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Einrichtung zum Erzeugen einer frequenz- und amplitudenstabil is ierten
sinusförmigen Wechselspannung Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum
Erzeugen einer innerhalb eines Temperaturbereiches von etwa - 150 bis + 750 C frequenz-
und atnplitudenstabilisierten sinusförmigen Wechselspannung bei einer Betriebsgleichspannung
von etwa 5 Volt.
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Für verschiedene nachrichtentechnische Zwecke werden Generatoren zum
Erzeugen von sinusförmigen Wechselspannungen benötigt, die trotz Änderungen der
Umgebungstemperatur eine verhältnismäßig hohe Frequenz- und Amplitudenstabilität
haben. Generatoren mit den genannten Eigenschaften lassen sich zum Beispiel als
sogenannte LC-Generatoren ohne weiteres realisieren, sofern eine genügend hohe Betriebsspannung
zur Verfügung steht. Es ist jedoch nur mit einem größeren Aufwand möglich, einen
Sinusgenerator mit den vorstehend genannten Eigenschaften zu realiseren, wenn die
Betriebsspannung in der Größenordnung der bei integrierten Schaltkreisen, zum Beispiel
bei TTL-Schaltkreisen, üblichen Spannung von nur etwa 5 Volt liegen soll. Aus diesem
Grunde scheidet in der Regel die Anwendung eines LC-Sinusgenerators in Verbindung
mit integrierten Schaltkreisen aus.
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Deshalb
Deshalb liegt der Gedanke nahe, den Sinusgenerator
selbst in integrierter Schaltkreistechnik aufzubauen. An einen integrierten Sinusgenerator
wären folgende Anforderungen zu stellen: 1. Induktivitäten müssen wegen der schlechten
Integrierbarkeit als frequenzbestimmende Elemente des Generators vermieden werden.
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2. Die Betriebsspannung darf nicht höher als etwa 5 Volt betragen.
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3. In einem Temperaturbereich von - 150 C bis + 750 C sollten die
Amplitudenschwankungen der erzeugten Sinusspannung höchstens + 5 Z betragen.
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4. Die temperaturbedingten Frequenzabweichungen von der Sollfrequenz
sollten in dem Temperaturbereich von - 150 C bis + 750 C möglichst kleiner als t
1 z sein.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mit einem frequenz-
und amplitudenmäßig weitgehend temperaturkompensierten Oszillator zum Erzeugen einer
rechteckförmigen Spannung ein nur die Grundwelle der Rechteckschwingungen durchlassendes
aktives Tiefpaßfilter verbunden ist, dessen die Durchlaßkurve bestimmende Elemente
hinsichtlich ihres Temperaturverhaltens derart bemessen sind, daß die Schwankungen
der Amplitude der an dem Ausgang des aktiven Tiefpaßfilters abgegebenen sinusförmigen
Wechselspannung höchstens + 5 Z betragen und daß die Wechselspannung die gleiche
Frequenzstabilität wie die rechteckförmige Spannung des Oszillators hat.
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In
In Ausgestaltung der Erfindung ist der Oszillator
für die rechteckförmige Spannung ein astabiler Multivibrator, weil ein solcher Multivibrator
keine induktiven Schaltelemente benötigt, weil ferner die erforderliche Frequenz-
und Amplitudenstabilität seiner Ausgangsspannung mit einem verhältnismäßig geringen
Aufwand erzielbar ist und weil auch die Betriebsspannung klein gehalten werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die aus Oszillator und
Tiefpaßfilter bestehende Einrichtung derart aufgebaut, daß zum Ein- und Ausschalten
der an dem Ausgang des Tiefpaßfilters abgegebenen sinusförmigen Wechselspannung
ein elektronischer Schalter vorgesehen ist. Das Ein- und Ausschalten der Einrichtung
mittels des elektronischen Schalters hat den Vorteil, daß keine Ein- und Ausschwingvorgänge
auftreten können, weil der Oszillator selbst immer eingeschaltet bleiben kann. Dieser
Vorteil hat besonders dann eine wesentliche Bedeutung, wenn die sinusförmige Wechselspannung
jeweils nur für kurze Zeiten vorhanden sein muß, die durch Pausen unterbrochen sind.
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Das Prinzip sowie nähere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand
mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. In der Zeichnung
bedeuten: Fig. 1 ein Schaltbild einer Einrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 2 ein
Diagramm, aus dem die Abhlngigkeit der relativen Amplitudenänderung der von der
Einrichtung abgegebenen Wechselepannung von der Temperatur hervorgeht Fig. 3
Fig.
3 ein Schaltbild einer Einrichtung für zwei wahlweise ein schaltbare Sinusspannungen
verschiedener Frequenz und Fig. 4 eine Reihe von Diagrammen, die den Verlauf der
Spannung an verschiedenen Punkten des Schaltbildes in Fig. 3 in Abhängigkeit von
der Zeit zeigen.
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In dem Schaltbild gemäß Fig. 1 bezeichnet 1 einen Oszillator zum Erzeugen
einer rechteckförmigen Spannung. An den Oszillator 1 schließt sich ein aktives Tiefpaßfilter
2 und an dieses ein elektronischer Schalter 3 an. Die Baugruppen Rechteck-Generator
1, Tiefpaßfilter 2 und elektronischer Schalter 3 sind in Fig. 1 jeweils durch strichpunktierte
Linien umrahmt. Sie bilden zusammen eine Einrichtung zum Erzeugen einer sinusförmigen
Wechselspannung.
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Zwischen zwei Speisespannungsanschlllssen 4 und 6 liegt eine Betriebsspannung
UB von zum Beispiel 5 Volt für die gesamte Schaltung, und die sinus8rmige Ausgangsspannung
UA kann zwischen einem Anschluß 5 und detn Speisespannungsanschluß 6 abgenommen
werden, wobei der Anschluß 6 vorzugsweise auf dem Massepotential liegt.
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Von zwei die rechteckförmige Spannung UR des Oszillators 1 abgebenden
Ausgangsklemmen 7; 8 steht die Ausgangsklemme 7 über einen Kondensator 9 mit einer
Eingangsklemme 10 des aktiven Tiefpaßfilters 2 in Verbindung, das folgendermaßen
aufgebaut ist: Parallel zu den Speisespannungsanschlllssen 4, 6 für die Betriebsspannung
Un liegt ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen 11, 12. Die unmittelbar miteinander
verbundenen Enden der Widerstände 11, 12 sind einerseits mit der Eingangsklemme
10 und andererseits über zwei
zwei in Serie geschaltete Widerstände
R R2 mit der Basis eines ersten Transistors 13 verbunden, dessen Emitter fieber
einen Widerstand 14 mit dem Speisespannungsanschluß 6 beziehungsweise mit Masse
und dessen Kollektor über einen Widerstand 15 mit dem Speisespannungsanschluß 4
in'Verbindung steht.
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Unmittelbar an den Kollektor des Transistors 13 schließt sich die
Basis eines zweiten Transistors 16 an, dessen Emitter über einen Widerstand 17 mit
dem Anschluß 4 und dessen Kollektor fieber einen ersten Kondensator C1 mit der Verbindung
zwischen den beiden Widerständen R1, R2 verbunden ist. Zwischen der Basis des ersten
Transistors 13 und dem Speisespannungsanschluß 6 beziehungsweise Masse liegt ein
zweiter Kondensator C2. An den Emitter des Transistors 13 schließt sich die Kathode
einer Diode 18 an, deren Anode an dem Kollektor des zweiten Transistors 16 sowie
an dem eine Sinusspannung abgebenden Ausgang 19 des Tiefpaßfilters 2 liegt.
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Der Ausgang 19 des aktiven Tiefpaßfilters 2 steht über einen Kondensator
20 mit einem Eingang 21 des elektronischen Schalters 3 in Verbindung, der durch
eine Tor-Schaltung gebildet wird. Zwischen dem Eingang 21 und dem Anschluß 5 liegt
eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen 22, 23 und zwischen demselben Eingang
21 und dem Speisespannungsanschluß 6 ein Widerstand 24. An den unmittelbar miteinander
verbundenen Anschlüssen 22, 23 liegt der Kollektor eines Transistors 25, dessen
Emitter mit dem Speisespannungsanschluß 6 und dessen Basis über einen Widerstand
26 mit einem Anschluß 27 zum Zuführen einer Steuerspannung verbunden ist.
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Zur
Zur Wirkungsweise der aus Fig. 1 ersichtlichen
Schaltung ist folgendes zu sagen: Der Oszillator 1 ist vorzugswei-se ein gegenüber
temperaturbedingten Frequenzänderungen stabilisierter astabiler Nultivibrator mit
zwei Transistoren, deren Emitter mit einem Pol einer Betriebsspannungsquelle, deren
Kollektoren einerseits über je einen Widerstand mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle
und andererseits über je einen frequenzbestimmenden Kondensator mit der Basis des
jeweils anderen Transistors und deren Basen über je einen frequenzbestimmenden Widerstand
ebenfalls mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden sind. Um bei
einem solchen astabilen Multivibrator eine Stabilisierung der Frequenzänderungen
auf weniger als zum Beispiel t 1 Z innerhalb eines Temperaturbereiches von etwa
- 300 bis + 700 C zu erreichen, müssen die Elemente der durch je einen Kondensator
und je einen zugehörigen Widerstand gebildeten RC-Kombinationen derart bemessen
sein, daß sich die Temperaturgänge der beiden RC-Kombinationen weitgehend kompensieren.
Es werden also RC-Kombinationen mit gegenläufigen Temperaturgängen angewendet, wodurch
sich mit zunehmender Temperatur beispielsweise die Dauer der Impulse der Rechteckspannung
verlängert, während sich die nauer der Impulspausen im gleichen Maße verkürzt. Die
Frequenz bleibt aber unabhängig von Temperaturänderungen weitgehend konstant, und
nur das Verhältnis von Impuls zu Impulspause ändert sich.
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Die von dem Oszillator 1 abgegebene rechteckförmige Spannung UR (vgl.
auch Diagramm A in Fig. 4) gelangt über den Kondensator 9 an
an
den Eingang 10 des aktiven Tiefpaßfilters 2. Das aktive Tiefpaßfilter 2 siebs aus
der an seinem Eingang liegenden rechteckförmigen Spannung UR nur die Grundwelle
aus, wShrend es für alle Oberwellen der rechteckförmigen Spannung eine Sperre bildet.
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Die Verstärkung des aktiven Tiefpaßfilters 2 wird nach bekannten Regeln
zur Dimensionierung einer Tiefpaßstruktur zweiten Grades ohne endlichen Ddmpfungspol
gleich eins gewählt, wobei sich für die Widerstände R1, R2 gleiche Werte ergeben
und die Beziehung Rt - R2 a a R gilt. Mit a ist hier ein die Lage einer komplexen
Nullstelle in der Übertragungsfunktion bestimmender Zahlenwert bezeichnet und mit
R die frei wählbare Widerstandsgröße zur Einstellung des Widerstandsniveaus. Für
die Kondensatoren C1 und C2 gelten dann folgende Beziehungen:
worin f die Grenzfrequenz für das Tiefpaßfilter, a und b die Lage 0 der komplexen
Nullstellen in der Übertragungsfunktion bestimmende Zahlenwerte und R die Widerstandsgröße
zur Einstellung des Widerstandsniveaus sind.
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Um eine möglichst hohe Stabilität der Amplitude der an den Ausgang
19 des aktiven Tiefpaßfilters 2 abgegebenen sinusförmigen Wechselspannung U8 (vgl.
auch Diagramm C in Fig. 4) innerhalb eines Temperaturbereiches von - 15° bis + 750
C zu erreichen, müssen diejenigen Schaltelemente des Tiefpaßfilters, die maßgebend
für die Amplitude der Wechselspannung sind,^hinslchtlich ihres Temperaturverhaltens
verhaltens
so gewählt werden, daß die durch Temperaturänderungen hervorgerufenen Änderungen
ihrer Werte sich in ihren Wirkungen gegenseitig aufheben.
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In einem praktisch ausgeführten Beispiel haben die Kondensatoren C1
und C2 einen großen positiven Temperaturkoeffizienten von etwa 900 10 6/oC, während
die Widerstände Rl, R2 einen kleinen -6 o positiven Temperaturkoeffizienten von
100 v 10 6/oC aufweisen.
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In einem mit Widerständen und Kondensatoren der vorgenannten Eigenschaften
aufgebauten Tiefpaßfilter unterliegt die sinusförmige Wechselspannung U8 in dem
Temperaturbereich von - 150 C bis + 750 C den aus dem Diagramm in Fig. 2 ersichtlichen
relativen Änderungen von maximal + 5 Z.
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Mit dem elektronischen Schalter 3 läßt sich die von dem aktiven Tiefpaßfilter
2 gelieferte Sinusspannung U8 wahlweise ein- oder ausschalten, indem an den Anschluß
27 entweder eine logisch 0 oder logisch L entsprechende Steuerspannung angelegt
wird. Bei dem ersten Spannungswert (log 0) befindet sich der Transistor 25 im Sperrzustand,
das heißt seine Emitter-Kollektorstrecke hat eine verhältnismäßig hohe Impedanz,
so daß die Sinusspannung U 5 fast unvermindert an den Ausgang (Anschlüsse 5, 6)
weitergeleitet wird. Liegt an dem Anschluß 27 dagegen der zweite Spannungswert (log
L), so wird der Transistor 25 in einen Zustand gesteuert, in welchem seine Emitter-Kollektorstrecke
eine verhältnismäßig kleine Impedanz saat. Dadurch leitet der Transistor 25 die
Sinusspannung U5 nach Masse ab, und die Ausgangsspannung UA nimmt den Wert O an.
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Diese
Diese art der Ein- und Ausschaltung durch Tastung
der Sinusspannung U8 hat den Vorteil, daß keine Ein- und Ausschwingvorgänge auftreten
könhen, weil der eigentliche Schwingungserzeuger dauernd eingeschaltet bleiben kann.
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Der erfindungsgemäße Sinusgenerator läßt sich - wie im folgenden näher
erläutert wird - mit Vorteil in einem Sprechfunknetz mit Selbstwählverkehr (öbL-Netz
B der Deutschen nundespost) anwenden.
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Bei dem bekannten Sprechfunknetz wird ein binäres Impulscodeverfahren
benutzt, in welchem der logische Wert (logisch 0 oder logisch L) der einzelnen Impulsplätze
eines Impulstelegramms durch je eine Tonfrequenz dargestellt wird. Die beiden Frequenzen
betragen beispielsweise 1950 Hz und 2070 Hz. Um die genannten Tonfrequenzspannungen
mit der erforderlichen Frequenz- und Amplitudenstabilität bereitstellen zu können,
werden zwei Oszillatoren 28, 29, das sind zum Beispiel zwei astabile Multivibratoren,
vorgesehen. Während der eine astabile Multivibrator 28 eine impulsförmige Spannung
UR1 mit der Frequenz fl 1 - 2070 flz abgibt, liefert der andere astabile Multivibrator
29 eine impulsförmige Spannung UR2 mit der Frequenz f2 - 1950 Hz; vgl. Diagramme
A und B in Fig. 4. Jedem der astabilen Multivibratoren 28, 29 ist ein auf die Grundfrequenz
(1. Harmonische) der rechteckförmigen Spannung UR1 bzw. UR2 abgestimmtes aktives
Tiefpaßfilter 30, 31 nachgeschaltet.
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Die Ausgänge der aktiven Tiefpaßfilter 30, 31 geben somit je eine
sinusförmige Wechselspannung U81, U82 ab; vgl. Diagramme C und D in Fig. 4. An die
aktiven Tiefpaßfilter 30, 31 schließen sich über je einen Kondensator 32, 33 je
ein Transistorschalter 34, 35 (in Fig. 3
Fig. 3 durch strichpunktierte
Linien umrahmte Schaltungsteile) an.
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Die Transiatorschalter 34, 35 entsprechen in ihrem Aufbau dem elektronischen
Schalter 3 in Fig. 1 und haben je einen Transistor 36, 37.
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Während der Transistorschalter 34 unmittelbar von einem ersten Eingang
38 aus gesteuert werden kann, erhält der Transistorschalter 35 seine Steuerspannung
von dem ersten Eingang 38 aus über eine Inverterstufe 39 (in Fig. 3 durch gestrichelte
Linien umrahmter Schaltungsteil). Die Inverterstufe 39 enthält einen Transistor
40, dessen Basis über einen Widerstand 41 mit dem ersten Eingang 38, dessen Emitter
mit Masse und dessen Kollektor über einen weiteren Widerstand 42 mit einem, z. B.
positiven, Pol der Betriebsspannungsquelle sowie unmittelbar mit der Basis des Transistors
37 des zweiten Transistorschalters 35 verbunden ist.
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Je nachdem, welche der beiden sinusförmigen Wechselspannungen U U82
über einen Spannungsteiler aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen 43, 44 an
den gemeinsamen Ausgang 45 weitergeleitet werden soll, wird an den ersten Eingang
38 eine dem O-Signal oder dem L-Signal entsprechende Steuerspannung gelegt.
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Der Ausgang 45 kann außerdem unabhängig davon, welcher der beiden
Transistorschalter 34, 35 geöffnet oder geschlossen ist, freigegeben oder gesperrt
werden. Hierzu dient ein über einen zweiten Eingang 46 steuerbarer Transistor 47,
dessen Emitter-Kollektorstrecke parallel zu dem Ausgang 45 bzw. dem Widerstand 44
geschaltet ist.
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Liegt
Liegt an dem zweiten Eingang 46 ein dem logischen
Wert L entsprechender Spannungswert (vgl. Diagramm E in Fig. 4, Zeitraum zwischen
den Zeitpunkten t und tal), so befindet sich der Transistor 47 im Sättigungszustand,
das heißt, seine Emitter-Kollektorstrecke bildet einen Kurzschluß für die von den
Transistorschaltern 34, 35 gelieferten Sinusspannungen. Die Ausgangsspannung UA
am Ausgang 45 ist also für die Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten t und t gleich
Null; vgl. Diagramm G in Fig. 4.
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0 1-Liegt dagegen an dem zweiten Eingang 46 ein dem logischen Wert
0 entsprechender Spannungswert, so ist der Transistor 47 gesperrt.
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ilat jetzt gleichzeitig der erste Eingang 38 einen logisch 0 entsprechenden
Spannungswert (vgl. Diagramm F zwischen den Zeitpunkten t und t2), so ist der Transistor
36 des ersten Transistorschalters 34 gesperrt, wodurch die Sinusspannung U51 an
den Ausgang 45 gelangt. Der Transistor 37 des zweiten Transistorschalters 35 befindet
sich in der Zeit zwischen den Zeitpunkten t und t2 wegen der Inverterstufe 39 im
Sättigungszustand, so daß die niederohmige Emitter-Kollektorstrecke des Transistors
37 die von dem aktiven Tiefpaßfilter 31 abgegebene Sinusspannung U82 nach Masse
ableitet.
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Wird von dem Zeitpunkt t2 an bis zu einem Zeitpunkt t3 dem ersten
Eingang 38 ein L-Signal zugeführt (Diagramm F in Fig. 4), so kehren sich die Verhältnisse
um, d. h. der Transistorschalter 35 leitet die Sinusspannung U52 an den Ausgang
45 weiter (vgl. Diagramm in Fig. 4 zwischen den Zeitpunkten t2 und t3), während
der Transistor 36 des ersten Transistorschalters 34 die Sinusspannung U nach Masse
ableitet.
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Geht
Geht zu dem Zeitpunkt t3 die Spannung UF am
ersten Eingang 38 auf den logischen Wert 0 zurück, so gibt der Ausgang 45 wieder
die Sinusspannun-g U81 ab, und zwar bis zu einem Zeitpunkt t4, zu welchem die Spannung
UE an dem zweiten Eingang 46 wieder einen logisch L entsprechenden Wert annimmt;
vgl. Diagramme E und G in Fig. 4. Von dem Zeitpunkt t4 an ist dann der Ausgang 45
wieder völlig gesperrt, vgl. Diagramm G in Fig. 4 nach dem Zeit:-punkt t4.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist auf die Umtastung von zwei
Frequenzen beschränkt. Es ist jedoch gegebenenfalls auch möglich, aus einer Vielzahl
sinusförmiger Wechselspannungen verschiedener tFrequenzen jeweils eine Frequenz
auszuwählen, wenn entsprechend viele astabile Multivibratoren, aktive Tiefpaßfilter
und Transistorschalter vorhanden sind. Auch bei der zuletzt angedeuteten Einrichtung
kann der allen Transistorschaltern gemeinsame Ausgang durch einen Transistor entsprechend
dem Transistor 47 in Fig. 3 gesperrt oder freigegeben werden.
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Die Schaltungen gemäß den Fig. 1 und 3 können vorzugsweise mittels
integrierter Schaltkreise aufgebaut werden, und zwar entweder in der Weise, daß
die Oszillatoren 1, 28, 29, die Tiefpaßfilter 2, 30, 31 und die elektronischen Schalter
3, 34, 35 je einen integrierten Schaltkreis bilden oder daß alle zu einer Schaltung
gehörenden Schaltelemente auf einem Chip untergebracht sind. Die zuletzt erwähnte
Möglichkeit ist ohne weiteres technisch realisierbar weil die Schaltelemente nur
Widerstände, Kondensatoren, Transistoren und Dioden sind.