DE1937952A1

DE1937952A1 - Oszillator

Info

Publication number: DE1937952A1
Application number: DE19691937952
Authority: DE
Inventors: Werner Richard Earl
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-07-26
Filing date: 1969-07-25
Publication date: 1970-08-20
Also published as: JPS4816013B1; CH512156A; US3500246A; FR2013836A1; GB1268789A

Description

6793-69/Dr.ν.Β/Ε
RCA 57,933
U.S.Ser.No. 747,909
Piled:July 26, 1968

RCA Corporation

New York N.Y. (V.St.A.)

Oszillator

Die vorliegende Erfindung betrifft einen frequenzveränderlichen Oszillator, dessen Ausgangssignalamplitude im Frequenzbereich des Oszillators im wesentlichen konstant ist.

Prequenzveränderliche Audiosignalgeneratoren finden vielfältige Anwendung bei der elektronischen Signalerzeugung und Verarbeitung. Ein bekanntes Problem besteht darin, einen in einem weiten Frequenzbereich durchstimmbaren Audiofrequenzgenerator anzugeben, dessen Ausgangsspannung unabhängig von Unsymmetrien in den Abstimmkreisen ist. Dieses Problem ist besonders bei Anwendungen akut, wo ein frequenzveränderlicher Oszillator benötigt wird, dessen Ausgangsspannungsamplitude unabhängig von der Frequenzeinstellung ist. Insbesondere gilt dies für genaue Frequenzgangmessungen.

Um bei den üblichen Audiosignalgeneratoren mit RC-Abstimmung einen niedrigen Klirrfaktor zu erreichen, müssen Vorkehrungen getroffen werden, um zu gewährleisten, daß die Schleifenverstärkung für Signalpegel innerhalb des linearen Bereiches der übertragungscharakteristik des rückgekoppelten Verstärkers genau auf dem Wert Eins gehalten wird. In der frequenzselektiven Rückkopplungsschaltung treten jedoch immer unvermeidliche Unsymmetrien auf. Außerdem haben Änderungen des Frequenz- und Phasen-

ganges im Verstärker selbst bei verschiedenen Frequenzeinstellungen Schwankungen der Schleifenverstärkung zur Folge. Eine bekannte Maßnahme zur Stabilisierung der Schleifenversätkrung besteht darin, in der Rückkopplungsschaltung ein Bauelement von der Art einer Glühlampe oder eines Thermistors zu verwenden. Die Glüh4 lampe oder der Thermistor ändern ihren Widerstand mit der Tempe- j ratur, die ihrerseits eine Funktion der Amplitude des an diesem "^: Bauelement liegenden Signales ist. Die Schaltungsanordnung ist ■ dabei so ausgelegt, daß die Rückkopplung durch die Widerstandsänderungen so geändert wird, daß die Verstärkung in der Schleife als Ganzes wieder zurück auf den Wert Eins gebracht wird. Leider ist jedoch eine Abnahme des Signalpegels erforderlich, um die Einrichtung so zu betreiben, daß eine sonst ungenügende Verstärkung erhöht wird. In entsprechender Weise ist eine Erhöhung des : Signalpegels erforderlich, um die Einrichtung so zu steuern, daß ^: eine sonst zu hohe Verstärkung verringert wird. Bei einem typischen Oszillator mit in weiten Grenzen veränderbarer Frequenz kann dabei jedoch die Ausgangssignalamplitude in Abhängigkeit von der Frequenzeinstellung um ein Decibel und mehr schwanken.

Es sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um solche Schwankungen der Amplitude des Ausgangssignales herabzusetzen; So kann .man z.B. das Ausgangssignal verstärken, gleichrichten, filtern und nötigenfalls nochmals verstärken. Das resultierende Gleichspannungssignal wird dann der Glühlampen-, Thermistor- oder Photoleiterschaltung zugeführt, die zur Steuerung der Schleifenverstärkung dient. Durch diese Maßnahmen wird die Regelabweichung verringert. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zur Regelung der Ausgangsspannung an den Ausgangskreis einen Verstärker mit automatischer Verstärkungsregelung, eine Kompressorschaltung oder einen Begrenzer anzuschließen. Diese Maßnahmen erfordern jedoch leider eine ziemlich lange Regelzeitkonstante, damit der Verstärkungsgrad nicht dem Signalverlauf folgt und hierdurch bei niedrigen Frequenzen Verzerrungen auftreten. Je wirksamer die Regelung ist, umso größer muß ihre Zeitkonstante für eine vorgege-

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bene Verzerrung sein. Eine Einrichtung dieser Art mit sehr wirksanier Regelung spricht daher so langsam am, daß bei einer ra- ' sehen Änderung der Frequenzeinstellung beträchtliche Schwankungen der Ausgangsamplitude auftreten. Bei machen Schaltungen set- I zen sogar die Schwingungen kurzzeitig aus. Dies ist jedoch bei der Messung der Frequenzeigenschaften von Einrichtungen sehr lästig. Eine Oszillatorgrundschaltung mit einer Glühlampe oder einem Thermistor als Regelelement, welche genügend schnell anspricht, bezüglich der Wirksamkeit der Regelung jedoch zu wünschen übrig läßt, kann hinsichtlich der Wirksamkeit der Regelung ohne Verlangsamung ihres Ansprechens durch die hier beschriebene Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung verbessert werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Oszillator anzugeben, dessen Ausgangsamplitude im ganzen Frequenzbereich im wesentlichen konstant ist.

Gemäß der Erfindung ist ein Oszillator mit einer Rückkopplungsschaltung, die zur Rückkopplung eines den Verstärkungsfaktor des Oszillators steuernden Signales mit einem Ausgang des Oszillators gekoppelt ist und eine erste sowie eine zweite Impedanz enthält, von denen sich mindestens eine.in Abhängigkeit von der Amplitude des Signals am Oszillatorausgang ändert, gekennzeichnet durch eine Differenzschaltung zum Erzeugen eines Signales mit im wesentlichen konstanter Amplitude vom Oszillator in Abhängigkeit von-der Amplitudendifferenz ,zwischen Spannungen, die effektiv in Beziehung zum Signal am Ausgang und zum Rückkopplungssignal stehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines frequenzveränderlichen Oszillators, wie er für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann;

Fig. 2 ein teilweise in Blockform gehaltenes.Schaltbild eines ersten Oszillatortyps, wie er für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann;

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Pig. 3 ein teilweise in Blockform gehaltenes Schaltbild eines zweiten Oszillatortyps, wie er für die vorliegende Erfindung verwendet werden kann und

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Oszillators mit der Schaltung gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein frequenzveranderlicher rückgekoppel- \ ter Oszillator dargestellt. Der Oszillator enthält einen Ver- ' stärker 1 mit einer ersten Ausgangsklemme 2 und zwei Eingangsklemmen 3 und 4. Bei dem Verstärker 1 handelt es sich um einen Typ, bei dem ein Signal an der einen Eingangsklemme mit Phasenumkehr und ein Signal an der anderen Eingangsklemme ohne- Phasenumkehr verstärkt wird. Zwischen die Ausgangsklemme 2 und die .Eingangsklemme 3 ist eine Rückkopplungsschaltung 5 geschaltet, die ein steuerbares Rückkopplungssignal mit einer Amplitude und Phase, wie es erforderlich ist, um die Schwingungen auf eine gewünschte Frequenz festzulegen, liefert. Zwischen die Ausgangsklem«- me 2 und einen Massepunkt 8 ist eine Teilerschaltung geschaltet, die Impedanzen 6 und 7 enthält. Das an einem Verbindungspunkt 9 \ der beiden Impedanzen auftretende Signal wird auf die Eingangsklemme 4 rückgekoppelt, um die Schleifenverstärkung des Oszillators zu stabilisieren. Um die Klemme 4. mit dem richtigen, den Verstärkungsgrad stabilisierenden Rückkopplungssignal in Abhängigkeit von Signalschwankungen an der Klemme 2 zu versorgen, wird die eine der Impedanzen 6 oder 7 durch eine Einrichtung mit veränderlichem Impedanzwert gebildet. Die Impedanz der Einrichtung ändert sich dabei in Abhängigkeit von der Temperatur oder der Beleuchtung durch eine Lichtquelle, welche wiederum eine Funktion des Signalpegels an der Einrichtung sind. Es sei erwähnt, daß der rückgekoppelte Oszillator gemäß Fig. 1 typisch für den allgemeinen Aufo-.bau solcher Einrichtungen ist. Man kann verschiedene bekannte Oszillatortypen verwenden, wie z.B. Oszillatorschaltungen mit überbrücktem T-Glied oder Wienbrückenoszillatoren. Es kann daher im Speziellen entweder die Impedanz 6 oder die Impedanz 7 veränderlich ausgebildet sein und ob ihr Impedanzwert mit zunehmender Signalamplitude zunimmt oder abnimmt, hängt von

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der speziellen Oszillatorschaltung ab, die für die in Fig. 1 dargestellte allgemeine. Schaltung verwendet wird. Eine der Impedanzen wird also so gewählt, daß sie sich mit dem angelegten Signal im richtigen Sinne ändert, um den Verstärkungsgrad in der Schleife als Ganzes wieder auf den Wert Eins zu bringen, wenn sich das j Signal an der Klemme 2 in einer bestimmten Richtung ändert. j

■ . i

Wenn der in Fig. 1 dargestellte Oszillator z.B. ein :

überbrücktes T-Glied enthält, ergibt sich die in Fig. 2 darge- ; stellte Schaltungsanordnung. Man beachte, daß das frequenzbesäm- ; mende Glied in dem gestrichelten Rechteck 20 bei der Schaltung ' nach Fig. 2 ein Gegenkopplungssignal an die Eingangsklemme 3 lie-^: fert. D.h. also daß das rückgekoppelte Signal der phasenumkehren-: den Eingangsklemme 2 zugeführt wird. Das den Verstärkungsgrad ■ stabilisierende Signal, das an der Klemme 9 entsteht, wirkt da- ^! gegen an der Eingängsklemme k als mitkoppelndes (positiv rück- ; koppelndes) Signal. Dieses Rückkopplungssignal wird also derjenigen Eingangsklemme zugeführt, bei der keine Phasenumkehr eintritt Wenn also das Ausgangssignal an der Klemme 2 wächst, muß die Mit-' kopplung auf die Klemme 4 zur Stabilisierung der Schleifenverstärkung des Oszillators abnehmen. Um dies zu erreichen, wird die Impedanz 6 in Abhängigkeit vom angelegten Signal mit einem positiven Änderungskoeffizienten veränderlich gemacht, während die Impedanz 7 einen festen Wert hat. Ein positiver Koeffizient der Änderung bedeutet definitionsgemäß, daß der Impedanzwert der Einrichtung zunimmt, wenn das an die Einrichtung angelegte Signal wächst. Andererseits kann auch die Impedanz 7 in Abhängigkeit des angelegten Signales mit einem negativen Änderungskoeffizienten veränderlich sein und die Impedanz 6 einen festen Wert haben. Bei einem negativen Anderungskoeffizienten nimmt definitionsgemäß die Impedanz der betreffenden Einrichtung ab, wenn das der Einrichtung zugeführte Signal zunimmt. In beiden Fällen hat eine Zunahme des Signals an der Klemme 2 eine Herabsetzung des Anteiles der Mitkopplung auf die Klemme 4 zur Folge, weil eine Zunahme des Signals an der Klemme 2 das Verhältnis der Impedana 7 zur Impedanz 6 ändert * ,

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Wenn der Oszillator gemäß Fig. 1 als Wienbrückenoszillator ausgebildet ist, ergibt sich als weiteres Beispiel die in i Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung. Man beachte, daß das ' frequenzbestimmende Glied im gestrichelten Rechteck 30 bei der Schaltungsanordnung nachFig. 3 ein mitkoppelndes Signal an die Eingangsklemme 3 liefert. Das den Verstärkungsgrad stabilisierende Signal, das an der Klemme 9 erzeugt wird, bewirkt andererseits : eine Gegenkopplung auf die Eingangsklemme 4. Wenn also das Ausgangssignal an der Klemme 2 zunimmt, muß auch die Gegenkopplung auf die Klemme 4 zunehmen, wenn die Schleifenverstärkung des Oszillators stabilisiert werden soll. Um dies zu gewährleisten, kann die Impedanz 7 in Abhängigkeit vom angelegten Signal mit einem positiven Änderungskoeffizienten veränderlich ausgebildet sein, während die Impedanz β dann einen festen Wert hat. Andererseits kann man auch die Impedanz 6 als signalabhängig veränderliche Impedanz mit einem negativen Anderungskoeffizienten ausbilden, wobei dann die Impedanz 7 einen festen Wert hat.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert, welche das Schaltbild eines frequensveränderlichen Oszillators des oben erläuterten Typs in Verbindun-g mit einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung zeigt. Der Einfachheit halber wird angenommen, daß es sich bei dem Oszillator gemäß Fig. 4 um einen Oszillator mit überbrückten! T-Glied, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, handelt, wobei die Impedanz 6 eine veränderliche Impedanz mit positivem Änderungskoeffizienten ist und die Impedanz 7 einen festen Wert hat. Selbstverständlich läßt sich der Erfindungsgedanke auch auf andere frequenzveränderliche, rückgekoppelte Oszillatoren mit anderer Anordnung der veränderlichen Impedanz,als oben erläutert wurde, anwenden.

Der Oszillator gemäß Fig. 4 enthält eine frequenzbestimmende Rückkopplungsschaltung 5, die zwischen die Klemmen 2 und 3 des Verstärkers 1 geschaltet ist. Mit der Klemme 2 ist eine Schaltung zur Verstärkungsgradregelung, die die Impedanzen 6 und 7 und die Masseklemme 8 umfaßt, gekoppelt, um ein die Sohle»

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fenverstärkung stabilisierendes Signal auf die Klemme 4 des Verstärkers 1 rückzukoppeln. Mit der Klemme 2 ist ferner eine erste Amplitudeneinstellungsschaltung 40 über eine Leitung 41 verbunden. Eine zweite Amplitudeneinstellungsschaltung 42 ist über eine Leitung 43 mit der Klemme 9 verbunden. Die Ausgänge der Amplitudeneinstellungsschaltungen 40 und 42 sind über Leitungen 44 bzw. 45 mit einer Signaldifferenzschaltung 46 Verbunden. Das Ausgangssignal des Oszillators steht als Signal E_Q an einer Klemme 47 zur Verfügung.

Im Betrieb der in Fig. 4 dargestellten Schaltungsanordnung wird eine erste Aus gangs spannung E₁ von der Klemme 2 abgenommen. Die Amplitude dieser Spannung E₁ kann in Abhängigkeit von der Einstellung des frequenzbestimmenden Gliedes 5 um ein Decibel ; oder mehr schwanken. Wenn die Schleifenverstärkung des Oszillators infolge einer Verstimmung im frequenzbestimmenden Glied 5 oder aus anderen Gründen unter den Wert 1 absinkt, neigen die Schwingungen zum Aufhören und die Amplitude der Spannung E₁ sinkt ab. Hierdurch wird die der veränderlichen Impedanz 6 zugeführte Erregungsspannung herabgesetzt, wodurch wiederum der Impedanzwert der Einrichtung 6 verkleinert wird. Man beachte, daß die Spannung Ep, die an der'unveränderlichen Impedanz 7 entsteht, gleich

ist. Da sich- der Impedanzwert Zg der Impedanzeinrichtung 6 imjselben Sinne wie die Spannung E₁ ändert, ist die prozentuale Änderung der Spannung E₂ nicht so groß wie die der Spannung E₁. Die Mitkopplung Ep/E^ auf die Eingangsklemme 4 nimmt daher zu, bis die Schleifenverstärkung wieder gleich Eins ist und der Oszillator schwingt bei diesem in unerwünschter Weise herabgesetzten Pegel für die Spannung E₁ weiter.

Um ein konstantes Ausgangssignal E zu erzeugen, ist gemäß der Erfindung eine zusätzliche Schaltungsanordnung vorgesehen, um die folgende Beziehung zu realisieren:

E_o = A(K₂E₂ - K₁E₁) = A(K₂E· -KjEJ - K₁Ep

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Dabei bedeuten:

E₁ und E£ die maximale bzw. minimale^ Ausgangsspannung an der Klemme 2 der Grundoszillatorschaltung im Frequenzbereich des Oszillators;

Ep und El die Spannungen an der Klemme 9,die der maximalen bzw. minimalen Spannung an der Klemme 2 entsprechen;

A der Verstärkungsfaktor der Signaldifferenzschaltung 46;

K₁ eine Konstante, die durch die übertragungsfunktion der Amplitudeneinstellschaltung 40 gegeben ist und

Kp eine Konstante, die durch die übertragungsfunktion der Amplitudeneinstellschaltung 42 gegeben ist.

Dann ist

AK₂E₂ - AK₁E₁ = AK₂E₂ - AK₁EJ

K₂(E₂ - E») = K₁(E₁ - Ep

Es sind nun E₂ - Ei = ΔΕ« die im Betrieb auftretende
Änderung der Spannung E₂ im Frequenzbereich des Oszillators und E₁ - E* = AE₁ die im Betrieb auftretende Schwankung der Spannung E₁ im Frequenzbereich des Oszillators, daher ist

3S₁ K₂

Die obigen Gleichungen zeigen, daß an der Klemme 47 der Differenzschaltung 46 ein Ausgangssignal E_Q erzeugt werden kann, das unabhängig von Schwankungen von E₁ und E₂ und damit über den ganzen Frequenzbereich des Oszillators praktisch konstant ist.
Dies wird durch die Schaltung 46 erreicht, die ein Signal erzeugt, das eine Funktion der algebraischen Differenz zwischen der mit
dem geeigneten Faktor K₁ modifizierten Spannung E₁ und der durch den geeigneten Faktor E₂ modifizierten Spannung E₂ ist. Die Differenzsehaltung 46 kann beispielsweise ein Differenzverstärker >

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sein, der so geschaltet ist, daß er ein Ausgangssignal liefert, dessen Amplitude eine Punktion der Amplitudendifferenz der an seinen Eingangsklemmen liegenden Signale ist. Man erhält daher eine praktisch konstante Ausgangsspannung, obwohl die prozentualen Änderungen der Spannungen E₁ und E₂ verschieden sind, da das Verhältnis der absoluten Änderungen der Spannungen E₁ und E₂ im wesentlichen konstant ist.

Um sicherzustellen, daß feste Werte von K₁ und K₂ für einen speziellen Oszillator bestimmt werden können, soll die sta-I bilisierende Rückkopplungsschaltung vorzugsweise eine übertragungsfunktion haben, die sich innerhalb des normalen Bereiches der Ausgangsspannungsänderung ΔΕ^ des Oszillators nicht plötzlich ändert. Das veränderliche Impedanzelement in der den Verstärkungsgrad stabilisierende- Rückkopplungsschleife kann also seine Impedanz in Abhängigkeit vom angelegten Signal linear oder nichtlinear ändern, es soll jedoch vorzugsweise im Bereich der für den speziellen Oszillator zu erwartenden Änderungen des angelegten Signales keine plötzlichen Änderungen der übertragungscharakteristik aufweisen.

Die in Fig. 4 dargestellte Schaltungsanordnung kann dadurch vereinfacht werden, daß man eine der beiden Amplitudenein- j Stellschaltungen 40 oder 42 wegläßt. Mit anderen Worten gesagt, kann der Paktor K₁ oder K₂ dem Verstärkungsgrad 1 entsprechend an-f genommen werden. Der andere Paktor K erhält dann einen geeigneten Wert, der einem Verstärkungsfaktor größer oder kleiner als 1 entspricht. Zum Beispiel ist bei der in Pig. 4 dargestellten Ausführungsform das Verhältnis K₁ZK₂ kleiner als 1,0, da§ AE₂ immer kleiner als AE₁ ist. Man kann also die Paktoren K₁ = 1,0 und K₂ > 1,0 oder K₂ = 1,0 und K₁ < 1,0 oder irgend eine Kombination ] von K₁ und K₃, die das gewünschte Verhältnis, das kleiner als 1,0 ist, ergibt, wählen. Aus Gründen der Einfachheit und Wirtschaft- : lichkeit wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 vorzugsweise der Paktor K₂ gleich 1,0 gemacht und die Amplitudeneinstellschaltung 40 kann dann z.B. ein Widerstandsspannungsteiler, der eine Übertragungsverstärkung kleiner als 1 hat, sein. Die andere Möglichkeit (K₁ = 1,0) würde dagegen eine Einrichtung mit einer

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über 1 liegenden Übertragungsverstärkung erfordern, z.B. einen Verstärker.

. Bei "Verwendung eines Oszillators mit überbrückten! T-Glied gemäß Fig. 1 in der Oszillatorschaltung nach Fig. 4 wurden die folgenden Schwankungen der Spannungen E₁ und E₂ gemessen: Die! Spannung E^ schwankte im Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 kHz zwischen 11,5 und 9*15 V. Dies entspricht einem Schwankungsbereich von etwa 2 dB. Bei derselben Schaltung schwankt die Spannung E₂ im gleichen Frequenzbereich von 2,17 bis 2,33 V. Setzt man den Faktor K₂ = 1, so errechnet sich der Faktor K^ für den betrachteten Oszillator wie folgt:

K. = —1 i = ²?⁷ " ²?³³— = o,158

E₁-EJ 11,5 - 9,15

Mit der Amplitudeneinstellschaltung 40, deren übertragungsverstärkungsfaktor 0,158 betrug, schwankte die Ausgangsspannung E_Q von der Differenzschaltung 46 über den ganzen Frequenzbereich
des Oszillators um weniger als 0,1 dB um den Sollwert.

Claims

Patentansprüche

(l.) Oszillator mit einer Rückkopplungsschaltung, die zur Rückkopplung eines den Verstärkungsfaktor des Oszillators steuernden Signales mit einem Ausgang des Oszillators gekoppelt ist und eine erste sowie eine zweite Impedanz enthält, von denen sich mindestens eine in Abhängigkeit von der Amplitude des Signals am Oszillatorausgang ändert, gekennzeichnet durch eine Differenzschaltung (40, 42, 46) zum Erzeugen eines Signales (E ) mit im wesentlichen konstanter Amplitude vom Oszillator in Abhängigkeit von der Amplitudendifferenz zwischen Spannungen, die effektiv in Beziehung zum Signal (E₁) am Ausgang (2) und zum Rückkopplungssignal (E₂) stehen.
2. Oszillator nach Anspruch 1 mit dessen Ausgang eine die beiden Impedanzen enthaltende TeileranOrdnung gekoppelt ist, um das die Verstärkung steuernde Signal auf den Eingang des Oszillators rückzukoppeln, gekennzeichnet d u r ch■ \ eine Einrichtung (40, 42), die auf ein der Amplitude des Aus- : gangssignales des Oszillators entsprechendes erstes Signal und ein der Amplitude des Rückkopplungssignales entsprechendes zweites Signal anspricht und die Amplitude des ersten und/oder zweiten Signales einzustellen gestattet, und durch eine Signaldifferenzeinrichtung (46),·die mit öer Signaleinstelleinrichtung gekoppelt ist und ein endgültiges Ausgangssignal (E₀) in Abhängigkeit von der Amplitudendifferenz zwischen den durch die Signaleinstelleinrichtung geänderten ersten und zweiten Signalen liefert.

3· Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden des ersten und zweiten Signales entsprechend der Gleichung

miteinander in Beziehung stehen, wobei E. und Ei die maximale

JL J.

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bzw. minimale Signalamplitude des ersten Signales im Frequenzbereich des Oszillators, E₂ und ΕΛ die entsprechenden Signalamplituden des zweiten Signales im Frequenzbereich des Oszillators, K*. und K₂ Konstante entsprechend den übertragungs funktionen der Teile der Signaleinstelleinrichtung, die auf das erste bzw. zweite Signal ansprechen, sind.

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