfrequenzen, so ändert sich die Lage der Schleife von tfobbelhub zu Wobbeihub, nach Erzielung der Phasenstarrheit ist die Lage der Schleife jedoch festgelegt. In extremen Phasen-r lagen ist sie vorwiegend positiv oder vorwiegend negativ wie in den Figuren 1 (a) und 1 (c).

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Teil des Detektorausgangssignals, in dem die Schleife auftritt, ausgetastet, um ein Kohärenz-Fehlersignal abzuleiten, das in einem Servo-Rückkopplungskreis dazu dient, die Oszillatorphasenlage in diesem Bereich des Wobbeihubs im wesentlichen konstant zu halten.

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Ein geeigneter Weg,dies zu erzielen,ohne den Wobbeihub dabei in anderer Weise zu verändern,besteht darin,das rückgeführte Fehlersignal zur Steuerung der Oszillatorfrequenz während der Perioden zwischen den Wobbeihüben anzuwenden.Eine Art,dies durchzuführen,besteht darin,das Ende des Wobbeihubs durch eine Diode,der eine vom Ausgangssignal des Detektors veränderte Bezugsspannung zugeführt wird,festzuhälten (catch).

Zweifellos arbeitet die Servosteuerung der Oszillatorfrequenz am schnellsten und stabilsten,wenn die Folgefrequenz des Kebbelhubs hoch ist.Bei vielen Radarsystemen ist jedoch die geforderte Folgefrequenz der Wobbeihübe ziemlich- niedrig. Diese Schwierigkeit kann dadurch überwunden werden,daß in Oszillator eine hohe Wobbelhub-Folgefrequenz verwendet wird und eine getastete Ausgangs-Torschaltung vorgesehen ist,die für die Verwendung in der Radareinrichtung lediglich Wobbelhüfae,die mit relativ geringer Frequenz aufeinander folgen, austastet,statt alle Hübe hindurchzulassen.Figur 2 zeigt in Form eines Blockschaltbildes eine Ausführungsforn,bei der dies erfolgt.

Gemäß Figur 2 wird ein Wobbel-Oszillator 1 in seiner Frequenz über ein gewünschtes Band gewobbelt und zwar alt einer Folgefrequenz, die durch einen impulsgenerator 2,welcher impulse mit relativ hoher Pulsfolgefrequenz liefert,bestimmt ist. Die Impulse vom Generator 2 werden außerdem einem Zähler

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oder einem andersartigen Frequenzteiler 3 zugeführt,der Impulse mit einer geringeren Folgefrequenz ableitet,die durch die Radareinrichtung gefordert wird.Diese Impulse werden zum Öffnen eines Ausgangs-Torschaltkreises 4 verwendet, der die Wobbeihübe des Oszillators 1 dem Teil der Radareinrichtung (nicht dargestellt),in dem sie verarbeitet werden,zuführt.In dieser Weise wird die Wobbelhub-Folgefrequenz im Ausgangssignal der Torschaltung 4 so geformt,daß sie einen gewünschten. Bruchteil der Folgefrequeriz im Ausgangssignal des Oszillators 1 darstellt. .

Das Ausgangssignal des Oszillators 1 wird als ein, Eingangssignal einem Phasendetektor 5 zugeführt,dessem anderen Eingang eine ungedämpfte Bezugsschwingung (CW) von einer nicht dargestellten Quelle über Klemme 6 zugeführt wird.Das Ausgangssignal des Detektors 5 wird einer austastenden Torschaltung 7 zugeführt,die einmal während jedes Wobbeihubs des Oszillators 1 durch Impulse von der Quelle 2 geöffnet wird.Die Impulse von der Quelle 2 werden der Torschaltung über eine yerzögerungsschaltung 8 mit vorgegebener Verzögerung zugeführt.Bei geöffnetem Tor 7 wird der gewünschte Teil des Ausgangssignals des Detektors 5 ausgetastet,d.h.durchgelassen. Das Ausgangssignal der Torschaltung 7 wird nach geeigneter Filterung durch ein Filter 9 zur Steuerung der Frequenz des Wobbeloszillators 1 außerhalb eines gewünschten Wobbeibereichs verwendet,um dessen Phasenlage mit der der Bezugsquelle phasenstarr zu machen und so Kohärenz mit den Bezugs-

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schwingungen zu erzielen und einzuhalten.

Ist die Wobbelhub-Folgefrequenz des Oszillators 1 hoch genug gewählt -beträgt beispielsweise die Folgeperiode das Doppelte der Dauer eines Wobbeihubs - ,so kann das Tor 7 (einschließlich seines Steuerschaltkreises mit der Verzögerungseinrichtung 8 ) entfallen und das Ausgangssignal des Detektors 5 kann,wie in Figur 3 dargestellt,direkt dem Filter zugeführt werden,weil bei einer derartig hohen Wobbelhub-Folgefrequenz eine hinreichende phasenabhängige Gleichstromkomponente am Ausgang des Detektors für die Steuerung zur Verfügung steht.

Ist die Anzahl der Schwingungen in jeden Wobbeihub des Oszillators zu hoch,um eine zuverlässige Frequenzsteuerung des Oszillators direkt durch den Phasendetektor 5 (wie in Fig.3 dargestellt) zu erzielen,so kann die Anwendung der austastenden Torschaltung 7 gemäß Figur 2,die von der Impulsquelle 2 über die Verzögerungsschaltung 8 angesteuert wird,entfallen und statt dessen ein Tiefpaßfilter zur Ausfilterung höherer Schwebungsfrequenzen im Ausgangssignal des Phasendetektors und ein Hochpaßfilter zur Äusfilterung der Gleichstromanteile,die durch die Unsymmetrie der im Phasendetektor verwendeten Dioden entstehen,vorgesehen werden. Es muß dann ein Detektor vorgesehen werden,der die Differenz zwischen positiven und negativen Spitzenspannungen auswertet. Eine derartige Differenz tritt in Abhängigkeit von der Phasen-

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lage auf,da die "Schleife" eine von Null verschiedene Basislinie fordert,damit der durchschnittliche Strom null ist,ausgenommen wenn die relative Phasenlage null ist. Figur 4 zeigt dies grafisch in herkömmlicher Darstellung über die Zeit t aufgetragen.Die bei der relativen Phasenlage null der Phasendetektoreingängssignale auftretende Schleife liegt bei L.Ist V+ die Spannung der ersten positiven Spitze vor der "Schleife" und V- die Spannung am Boden der "Schleife",so wird die Spannung nach Passieren der Schleife asymptotisch wie angedeutet zu (V+) - (V-) .Figur 5 zeigt eine derartige Schaltung.Hierbei bezeichnet 10 das Tiefpaßfilter, 11 das Hochpaßfilter und 12 den Detektor zur Auswertung der Differenz zwischen positiven und negativen Spannungsspitzen.Ein derartiger Detektor ist in dem Schaltbild Fig.6 angedeutet.

Die Empfindlichkeit der Phasenlage gegenüber einer Änderung der "Festhaltefrequenz (catching frequency) " des Oszillators soll nun unter Bezug auf Figur 7 betrachtet werden,diese Figur zeigt in grafischer darstellung die Frequenz (f) über die Zeit (t) eines Oszillatorhubes.Der Hub beginnt zur Zeit t = 0,bei der die Frequenz =» f ist.Die Frequenz wird mit einer Geschwindigkeit df/dt =* k gewobbelt,bis zur Zeit t^ die Frequenz f₁ erreicht ist.Diese Frequenz wird gehalten bsji zur Zeit t« ,zu der sie schnelle bis zur Zeit t~ auf ihren Ausgangswert f zurückgeht.Die Rückkehrgeschwindigkeit braucht nicht konstant zu sein,für praktische Zwecke kann

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jedoch angenommen werden,daß zwischen t₂ und t₃ eine konstante Änderung der Phasenlage auftritt.Ist diese Rücklaufperiode t, - t_o wesentlich kürzer als t.-t. — angenommen ein Fünftel oder weniger — so ist jede Phasenverschiebung auf Grund einer Änderung von f sehr viel kleiner als die in der Periode t. - t und kann für die vorliegenden Näherungsbetrachtungen vernachlässigt werden.Es gelten dann die in den folgenden Gleichungen gegebenen Beziehungen.In diesen Gleichungen sind die Phasenlagen und Phasenverschiebungen durch den Buchstaben 0 mit dem entsprechenden Index, der den zutreffenden Zeiten entspricht,bezeichnet.So ist z.B. (?₃ die Phasenlage zur Zeit t₃ und 0₂-3 ^is* ^die Phasenlagenverschiebung zwischen den Zeiten t„ und t, .

f « f + kt ^X
ο

f= f. » f + kt' *2 ■■■·■■".■■

t₃
0q_3 ^a konst. (künftig angenommene

*2 Konstante )

1*1

rj

2irj ( f_s + kt ) dt + 2irj ( f_g + Kt₁ ) dt

ο *

2 ^kt? ⁺ -^e ^{+ ktl}

(aus 2 )

¹I " ^(fl -^f ₈ > ^k

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2ir

somit: s

d 0- / df. = 2tf7t₉ -( f. -f ) k/

Beträgt beispielsweise f_g » 47 MHz.,f^ = 73 MHz.,t₂ = und k = 5 MHz.,dann ist d0₃/ Uf₁= 2 (8 -26/5) « 17,6 =17,6 Radianten/MHz.

1Γ Da eine Steuerung nicht über mehr als I Radianten ausgeübt werden kann,braucht f. nicht über mehr als 0,18 MHz verändert zu werden.Dies ist nur ein kleiner Anteil des Gesamthubes (0,7%). ,

Eine besere Steuerwirkung mit schnellerer Phasenverriegelung (locking) und einem größeren Verriegelungsbereich kann erzielt werden,indem im Filter 9 ein Koppelschaltkreis enthalten ist,der eine kleine SteuerSpannungskomponente mit einer hohen Grenzfrequenz und eine sehr viel größere integrierte Spannungskomponente liefert.Figur 8 zeigt eine deratige Koppelschaltung.

Nach Figur 7 wird vorausgesetzt,daß die O_szin_atorfrequenz aufwärts gewobbelt wird,d.h.von einem tieferen zu einem höheren Betrag der Frequenz.Die Anwendung der Erfindung ist

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jedoch nicht auf diesen Fall beschränkt und ist gleichermaßen möglich,wenn die Frequenz abwärts gewobbelt wird,da entweder die höhere oder die tiefere Frequenz festgehalten werden und zur Steuerung verwendet werden kann.Es ist auch möglich,die zur Erhaltung der Phasenstarrheit notwendige Phasenverschiebung - d.h.die allmähliche Änderung der Oszillatorfrequenz -mit anderen als den beschriebenen Mitteln einzuführen.So kann beispielsweise das Ausgangssignal des Phasendetektors zur Erzeugung eines modulierenden Spannungsimpulses entweder auf der wesentlichen modulierenden Reaktanz der Oszillatorschaltung oder auf einer mit dem Oszillator verbundenen unabhängigen Reaktanz verwendet werden.

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Claims (9)

Patentansprüche

1. Wobbel-Oszillatorschaltung,gekennzeichnet durch einen Wobbel-Oszillator und durch Mittel ,die einen Phasendetelctor enthaltender Schwingungen des Oszillators mit einer ungedämpften Bezugsschwingung vergleicht,um die Oszillatorfrequenz außerhalb eines geforderten Wobbeibereichs zu modulieren und so Phasenstarrheit zwischen der Bezugsfrequenzquelle und dem Oszillator herzustellen.

2. Wobbel-Oszillatorschaltung,gekennzeichnet durch einen Wobbel-Oszillator,eine Bezugsfrequenzquelle,einen Phasendetektor, dem die Schwingungen von dem Oszillator und die Bezugsfrequenz zugeführt werden,sowie durch Mittel zur Ausnutzung der Phasenumkehr,die im Ausgangssignal des Detektors auftritt,wenn die gewobbelte Oszillatorfrequenz durch die Bezugsfrequenz hindurchläuft,um die Frequenz des Oszillators außerhalb eines geforderten Wobbeibereichs zu verändern und ihn so mit der Bezugsfrequenzquelle phasenstarr zu machen.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 21,dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Oszillatorfrequenz in den Perioden zwischen den Wobbeihüben eine Diode verwendet wird,welcher eine Bezugsspannung zugeführt wird,die vom Ausgangssignal des Detektors verändert und zun "Festhalten" des Wobbelhubendes verwendet wird.

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4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß das Ausgangssignal des Phasendetektots bei jedem Wobbeihub ausgetastet wird,um den Teil des Ausgangssignals,in dem die Frequenz des Oszillators die Bezugsfrequenz approximiert,abzutrennen,und daß der abgetrennte Teil zur Steuerung der Oszillatorfrequenz herangezogen wird.

5. Schaltung nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet,daß die Abtrennung des genannten Signalanteils durch eine Torschaltung,die durch Impulse von einer Impulsquelle,welche die rtobbeihub-Folgefrequenz des Oszillators bestimmt,angesteuert wird,erfolgt.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß ausgewählte Wobbelhübe,die eine geringere Folgefrequenz haben,für die Anwendung als Wobbelhub-Folgefrequenz ausgetastet werden.

7. Schaltung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet,daß die ausgewählten Wobbelhübe geringerer Folgefrequenz durch eine Torschaltung ausgetastet werden,die durch Impulse geöffnet wird,welche von einem Frequenzteiler abgeleitet werden, der mit Impulsen von einer Impulsquelle,die auch die Wobbelhub-Folgefrequenz des Oszillators bestimmt,angesteuert wird.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch

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gekennzeichnet,daß das Ausgangssignal des Phasendetektors über Tief- und Hochpaßfilter geführt wird,um höhere
Schwebüngsfrequenzen sowie Gleichstromanteile auszufiltern, und dann einem Detektor,dessen Ausgangssignal die Frequenzsteuerung des Wobbel-Oszillators bewirkt,zugeführt wird.

9. Schaltung nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet,daß das von dem Phasendetektor abgeleitete Ausgangssignal zur Steuerung der Oszillatorfrequenz dem Oszillator über ein Filter zugeführt wird,das einen Koppelschaltkreis enthält, der eine kleine äteuerspannungskomponente mit einer hohen Grenzfrequenz und eine sehr viel größere,wirksam integrierte Spannung,liefert*

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