DE1944792A1 - Regelbarer Oszillator - Google Patents

Description

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Dipping. ERICH E. WALTHER

Patentanwalt
Anmelder: N. V, PHILIPS'GL0BLAMPENFA3RIEKE«

Akfe: PHN- 3350 Anmeldung vomi 1. Sept. 1969

Oszillator"

Die Erfindung bezieht «ich auf einen Oszillator zum Erzeugen einer Spannung, deren Frequenz von einer einzigen veränderlichen Iapedanz abhängig ist, welcher Oszillator ein erstes Phasenverschiebungsnetzwerk, mindestens f-inen Verstärker, eine Phasenumkehrvorrichtung «it einem zweiten Piiasenverschiebungsnetzverk und die Rückkopplung zum Aufrechterhalten des Oszillatorsignals enthält«

Ein derartiger Oszillator ist aus der französischen Patentschrift ^.015,580 bekannt.

Dies bekannte Oszillator enthält gleichfalls ."frs'.f-rici r, zwei Ph ί s (? rs ν er schi ebungsne t zwe r ive xmcl sine

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8ADORtGiMAt

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Rückkopplung, wobei ciie Phasenverschiebungen·tzwerke aus je einer Reihenschaltung eines Widerstandes Ή'. bzw. R^⁵ und eines Kondensators C" bzw. C₂ bestehen. Bei« Durch- ' laufen dieser Netzwerke verschiebt sich da· Öezillatörsignal derart, dass eine Gesantphasenverschiebung von TSO" erhalten wird, wobei die Bedingung erfüiIt wird-, da·· fc U/ R₁C-R₀C, = 1 ist, wobei *** die Kreisfrequenz des erzeugten Signals darstellt. "

Ein Nachteil de· bekannten Oezillators ist derj da·· zwei Impedanzen (R ' und R„) gleichzeitig ±m gleichen Verhältnis geregelt werden' Müssen, dasiit eine proportion' .nale Beziehung' zu der Periodendauer des Oszillatoreignais erhalten oc,er mit nicht zu grositn Widerstahdeänderungeh dennoch ein breite; Frequenzbereich bestriche· werden kann. Auch sind Oszillatoren bekannt, bei denen neben der von au a sen her einstellbaren Iapedans eine sv«ite Isipedans der frequenzbeetieusenden Netswerk· «it eines Regelsystem eingestellt wird, us) eine lineare Besiehung switcher; der Periodendauer oder der Frequenz und der suerst erwähnten Impedanz zu erzielen.

Dies hat den Nachteil, dass -das Hegel sys tesi den Oszillator teuer-und verwickelt macht.

Die Erfindung hat zum Zweck, die erwähnten Nachteile zu beseitigen und¹ hat -den Vorteil, dass eine Messgrösfce, wie ein «id-rataiid, eine Kapazität-oder eine Indultivicäc iinear ιλ «lic· Periodendauer ader Freque; ζ e.i-

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nee Osaillatorsienal e uiagewandelt werden kann. Ebern in denjenigen Fällen, lit denen ein Mea«wertaufnehmer in einen

schwer zugänglichen Rau* mit einem hohen Störpegel ange ordnet ist, ist die proportionale oder umgekehrt proportionale Umwandlung det* Meascrö··« in die Frequenz «ehr Bwecknäaelg« weil ein Frequenzpignal auf zuverlässige Veiae übertragen und digital gemeeeen werden kann. -^

Ein Oasillator der eingangs erwähnten Art let nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das erste PnaaenVerschiebunganetxwerk da· Oazillatoreignal, UJiabhingig von dar frequenz um nahezu 90* in der Phase verachiebt, und,da· «weite PhaaenverSchiebungen«tzwerk, das ata· dar Reihenschaltung eines Widerstände« und einer Reaktans aufgebaut ist, in Kombination nit der Phasenutakehrvorrichtung das Oszillatoreignal gleichfalle, in Abhäneigkalt von dar Frequenz uad von den Vertan der erwähnten !■padaulsen, urn nahecu 90° in der Phase verechiebt, wobei •ine. dieser Iapedansen veränderlich ist und einen Vert hat, dar dar Periodendauer proportional öder umgekehrt proportional ist* ^

Pia Erfindung Wird nachstehend an Hand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es seigen;

Fig. 1 ein Blockachaltbiid dee OezillatofB nach. der Erfindung,

Fig. 2 eine Ausführungsform des ersten verSchiebungsnetzwerks mit Verstärker,

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■- k -

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Fig. 3 ein© andere Ausführungsfor· de« ersten Phaee.nverechiebungenetzwerka _t

Fig. 4 ©ine Aueführungaforn der Phaeenumkehrvorrichtung, . » -■--.-

Fig. 5 eine Phagenurakehrvorrichtung mit Wider« stämden und Verstärker,

Fig. 6 eine Phasenumkehrvorrichtung mit zwei Widerständen und einem Traneistor,

Fig. 7 eine praktiache Auaführungafona dei Ofzillators, - _.- -"■■"-. - _ ... ■'.'■;-...- ......-■-■",,-·-"■..;

Fig. 8 eine andere Auefähruagsform des Ossil-. la tUTS.» unci _;

fig« ^ einen Oszillator nach der Erfindung mit Operationsverstärkern. ,

In Fig. 1 sind die wichtigsten. Beetandteile des Oszillators nach der Erfindung in Form ron Blöcken dargestellt. . ■ ■; „

Block 1 stellt das erate Phaaenverechiebtanganetzwerk dar. Das umlaufende Oezillatorsignal wird beim JDurchl,8ufen dieses Netzwerkes» unabhängig von der Frequenz des Signals, um nahezu 90° in der Phase verschoben. Block 2 .ist. ein Ver*tärker, der gegebenenfalls ein· Aaplitudenregelfunktion erfüllen oder mit dem Block 1 kombiniert sein kann. Block3 ist eine Vorrichtung, die Kit einem jRückköpplüngsyeretä.rkor· versehen sein kann und init deren Hilfe ein Osiillato; signal mit einer Phasenverschiebung

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von O³ bzw* von }8ΐν <?iner Reihenschaltung zweier ganzen Z und Z bzw. M und 5 in Fig. 1 zugeführt wird, wobei eine der Impedanzen ein Widerstand und die andere eine Reaktanz« z.B. eine Kapazität oder ein« InduktiVi" tat, ist.

Zum ErfiiJion der Schwingungsbedingung ist es erforderlich, dass das Oszillatorsignal _Ψ da» am Serbin- · dungspunkt der impedanzen Z- und % erhalten wird, in bezug· auf das Oszillator signal am Eingang der Phasenvunkehrvorrichtung 3 um 90° in der Phase versichob«n ist» Wenn angenommen wird, dass die Amplituden des O°* und des T80⁹-Signals einander gleich sind, was nicht durchaus notwendig ist, ist die Bedingung zum Erhalten des um in der Phase verschobenen Signal*ι W L s R₁ fallö Z, bzw. Z„ = R und Z₀ bzw. Z₁ * ^L, oder tv RC =1, falls Z_ bzw. Z^ = 1/ ¹V C ist. Daraus lässt sich schliessen, dass die folgenden Kombinationen möglich sind:

Die Frequenz ist bei konstanter Induktivität linear vom einstellbaren Widerstand R abhängig^ - die Period.Qndauer ist bei konstantem R linear von der ei«stellbaren Induktivität abhängig} die Periodendauer ist bei konstanter Kapazität

von dem einstellbaren Widerstand abhängig^

die periο4endaiier ist bei konstantem Widerstand v>.n Klar «insteU'barea Kapazität abhängig.

. i· iu'vig'L Ί -itiUt ©ine Enoötufe mit Hi £ to Lt-

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äiur I eietungsversiäikung, zur Trennung; 4©S Ausgange 7 Oszillators von dem freqiienzeujpfindlicnen Teil ⁽tjnd tür Rückkopplung, ge.^eli^nenf a ils in Kombinatton ftfii; idneT¹ Phaseivversehiebung von 180°, dar. Auch kann in 6 «ine Ampliludenregelfunk tion eingebaut sein, ·Ο dass dme gangssigwäL an 7""-ein» konstante Amplitude hat und die • plitud^enanforderunjg der Osziilierungsbedingüng stets füllt wird, ^Λ ' · ■ "

Das erste Phasenverschiebungsnetzwerk 1 ist nach Pig» 3 äiis einein Reihenwiderstand 13 und einem^ Pa« rallelkondensator 1(> auf gebaut, hinter der Bedingung, dase W i^c„ viel grosser als J ist, wird an den Klemmen - 19 und 20 ein Signal erhalten, das in bezug auf da» Signal an den Klerameri T? und IS, dessen Ainpli tttde Φ a„P„ mal kleiner 1st, uni nahezu 90^p verschobön ist.

Es sei beinerkt, dass die Phaeenverschiebung «30° beträgt. Das ifetSBwerk !läset sich vorteilhaft mit dem · Verstärker 2 au eineta Miller-'Xntegrator zusammenbauen, *wie er in Fi jg. 2 dargestellt ist-. Ai'p Eingaäng des y erst αϊ"-k?r$ IO ist ein ReihenwiderstansJ 8 angaordnet, während ein Kondensator 9 »wischen dem Aueg-ang-tind dem Eingaoig angebracht ist. Das Signal an d'en Klemmen .13 l«l4 1** i&tin bezug auf d^a Sigmai an; den iCl^mmen* ~\ 1 und 13 um +90° und het pine W ä^-€„ :klein.eiri» Aiapli tutie,

ir«ii'i die Bedinguiiü erfüllt.' sei|i' mii^s, dass ' L *■■ li^C.Ä --vielals ί Ist, »enn A di£»

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BAD ORiGiNAl

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Verstärker, TO da retellt.,

. Die Phasenumkehrvorrichtung 3 ist nach Fig. k mit einem. Transformator 21 mit Eingangekleaeen Zl/ und für daβ Oszillatoisignal und einer Primärwicklung 22 versehen. Die Sekundärwicklung Z'J Uat eine Mittelanzapfung Zk, Jn bezug auf dip Klemme Zh sind die Signale an den Klemmen 27 und 23 in Gegenphase. Eine Abwandlung der Phaeenuakehrvorrichtung 3 d*r Fig. 1 ist in Fig. 5 dargestellt. Am Eingang eines Verstärkers 31 ist ein Reihenwiderstand 29 mit einein Wert R_r angeordnet, während ein nahezu fleich grosser Widerstand 30 die Rückkopplung zwischen dein Ausgang und den. Eingang des Verstärkers 31 bewirkt. Die Ausgangaspannung an dar Klemme 35 i»t in befcug auf die Eingang {«spannung au den Klemmen 32 und 33 um 180° in der Phase verschoben.

In Fig. C wird das OszillatorsignaJ über die Kleoaen 39 und hO der Basis des Transistors 38 sugeführt. Das O^e-Signal wird über die Klemme 3Γ dem Emitierwiderstand 3? entnommen, vährend das 1b0^c-si^nal dem Kollektorwiderstand 3^if t der einen nahezu gleich groseen Wert R-ς Vi .· der £»it terwiderstand 37 aufweist, über die Klemme ill »ugeführt wird. .

Figure 7 und 8 zeigen ausgearbeitete Schaltbilder der Fig. 1, wobei die Tel!schaltungen nach den Figuren 2, 5 und 6 angewandt sind.

In Fig. 7 bilden der Widerstand kk , der Korideu-

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©AD OBlGlNAL

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i,*tor 45 und der Verstärker k6 «inen Miller-Integrator mit einer frequenzunabhängigen Phasenverschiebung von +90°, während die Widerstände kl und 50 mit dem Verstärker 51 die Phaeenumkehrvorrichtung bilden, an die da· zweite Phasenverschielmngenetzverk, da· aus de» Widerstand ^*8 und dem Kondensator' k9 besteht, angeschlossen ist. Aa Verbindungepunkt von R₉ und C wird ein Signal erhalten, das in bezug auf das Signal an Rg,R„ usi -90° in der Phäse verschoben ist.

Dieses Signal wird dem Emitterfolger 52 zugeführt, wobei die Emitterklesaae 53 als Qsaillatorauegang xent; es erreicht die Kiew· 55 in der richtigeh Phase sum Aufrechterhalten des Ossillatorsicnale. Zur Ueberwachung der Ässplitudenanforderung der OsEillierungsbedlngung oder zur gleichzeitigen Stabilisierung des Ausgang·- signals an der Klemm» 53 ist in der Rückkopplung*!eitung zwischen 53 und 55 eine Regelvorrichtung 5^ angeordnet. Ein© derartig· Hegelvorrichtung kann die Aeplitude dee Oazillatoreignalsmittels spannungsabhängiger Widerstände oder VideretendsteilerV die auch durch in der Sperr« ricfatung vorgespannte Dioden oder Zerier-Dioden gebildet werden können, konstant halten. Auch kann die Leistung · dee Oesillatorsignals nach Umwandlung in Wärme Widerstandsänderungen in Widerständen mit positivesa oder ncgativesi Temperaturkoeffizienten herbeiführen, welche Widerstände in die Verstärker oder in die Rückkopplungaleitung

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8AD0RIGINAL

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des Oszillatorkreises aufgenommen sind. Die Amplitudenanforderung der Oszillierungsbedingung kanr» dadurch erfüllt werden.

Venn der Verzerrungsproeeittsatz des Oszillatorausgangssignals niedrig sein soll und das Ausgangssignal innerhalb enger Grenzen eine konstante Amplitude haben soll, wird vorzugsweise ein Regelkreis mit xien folgenden Elementen angewandt: Das Ausgangssignal des Oszillators wird gleichgerichtet> geglättet und als Gleichspannung in einer Vergleichsschaltung mit einer z.B. von einer Zenerdiode herrührenden Bezugsspannung verglichen. Das verstärkte Differenzsignal dient zur Beeinflussung von Elementen im Qszillatorkreis» die die Schleifenverstärkung bedingen, wodurch eine Regelung der Amplitude des Oszillatorsignals innerhalb enger Grenzen erhalten wird, die durch di· Bestandteile des beschriebenen Regelkreises bestimmt werden* Ausser den oben bereits erwähnten Baitei erneuten mit veränderlicher Spannungs-, Strom-« αύ&χ" ¥iders tandskennlinie kann auch ein dem Liebt eimer !Lichtquelle ausgesetzter lichtempfiiidlicheir Widerstand dung finden« Die Lichtquelle wird vent dem I*Lffereiizsigtial zwi w citen, der Bezugsspamiitijntg undi der Os-' zillatorspannuitg gespeist und d&r licht empfindliche Widerstand kanu einen feil eines zu dem Miller—lEttegrator gehörigen Widerstatides bilden (R^ in Fig. 7_r R.;- iii Fig. B», K_t- in Fig. 9)· ^öa diö¹ Amplitude des

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sich mit ^ RC ändert, kann mittels des lichtempfiixdlicheii El eise» t ft erzielt werden, dass. ■"■ tt* R und somit die Amplitude konstant bleibt, bei der die Phasenbedingung von yu° noch, stets erfüllt wird, wenn **■> RCA viel grosser als X ist {k- - Verstärkung)„

Ia Fig. 8 ist der Millerintegrator 56« -3.7* "3^, der aus dem Widerstand R.q» dem Kondensator C _Q und* dem Transistor 58 besteht,, mit der Phasenuiakahrvorrichtung oü _fe 6 t.,, 62 TrerbxHuien:,, «n die über clera K.ollektorwideratari<i 6,2 und dea Eraitterwiderstand 6T das zweite Phasenver'-schiebungenetawerk 63, 6^ auge»chlQ»sen ist, das aus das Kanderisa;tor C,_o und dem lfidleretandR„_o besteht. Ber Emitterfolger 65 hat am Emitterwi(ierstaa<i δί die tesgang »klemme 69 für dae Oeeillatorsigrial ., Die lungsleituitg Ist zwischen <tem Klemmen. 6ty und 68 brae-ht_e i*nd enthält düLe< obenerwähnte Re gel vorriefet uasg; 6>7 zttr ösizillatiojts- tm<£ .Aa^sli.ttidieai.sta;bi,iisi,erttHsg* / . - ■ . "" Fig:« 9 ze-xgfc einen ßszf-Mator",, der edLneit Midierstandi 73«; edLnes» KundieBtsa-to-r ■ 7'i und einjen yr" 7.2- bestehendleiii MiJLle-r^integra.tosr- und eiße besondiers atisgefeiXdete> FhasenuiniEehirvoiririciittxng mit zwei,teil, Phsseiiverec*la'i-e;b-ting:sKet;z.we?rk e-rt^h-alt» ■ 2-tt

fe wird ei» Öpeirafetionssreiretärlteiir odier ein Differeiiz-79¹-verwe-ßdie>t.. öie EigeKSfeiiaf'ten. eines der ar—

» .J5»B/ ds»·» die* -ElCTgaE-rag&iiapeäanÄ' ist -lu-ndi dass itur die Bi^feiFeEatsiyainaititigen-- zwischeiv.

««© ORfGfNAi-

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Eingängen a und b verstärkt und an Ausgang c wiedergegeben werden, sind bekannt»

Das zweite Phasenverschiebungsnetzwerk, das aus dem Widerstand 16 und dem Kondensator 77 besteht, ist zwischen dem Oszillatorsignal am Punkt A und der gemeinsamen Leitung des Oszillators, z.B. Erde oder Masse, eingeschaltet. Der Verbindungspunkt der beiden Impedanzen ist mit den Eingang b des Verstärker 79 verbunden. Zwischen d·« Ausgang c und dem Eingang a ist ein Rückkopplungswiderstand 78 »it einem Wert R₁I angebracht, wäh- " i-end ausaerdem der Eingang a über den Widerstand 75 mit dem gleichen Wert R^» mit den Punkt A verbunden ist. Das Signal an Ausgang c hat die gleich« Amplitude vie das Signal am Punkt A, aber der Phasenwinkel ist von ^WR C _ abhängig. BeX einen Wert 1 des letzteren Elemente ist der Winkel 90°, wodurch in Kombination mit der Phasenverschiebung des ersten Phaaenverschiebunganetzwerkes die Phfcsenechwingungebedingung erfüllt wird.

Diese'Schaltungsanordnung hat den Vorteil, dass die veränderliche Impedanz, die in Fig. 9 durch den Kondeniiator 77 gebildet ist, mit einer ihrer Klemmen an die gemeinsame Leitung, z.B. Masse oder Erde, gelegt werden kann.

Das Oszillatorsignal am Ausgang c des Verstärkere 79 wird einem Emitterfolger mit Transistor 80 zugeführt und erscheint am Ausgang 82,

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Die Rückkopplungeleitung »retreckt sich vom Au »gang 82 über die Regelvorrichtung 8t zu dein Widerstand 73 des Miller-Integrators,

Aus den Figuren 7. 8 und 9 ist deutlich ersichtlicht, das« eich der Ossiilator einfach ale eine integrierte Halbleiterschaltung aueführen Igest, wobei es nun möglich ist, den Aufnahmer, d.h. den veränderlichen " Widerstand oder KondensatorRg_tR. b«w. C__fC₁₂,C^_ mit

uem Oscillator zusantnsenzubauen, Wodurch ein Messwertaufnehmer er hai ten wird, der seinen Messwert linear in die Periodendauer eines Oszillatorsignals umrandeIt und die« »es Signal aur Verarbeitung abgibt*

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Claims (1)

1. ■ ■".". PHN 3350

   Paten t tmaprüche;

   (1.) Oszillator zum Erzeugen einer Spannung, derea Frequenz von einer einzigen veränderlichen Impedanz abhängig ist, welcher Oscillator ein erstes Phasenverschiebungenetzwerk, mindestens einen Verstärke«·, eine Phaeenumkehrvorrichtung mit einem zweiter» Phasenversehiebungenetzwerk und eine Rückkopplung zum Aufrechterhalten des Oszillatorsignals enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Phasenverschiebungsnetzwerk (l) das Oszillatorsignal unabhängig von der Frequenz um nahezu indder Phase verschiebt, und das zweite Phasenverschiebunganetzwerk, das aus der Reihenschaltung eines Widerstandes Z₁ bzw. 2 und einer Reaktanz Z₂ bzw. Z₁ aufgebaut ist, in Kombination mit einer Phasenumkehrvorrichtung (3) das Oszillatorsignal in Abhängigkeit von der Frequenz und von den Werten der erwähnten Impedanzen gleichfalle um nahezu 90° in der Phase verschiebt, wobei eine dieser Impedanzen (Z₁) veränderlich ist und einen Wert aufweist» der der Periodendauer proportional oder umgekehrt proportional ist.

   2. Oszillator nach Anspruch !,dadurch gekenn— zeichnet, dass da* erste Phasenverschiebungsnetzwerk (1) mit einet» Verstärker (1O) 2fu einem Miller-Integrator zusammengebaut ist. (Fig. 2). " -

   3· Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenumkehrvorrichtuuf, (3} zwei

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   ■' 8ADoBlGiNAi.

   ■'- gleich grosse Widerstände (3A» 37) und,-«»-inen ',' enthält, wobei eine lnpnasekoinponente des üs'z.a ¹La tor si finals an einem Ei.üe eines der Widerstände vorhabe » ist, während eine Gegenphasekoinponente a« einem Ende '!<>s »n~ deren Ifiderstandes entnommen werde« kämi. (Fig. «>} ; k,... Oszillator nach Anspruch 1 oder 3» darfurch ,gekennzeichnet, dass das erste Phasenverschiebungsnetaw.eri. aus einem iieihenwidersίa.id (R ) und einem sich dara;t a,..-schliess.eiulen Paral Lelkojidensator (-C~) "aufge.ba(it"'isjt>."--

   5· Oszillator nach Anspruch 1., 2 oder ■;, dadurch

   gelceiihzeichnet, dass die Phase.vumkolirvorricht luij; c-it:_ Transformator ist , dessen Priraärwickluüi; (.-22) ilas Osziilatorslgnal zugeführt wird und dess-fi, Sekujidärws ci, ■ n.^g (23) mit einer Mi t te s «Anzapfung (-24)- versehen Ist.

   6. Oszillator nach Anspruch. 1, 2 oder k_t d-idujci.

   gekennzeichnet dass die Phaseiiuffikehrvorrichttuig mit d.e>sii zweiten Phasenversciiieliungsnetzwerk eiaeii Operaii-.r.s*ei stärker (T)) enthält, des sei eine Ausgaiigsklemme an dl«- ,g»·-

   ; meinsame Oszii latorie i tung liegt, die mit einer Atisgaiifc;-^-

   klemme des Oszillators verbundeil ist, -dessen andere Αα«- gangskipmrne (C) das phasenverschobeae üszi ila tf»rsi i_.Xi-*l liefert dessen eine Eiiigangskleiame |/b) mit dem Ψρ-γρία—:■ dungspunkt der bfeitieu Impedanzeü des Phaserivexsclii ri'UE^s-

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   6AD ORIGINAU

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   netzwerke» verbünde·., ist und dessen andere Eingang sk (a) rait dee Verbindungspunkt zweier nahezu gleichwertiger Widerstände verbunden ist, während einer dieser Widerstände (78) an der anderen Ausgangskiemme dos Operationsverstärkers, und der ands%Widerstand (75) an der £ingangsklesme (a) für das Oszillatorsignal liegt, mit der eine der Inpedanzen (?'*) des Phasenverschiebunßsnetzvorkoe auch verbunden ist, wahrend die andere Impedanz (77) BXi die gemeinsame Leitung angeschlossen ist. (Fig. 0).

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