DE2143560A1

DE2143560A1 - Filterschaltung

Info

Publication number: DE2143560A1
Application number: DE2143560A
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl Ing Courtin; Ulrich Dipl Phys Tietze; Stefan Traub
Original assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Current assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Priority date: 1971-08-31
Filing date: 1971-08-31
Publication date: 1973-03-15
Also published as: US3787774A; DE2143560C3; DE2143560B2

Description

2H3560

Hewlett-Packard GmbH
703 Böblingen
Herrenberger Str. 110
Fall 8

26. August 1971

F ILTERSCHALTUNG

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Unterdrücken einer Spektralkomponente aus einem Eingangsspektrum, wobei die Frequenz dieser Spektralkomponente veränderlich sein kann, mit einer Bandsperre zur Abgabe eines Signales, das dem Eingangsspektrum ohne die Spektralkomponente entspricht, und einem Phasendetektor mit einem ersten Eingang für das Spektrum und einem zweiten Eingang für ein der Mittenfrequenz der Bandsperre entsprechendes Signal, wobei der Phasendetektor aus den frequenzgleichen Komponenten beider Vergleichssignale eine Steuerspannung für einen Regler ableitet und dieser die Mittenfrequenz der Bandsperre auf die Frequenz der zu unterdrückenden Spektralkomponente nachregelt.

Aus dem Gerätekatalog der Anmelderin, Jahrgang 1970, Seiten 448 ff., ist ein Gerät zur Klirrfaktormessung bekannt, bei dem die Grundwelle des Eingangssignales durch eine Filterschaltung selektiv unterdrückt wird, um den

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Oberwellengehalt des Eingangssignales messen zu können. Dabei gelangt das Eingangssignal in eine Bandsperre, deren Mittenfrequenz über einen Regelkreis auf die Frequenz der zu unterdrückenden Grundwelle nachgeregelt wird. Hierzu wird in einem Phasendetektor das mehr oder weniger von der Grundwelle befreite Ausgangsspektrum der Bandsperre mit dem Eingangsspektrum, praktisch also dessen Grundwelle, bezüglich der Phase verglichen und ein Signal für einen Regler abgeleitet. Dieser stellt die Mittenfrequenz der Bandsperre derart nach, daß der Mittelwert der Eingangsspannung des Reglers zu Null wird; dies erfolgt dann, wenn die Amplitude der Grundwelle am Ausgang der Bandsperre Null wird. Durch diese Schaltungsanordnung kann lediglich diejenige Spektralkomponente mit der größten Amplitude unterdrückt werden. Weiterhin erfordert diese bekannte Filteranordnung nachteilhafterweise, durch die Arbeitsweise des verwendeten Filters bedingt, einen zweiten Regler, welcher sicherstellt, daß auch die um 90 zur Grundwelle phasenverschobene Signalkomponente unterdrückt wird.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die es gestattet, aus einem Frequenzspektrum eine innerhalb eines vorgebbaren Frequenzbereiches veränderliche Störkomponente zu eliminieren, deren Amplitude wesentlich kleiner als die übrigen Komponenten des Spektrums außerhalb und vorzugsweise auch innerhalb dieses

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Frequenzbereichs sein kann. Dabei soll die Schaltungsanordnung automatisch derart arbeiten, daß sie die innerhalb des- vorgegebenen Frequenzbereiches liegende Störkomponente unterdrückt, ohne den Informationsgehalt des Signalspektrums zu beeinträchtigen.

Dieses Meßproblem tritt insbesondere bei der Auswertung von EKG-Signalen auf, denen häufig eine störende Netzspannungskomponente überlagert ist, welche in einem re- ' lativ engen Frequenzbereich schwankt. Diese Netzspannungskomponente soll unterdrückt werden, ohne irgendwelche frequenzmäßig benachbarten Signalkomponenten zu verändern oder gar zu eliminieren.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Gattung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Bandpaß für das Eingangssignalspektrum vorgesehen ist, der den zweiten Eingang des g Phasendetektors bildet und der Phasendetektor aus der Phasenbeziehung des Signales am zweiten Eingang und der Spektralkomponente gleicher Frequenz am ersten Eingang ein Signal für den Regler ableitet, der die Mittenfrequenz des Bandpasses auf die Frequenz der zu unterdrückenden Spektralkomponente nachregelt und der Bandpaß, der Regler und die Bandsperre derart miteinander verbunden sind, daß die Bandsperre jeweils auf die gleiche Mittenfrequenz wie der Bandpaß geregelt ist.

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Mit einer derartigen Schaltung ist es möglich, eine Störkomponente aus einem Signalgemisch herauszufiltern, die kleiner als die restlichen Signalkomponenten sein kann, jedoch größer als die übrigen Signalkomponenten in der unmittelbaren Umgebung der Storkomponente sein muß.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein I-Regler vorgesehen werden. Dadurch kann eine Spektralkomponente unterdrückt werden, welche auch innerhalb der Schwankungsbreite der Frequenz eine kleinere Amplitude aufweisen kann als andere Spektralkomponenten, wenn der vom Integrationsregler erfaßte zeitliche Mittelwert der zu unterdrückenden Spektralkomponente größer als die Mittelwerte anderer Spektralkomponenten in dem betreffenden Bereich ist.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert.

Die Schaltungsanordnung weist eine Additionsschaltung 1 mit einem ersten Eingang für das zu filternde Signalspektrum und einem zweiten Eingang für das Ausgangssignal eines Bandpasses 2 auf. Dieses Ausgangssignal entspricht, wie noch erläutert wird, der zu unterdrückenden Spektralkomponente mit negativer Polarität, so daß am Ausgang der Additionsschaltung - im Ergebnis durch Subtraktion - das von der zu unterdrückenden Störkomponente befreite Ausgangssignal erscheint.

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Dieses Ausgangssignal gelangt in den Eingang des Bandpasses 2, der über einen ersten Hochpaß 3 an den einen Eingang eines Phasendetektors 4 ein Signal abgibt. Dieses Signal entspricht im abgeglichenen Zustand der Schaltungsanordnung der zu unterdrückenden Signalkomponente und ist um 90 gegenüber der frequenzgleichen Komponente des Signalspektrums phasenverschoben, das dem anderen Eingang des Phasendetektors über einen zweiten Hochpaß 5 zugeführt wird. Der Phasendetektor leitet aus der Phasendifferenz der frequenzgleichen Signalkomponenten ein Signal für einen Regler 6 ab, der die Mittenfrequenz des Bandpasses 2 derart verstellt, daß die Spannung am Eingang des Reglers gegen Null geht. Der Ausgang des Bandpasses liegt in der Rückkopplung der Additionsschaltung 1 und bildet mit dieser zusammen eine Bandsperre, welche stets die gleiche Frequenz wie der Bandpaß aufweist und das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung abgibt, welches dem von der zu unterdrückenden Signalkomponente befreitenEingangssignalspektrum entspricht.

Im folgenden wird der Aufbau der vorgenannten Schaltkreise im einzelnen erläutert:

Die Additionsschaltung 1 weist einen über einen Widerstand Rl auf den invertierenden Eingang rückgekoppelten Operationsverstärker Al mit Suromierwiderständen R2 und R3 für das Eingangssignalspektrum bzw. den Ausgang des Bandpasses 2 auf. Der Ausgang der Additionsschaltung ist mit einem Widerstand R4 im Eingang des Bandpasses 2 verbunden.

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Der Bandpaß 2 weist am Eingang eine Inverterstufe auf, welche mit zwei Integrationsstufen zu einer Schleife verbunden ist, wobei der Ausgang der ersten Integrationsstufe mit dem Summierwiders tand R3 der Additions schaltung Al und der Ausgang der zweiten Integrationsstufe über einen steuerbaren Widerstand mit dem Eingangsinverter und dem Ausgang des Reglers 6 verbunden ist.

Der Inverter weist einen über einen Widerstand R5 mit dem invertierenden Eingang rückgekoppelten Operationsverstärker A2 in Reihe mit dem Eingangswiderstand R4 auf und ist mit dem Eingangswiderstand R6 der ersten Integrationsstufe verbunden.

Die erste Integrationsstufe weist einen mit dem invertierenden Eingang über einen Kondensator Cl rückgekoppelten Operationsverstärker A3 auf, der über einen Widerstand R7 mit der zweiten Integrationsstufe verbunden ist.

Die zweite Integrationsstufe weist einen über einen Kondensator C2 auf dan invertierenden Eingang rückgekoppelten Operationsverstärker A4 auf, der über Widerstände R8 und R9 mit dem invertierenden Eingang des Inverters verbunden ist» Parallel zum Widerstand R9 liegt ein Feldeffekttransistor Tl, dessen Gate-Elektrode mit dem Verbindungspunkt der Reihenschaltung von Linearisierungswiderständen RIO

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und RIl verbunden ist. Diese Reihenschaltung ist wiederum einerseits mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R8 und R9 und andererseits mit dem Ausgang des Reglers 6 verbunden. Die Widerstände R8 bis RIl bilden zusammen mit dem Feldeffekttransistor Tl einen die Verstärkung des Inverters A2 und damit die Resonanzfrequenz des Bandpasses bestimmenden, veränderlichen Vorwiderstand.

Der Hochpaß 3 weist einen Kondensator C3 auf, welcher zwischen dem Ausgang des Inverters des Bandpasses 2 und dem einen Eingang des Phasendetektors 4 angeschlossen ist, sowie einen mit dem einen Ende mit Masse und dem anderen Ende mit dem Kondensator C3 verbundenen Widerstand R12 auf.

Der HochpaS 5 weist einen Kondensator C4 und einen ebenfalls mit Masse verbundenen Widerstand R13 auf, wobei der Kondensator C4 zwischen dem Eingang der Schaltungsanordnung und dem zweiten Eingang des Phasendetektors angeschlossen ist. i

Beide Hochpässe sind derart dimensioniert, daß sie die gleiche Phasenverschiebung ergeben.

Der Phasendetektor 4 weist zwei eingangsseitige Rechteckformer und einen mit diesen verbundenen Synchrongleichrichter auf.

Die beiden Rechteckformer bestehen aus im Sättigungsbereich betriebenen OperationsverstärkemA5 und A6, wobei der erste

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Rechteckformer mit dem Hochpaß 3 am nichtinvertierenden und mit Masse am invertierenden Eingang verbunden ist, während die Eingangsverbindungen des zweiten Rechteckformers vertauscht sind.

Der erste Rechteckformer ist über eine Diode Dl mit der Gate-Elektrode eines Feldeffekt-Transistors T2 und über einen Basisableitwiderstand R13 mit Masse verbunden. Die Source-Elektrode des Feldeffekt-Transistors T2 liegt auf Masse, während seine Drain-Elektrode mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers A7 verbunden ist. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist über einen Widerstand R14 mit dem Ausgang des zweiten Rechteckformers verbunden, während sein invertierender Eingang über einen Eingangswiderstand R15 mit dem Ausgang des Rechteckformers A6 verbunden ist. Der Operationsverstärker A7 ist über einen Widerstand R16 auf seinen invertierenden Eingang gegengekoppelt und über einen Widerstand R17 mit dem invertierenden Eingang des Reglers 6 verbunden.

Der Regler 6 ist als Integrator ausgebildet und besteht aus einem über einen Kondensator C5 auf den invertierenden Eingang gegengekoppelten Operationsverstärker A8.

Die vorstehend" beschriebene Schaltung arbeitet folgender-maßen:

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Das mit der zu unterdrückenden Spektralkomponente behaftete Eingangssignalspektrum gelangt einerseits über den Hochpaß 5 an den Signaleingang des Phasendetektors 4 und andererseits über die Additionsschaltung 1, den Bandpaß 2 und den Hochpaß 3 auf den Schalteingang dieses Phasendetektors. Während die relative Phasenlage der frequenzgleichen Komponenten beider Eingangssignale am Phasendetektor durch die Hochpässe 3 und 5 nicht geändert wird, ist das vom Ausgang des Inverters des Bandpasses 2 stammende Signal am Eingang des Hochpasses 3 im nichtabgeglichenen Zustand der Schaltungsanordnung um einen von 90° verschiedenen Phasenwinkel von der Störkomponente am Eingang des Hochpasses 5 verschoben. Die durch die Hochpässe 3 und 5 von Nullinienschwankungen befreiten Signale werden in den Rechteckformern A5 bzw. A6 in Rechteckspannungen gleicher Phase und konstanter Amplitude umgesetzt.

Die Ausgangssignale beider Rechteckformer AS und A6 werden durch das Zusammenwirken des Transistorschalters T2 und des mit den Widerständen R14 bis R16 beschalteten Operationsverstärkers Ä7 in an sich bekannter Weise multipliziert. Dies erfolgt, indem die Verstärkung des Operationsverstärkers A? durch das Zusammenwirken des Transistorschalters T2 und der Widerstände R14 und R16 entsprechend der Polarität des Schaltsignales am Ausgang des Rechteckformers A5 auf +1 oder -1 eingestellt wird« Am Ausgang des Operationsverstärkers

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KJ tritt somit eine Rechteckspannung auf/ deren Tastverhältnis von der Phasenlage der Vergleichsspannungen an den Signal- und Schalteingängen des Phasendetektors abhängt. Das getastete Rechtecksignal am Ausgang des Synchrongleichrichters wird im I-Regler 6 integriert und über den als veränderlichen Widerstand geschalteten Feldeffekt-Transistor Tl wird die Resonanzfrequenz des Bandpasses in an sich ebenfalls bekannter Weise so lange verändert, bis der Mittelwert der Eingangsspannung am Eingang des I-Reglers Null ist. Das ist wiederum dann der Fall, wenn die Phasendifferenz zwischen den Signalkomponenten am Schalteingang und am Signaleingang des Phasendetektors 9O° bzw. das Tastverhältnis 1:1 ist. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung des Bandpasses 2 um 18ö gegenüber der StÖrkomponente im Eingangsspektrum phasenverschoben.

Wenn die Resonanzfrequenz des Bandpasses derart auf die jeweilige Frequenz der im Eingangssignalspektrum zu unterdrückenden Signalkomponente nachgeregelt ist, gibt der Bandpaß über den SuituBi erwiderst and R3 an die Additions schaltung ein genau der jeweiligen Frequenz der zu unterdrückenden Signalkomponente entsprechendes Signal ab, welches gegenüber dem Eingangss ignalspektrum an dem anderen Surnmierwiderstand R2 tu» 180° phasenverschoben ist. Da die aus dem Summierverstärker Al und dem in dessen Rückkopplung liegenden Bandpaß 2 gebildete Bandsperre auf die jeweilige Frequenz der zu unterdrückenden Spektra!komponente abgestimmt

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ist, wird am Summiereingang der Additionsschaltung 1 die Amplitude der zu unterdrückenden Frequenz auf Null gebracht, so daß am Ausgang der Additionsschaltung ein dem Eingangssignalspektrum entsprechendes Signal ohne die zu unterdrückende Spektralkomponente erscheint.

Die beschriebene Schaltung bzw. die Art der Signalverarbeitung ist in verschiedener Weise abwandelbar, ohne indessen den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. So versteht es sich für den Fachmann, daß insbesondere der Bandpaß, die Ansteuerung des Phasendetektors, dessen Aufbau, die für Synchrongleichrichter erforderliche 90 -Verschiebung und der Aufbau des Reglers in mannigfaltiger Weise realisiert werden können. Indessen sind bei der vorbeschriebenen Schaltung eine Reihe besonderer Vorteile festzuhalten:

a) Der mit den drei Operationsverstärkern A2 bis A4 aufgebaute Bandpaß 2 arbeitet bei jeder über den Regler 6 am Inverter 4 eingestellten Verstärkung und damit bei jeder eingestellten Resonanzfrequenz als ungedämpfter Schwingkreis während er die übrigen Frequenzen stark bedämpft.

b) Die Verwendung des Bandpasses 2 in der Gegenkopplung des Additionsverstärkers 1 gestattet es, ohne ein zusätzliches Filterglied eine Bandsperre zu erhalten, die darüberhinaus noch den Vorteil hat, daß ihre Mittenfrequenz bei jeder eingestellten Resonanzfrequenz des Bandpasses mit dessen Mittenfrequenz identisch ist.

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c) Da der Bandpaß 2 bei der Resonanzfrequenz eine sehr hohe Verstärkung hat, wird gewährleistet, daß die Ausgangsspannung der aktiven oder passiven Additionsschaltung bei der Resonanzfrequenz bzw. der Störfrequenz beliebig klein ist, so daß gleichzeitig ohne einen weiteren Regelkreis ein praktisch vollständiger Amplitudenabgleich erreicht wird.

d) Durch einen einzigen Widerstand R4 kann in einfacher Weise die Selektivität des Bandpasses - und damit auch der Bandsperre - durch einen einzigen Parameter eingestellt werden.

e) Durch die Verwendung des ersten Rechteckformers A5 kann der Phasenabgleich über einen Synchrongleichrichter ausgeführt werden, ohne einen aufwendigeren Multiplizierer einsetzen zu müssen. Durch die Verwendung von Rechteckformern sowohl am Schalteingang als auch am Signaleingang des Synchrongleichrichters erhält man schließlich eine konstante Empfindlichkeit des Phasendetektors, die unabhängig von der Größe des Störsignales ist.

f) Durch die konstante Empfindlichkeit des Phasendetektors wird auch eine konstante Einstellzeit der Schaltungsanordnung sowie ein großer Dynamikbereich für die Störsignale erreicht.

g) Durch die Verbindung des Inverters A2 mit dem Schalteingang des Phasendetektors 5 und die Einkopplung des Signalspektrums am Schalteingang des Phasendetektors wird die für den Phasen-

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abgleich des Synchrongleichrxchters erforderliche Phasendifferenz von 90° erhalten, ohne einen gesonderten 90 -Phasenschieber zu benötigen.

Schließlich hat die Schaltungsanordnung auch noch den Vorteil, daß an verschiedenen Stellen des Bandpasses die zu unterdrückende Signalkomponente selbst erhalten werden kann.

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Claims

Hewlett-Packard GmbH
703 Böblingen
Herrenberger Str. 110
Fall 8

26. August 1971 Patentansprüche

Schaltungsanordnung zum Unterdrücken einer Spektralkomponente aus einem EingangsSpektrum, wobei die Frequenz dieser Spektralkomponente veränderlich sein kann, mit einer Bandsperre zur Abgabe eines Signales, das dem Eingangsspektrum ohne die Signalkomponente entspricht und einem Phasendetektor mit einem ersten Eingang für das Spektrum und einem zweiten Eingang für ein der Mittenfrequenz der Bandsperre entsprechendes Signal, wobei der Phasendetektor aus den frequenzgleichen Komponenten beider Vergleichssignale eine Steuerspannung für einen Regler ableitet und dieser die Mittenfrequenz der Baadsperre auf die Frequenz eier zu unterdrückenden Spektralkomponente nachregelt, dadurch g e k e η η ζ u i c h η e t, daß ein Bandpaß (2) für das Eint/rav.jr.n ; φτ;:. 1--SpOVl;rum vorgesehen IiJt, der den zweiten KÜHjcur; uen Phase ode Lektors (4) bildet und .!er fliason-lutckl οι; an:; Je.i. Fl, tsonbezichunif r>«s Si ff η ι ί ei; am zweiten Eingang und der S;»->k.t): .ι Llcomjx η i>to <;!>' ic her Frec[uen7, am er:.;to-n ϊί ί ti-fanq ein Sicj-n^. I lüc Ci^ix .i'.-glef (6)

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ableitet, der die Mittenfrequenz des Bandpasses auf die Frequenz der zu unterdrückenden Spektralkomponente nachregelt und der Bandpaß, der Regler und die Bandsperre (1, 2) derart miteinander verbunden sind, daß die Bandsperre jeweils auf die gleiche Mittenfrequenz wie der Bandpaß geregelt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Bandpaß in an sich bekannter Weise die Reihenschaltung von zwei Integratoren (A3_f Cl, R6; A4, C2, R7) und einem Inverter (A2, R5, R8, R9) aufweist und eine Schleife bildet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Bandsperre durch den Bandpaß (2) und eine Rechenschaltung (1) gebildet ist, die einen Eingang für das Eingangssignal und einen zv?eiten mit dem Bandpaß verbundenen Eingang für ein der zu unterdrückenden Spektralkomponente entsprechendes Signal aufweist und ™ am Ausgang das von der zu unterdrückenden Spektraikomponente befreite Spektralspektrum abgibt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge. k e η η zeichnet , daß der Bandpaß (2) rait dem Atisgancj der Rechenschaltung über einen Dämpfungswiderstanct,_: (R4) verbunden ist, der die Selektiv.!tat.der Bandcperre .-bestimmt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η ·- ζ e i c Ii η e t , '■' daß die KVi^henschaJi-ung in n:i sich bc-

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kannter Weise mittels eines Suiranierverstärkers (Al , Rl., R2, R3) gebildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Phasendetektor (5) als Synchrongleichrichter mit einem Schalteingang und einem Signaleingang ausgebildet ist, der Schalteingang mit einem Rechteckumformer (A5) verbunden ist, und die Eingänge des Synchrongleichrichters derart zur Aufnahme eines für das Signalspektrum repräsentativen Signales und eines für die zu unterdrückende Spektralkomponente repräsentativen Signales angeschlossen sind, daß im abgeglichenen Zustand des Bandpasses die Phasenverschiebung der Signale .an den Eingängen des Synchrongleichrichters 90 beträgt.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Rechteckformer mit dem Ausgang des Inverters des Bandpasses (2) und der andere Eingang des Phasendetektors (5) zur Aufnahme des Signalspektrums verbunden ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Rech tee]: former (A5) mit dem Ausgang des Bandpasses (2) und der andere Eingang des Phasendetektors über einen 90°-Phasenvor schleber zur Aufnahme eines für das Signalspektrum repräsentativen Signales verbunden ist.

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9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß der andere Eingang des Synchrongleichrichters mit einem zweiten Rechteckformer (A6) verbunden ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Regler einen I-Regler aufweist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 10/ dadurch ge kennzeichnet , daß eine Bandpaßleitung zur Abgabe der auszuf* ιternden Spektralkomponente vorgesehen ist.

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