DE2240810A1

DE2240810A1 - Elektrische sperrschaltung

Info

Publication number: DE2240810A1
Application number: DE2240810A
Authority: DE
Inventors: Garland R Austin
Original assignee: Lowrance Electronics Manufacturing Corp
Current assignee: Navico Inc
Priority date: 1971-08-20
Filing date: 1972-08-18
Publication date: 1973-03-01
Also published as: FR2151304A5; JPS4830455A; IT962143B; US3747053A

Description

Elektrische Sperrschaltung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf das Gebiet der Sonar-Suchgeräte und insbesondere auf Stö'runterdrüokungsschaltungen, wobei die Störungsimpulse eine geringere zeitliche Dauer haben sollen als die Signalimpulse.

Es gibt zahlreiche, dem Stand der Technik entsprechende Impulsdiskriminatorschaltungen, welche bestimmte Impulse zu-> riickweisen und andere hindurchlassen. Als Basis der Unterscheidung dient die Impulslänge. Diese dem Stand der Technik entsprechenden Schaltungen sind aber kompliziert aufgebaut und teuer, was sich bei der praktischen Anwendung als wesentlicher Nachteil erweist, besonders, wenn es um die Fertigung einfacher, billiger Sonar—Suchgeräte geht.

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

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Diese Naohteile der dem Stand der Technik entsprechenden Geräte werden durch die vorliegende Erfindung Überwunden, welche eine sehr stark vereinfachte Schaltung vorsieht. Die Einrichtungen zur zeitlichen Verzögerung bestehen aus einer Kapazität, die über einen einstellbaren Widerstand geladen wird. Das Laden beginnt mit dem festgestellten Recheckimpuls, der einen Über der Kapazität liegenden Schalter öffnet. Damit wird der Ladevorgang möglich. Ein modifizierter Reohteokimpuls wird von einer Schmitt-Triggerschaltung erzeugt. Die Triggerschaltung fühlt die Spannung an der Kapazität ab und liefert ihren Ausgangsimpuls, wenn diese Spannung einen einstellbaren Schwellenwert erreicht. Wählt man die Schwellenanspannung hoch genug und die Rate des Spannungsanstiegs an der Kapazität klein genug, dann sind kurzdauernde Störimpulse bereits abgeklungen, bevor die Schwellenwertspannung erreicht wird. Der Schmitt-Trigger tritt dann daher gar nicht erst in Tätigkeit und die Störimpulse werden gesperrt. Bei den länger dauernden Signalimpulsen wird die Triggerschaltung aktiv und erzeugt Rechteckimpulse, die kürzer dauern als die festgestellten Impulse.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Unterscheidungs- und Sperreinrichtung zu schaffen, die zwischen kurzdauernden elektrischen Impulsen auf der Basis der Impulslänge unterscheiden kann und all die Impulse sperrt, deren Dauer unter einem gewählten Wert liegt.

Die Erfindung läßt sich wie folgt zusammenfassen:

Sperrsohaltung zum Unterscheiden zwischen kurzdauernden Impulsen verschiedener Länge im Hochfrequenzbereich, welche die vorderen Flanken der Impulse um ein einstellbares Zeitintervall verzögerte Dieses Zeitintervall wird größer gewählt als die Zeitdauer der kurzen Störimpulse. Die Störimpulse sollen

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gesperrt werden. Das Zeitintervall ist jedoch kurzer als die längeren Signalimpulse, die hindurchgelassen werden sollen.

Die Hochfrequenzimpulse werden festgestellt und in Rechteckimpulse umgeformt. Diese Impulse steuern eine Schalteinrichtung, die immer leitet, es sei denn, Impulse erscheinen. Leitet der Schalter nicht, dann beginnt das Aufladen einer Kapazität, die am Schalter liegt. Die Spannung an der Kapazität steuert eine Schmitt-Triggerschaltung, so daß diese einen Rechteckimpuls liefert, wenn die Spannung einen vorgegebenen Schwellwert erreicht. Der Reohteckimpuls verschwindet, wenn der festgestellte Impuls abklingt. Dann beginnt der Schalter wieder zu leiten und die Spannung an der Kapazität sinkt rasch auf einen niedrigen Wert. Durch die Verwendung eines einstellbaren Widerstandes kann das Laden der Kapazität so verzögert werden, daß ihre Spannung den Schwellenwert nicht in dem kurzen Zeitintervall der Störimpulse erreicht.

Die folgende Beschreibung und die Zeichnungen dienen zur weiteren Erläuterung dieser Erfindung.

Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 die Sperrung der kurzdauernden Impulse; und Fig. 3 und Fig. 4 die Längeneinstellung der gesendeten Schallimpulse·

Es folgt nun die Beschreibung einer bevorzugten AusfUhrungsform dieser Erfindung.

Figo 1 zeigt in schematischer Form den Aufbau eines Sonar-Suchgerätes, das dieser Erfindung entspricht_o Es bein-

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haltet einen Impulseingabe- und Wiedergabeteil 10, einen Teil 12 zur Impulsverstärkung, Schwingungserzeugung, HF-Verstärkung und Ausgabe, einen Sonar-Wandlerteil 14, einen Eingabeteil 16 für das empfangene Signal, einen Detektorteil 18, einen Störunterdrlickungsteil 20 und einen Impulsausgabeteil 22.

Der Impulseingabe- und Wiedergabeteil 10 enthält eine Scheibe 24, die um die Achse 26 rotiert. Die Drehbewegung wird von einem Motor 28 über die Antriebseinriohtungen 27 bewirkt. Auf der Scheibe befindet sioh an einem Ende des Durchmessers eine Neonlampe 30 und am anderen Ende ein Magnet 36. In der Nähe des Magneten, aber auf dem Rahmenteil, sitzt eine Spule 38. Bewegt sioh der Magnet 36 an der Spule vorbei, so erzeugt er einen Spannungsimpuls mit der durch die Bezugszahl 35 gekennzeichneten Form. Dieser Impuls fließt zum Impulsverstärker 40. Der Impulsverstärker formt einen Rechteckimpuls 41 daraus, welcher zum Oszillator 37 gelangt und diesen moduliert, so daß er den Hochfrequenzimpuls 45 liefert. Die Frequenz des Oszillators kann beispielsweise im Bereich von 192 KHz liegen.

Die HF-Impulse 45 werden im Verstärker 39 verstärkt und in Form der Ausgangsimpulse 29 zum Ausgangstransformator 42 geliefert. Die Primärwicklung des Transformators 42 ist mit Hilfe der Kapazität 46 auf die Impulsfrequenz von beispielsweise 192 KHz abgestimmt.

Die Sekundärwicklung 44 des Ausgangstransformators ist über die Leitungen 47 mit dem Sonar-Wandler, der aus einem piezoelektrischen Element 59 besteht, verbunden. Diese Art der Technik kann als bekannt vorausgesetzt werden« Die Leitungen 57 sind im Bereich 61 abgeschirmt und die Abschirmung ist

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geerdet. Die Abschirmung kann auch auf die Leitungen 47, den Transformator 42 usw. ausgedehnt werden (nicht dargestellt). Diese Maßnahme ist in der Technik wohlbekannt und dient zur Minimierung eingefangener Störungen in den Detektorschaltungen 16, die nun beschrieben werden sollen.

Der zum Transformator 42 fließende Impuls 29 bewirkt, daß ein entsprechender Spannungsimpuls auch zum Wandler 59 geliefert wird. Befindet sioh der Wandler 59 im Wasser, dann erzeugt er dort eine elastische (Schall-)Welle. Diese Welle läuft von ihm weg und wird teilweise reflektiert, wenn sie auf eine geeignete Oberfläche trifft. Ein Teil der reflektierten -Wellenenergie erreicht den Wandler 59 und ©rseugt dort ein abgeschwächtes Signal, das üTber die Leitungen 47 sum Transformator 42 läuft und auf der Leitung 63 als Impuls 49 erscheint. Der Impuls gelangt zum abgestimmten Verstärker 52 und wird als verstärkter Impuls 51 weitergegeben. Dieses HF-Signal wird im Detektor 5^ festgestellt, der daraufhin einen ßechteckimpuls 53 erzeugte

Ein Hauptproblem beim Betrieb solcher Geräte besteht im Feststellen schwacher Signale bei -Vorhandensein von Störungen, Ein Teil solcher Störungen gelangt ib©r den Wandler, etwa als Strömungsstörung und dergl₀, herein. Ein anderer Teil wird über sonstige elektrische Einrichtungen, die in der Nähe liegen, eingeschleust.

Die Annahme, daß diese Störungen auf der Basis der Frequenz erkannt werden können, trifft nioht zu» Bei den Forschungsarbeiten für diese Aufgabe wurde festgestellt, daß die Störungen sioh aus kurzdauernden Impulsen zusammensetzen. Macht man das ausgesandte Schallsignal länger als die Stör« impulse, dann ist es möglich, zwischen der Störung und dem Informationssignal auf der Basis der kurzen Störimpulse und

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längerdauernden Signalimpulse zu unterscheiden.

Dieser Unterscheidungsprozeß findet im Störunterdrückungsteil der Schaltung 21 (durch unterbrochene Linien eingerahmt) statt. Dabei wird die vordere Flanke aller Impulse um ein Zeitintervall verzögert, das wenigstens so lang wie die Zeitdauer der Störimpulse ist. Ist der Störimpuls kürzer als die Verzögerungszeit, dann wird er eliminiert und nur die längerdauernden Signale gelangen hindurch, auch wenn sie bei dieser Operation gekürzt werden.

Der Ausgangsimpuls 53 des Detektors fließt zum Lastwiderstand 56. Die Spannung an diesem Widerstand erscheint als Impuls 55 auf der Basisleitung 60 des Transistors 62. Der Emitter 68 des Transistors wird liber die Widerstände 64 und 66 mit einer Spannung von +7,5 Volt versorgt. Der Widerstand 6k ist variabel. Der Kollektor 69 liegt auf Erdpotential. Der Emitter ist über die Kapazität 72 mit Erde verbunden. Erscheint kein Impuls 55 und keine Spannung am Widerstand 56, dann sinkt die Basisspannung auf Erdpotential und der Transistor 62 wird leitend, wobei die Kapazität 72 rasch über den Transistor 62 entladen wird. Erscheint ein Impuls 53, dann steigt die Basisspannung an und der Stromfluß wird unterbrochen. Der Transistor 62 arbeitet also als schneller Schalter, der immer dann geschlossen ist, wenn Strom über die Widerstände 6k und 66 und aus der Kapazität 72 fließt,, Eine Ausnahme bildet das Erscheinen eines Impulses 53. Erscheint ein solcher Impuls, dann wird der Schalter geöffnet und der über die Widerstände 6k und 66 fließende Strom gelangt nun auf die Kapazität 72, welche mit exponentieller Rate, bestimmt durch die Werte der Schaltelemente 6k, 66 und 72, geladenwird. Die Spannungsanstiegsrate an der Kapazität 72 kann durch den Widerstand 6k eingestellt werden. Ein Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen Ik und 76, liefert einen Signalimpuls 79 über

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die Leitung 78 zur Schmitt-Triggersohaltung 80. Diese Schaltung ist in der Technik bekannt und im Handel erhältlich, so daß auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann. Nur soviel sei erwähnt, daß sie den Impuls 79ι der eine gerundete vordere Flanke besitzt, aufnimmt und einen Rechteckimpuls 81 geringerer Breite daraus macht. Dies wird in Verbindung mit Fig. 2 näher erläutert.

In Fig. 2 sind zwei Impulse 55 durch die Bezugszahlen 90 und 91 gekennzeichnet. Der erste Impuls hat die Zeitdauer T3—Tl und ist ein Signalimpuls. Der zweite Impuls, ein Stör— impuls, hat die kürzere Zeitdauer T2-T1.

Der Kurvenverlauf 92 gibt den Spannungsanstieg an der Kapazität 72 in Abhängigkeit von der Zeit wieder. Der Kurvenest 99 zeigt einen schnelleren Anstieg als der Ast 100. Die Kurven 99 ^und 100 beginnen mit dem Anstieg im Zeitpunkt Tl und werden nach Beendigung des Impulses 90 im Zeitpunkt T3 abgeschnitten. Der Ausgangsimpuls des Schmitt-Triggers beginnt beispielsweise zum Zeitpunkt T4. Der Zeitpunkt T4 wird durch die Schwellenwertspannung 98 bestimmt. Erreicht die Spannung des Impulses 79 (Kurve 99 beispielsweise) den Schwellenwert 98, dann wird der Schmitt-Trigger aktiviert und startet den Ausgangsimpuls 9k zum Zeitpunkt T4. War die schwächer ansteigende Spannung 100 gegeben, dann wird der Ausgangsimpuls bis zum Zeitpunkt T5, Kurve 96, verzögert. In beiden Fällen endet der Ausgangsimpuls des Triggers im Zeitpunkt T3 des ursprünglichen Impulses.

Betrachtet man nun den kürzeren Störifflpüls 91ι öo läßt sich auä dem Diagramm 93 ablesen, daß bei kurzen Verzögerungen der Störimpuls 102 den Schwellwert zum Zeitpunkt T4 erreicht» Der Ausgangsimpuls ist in 95 dargestellt. Bei längerer Verzögerung 103 erreicht der Störimpuls den Schwellenwert erst

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zum Zeitpunkt T5, der naoh dem Zeitpunkt T2, dem Ende des Impulses liegt. Da der Störimpuls abklingt bevor der Sohwellwert des Schmitt-Triggers erreicht wird, wird der Störimpuls vollständig unterdrückt, so wie in 97 dargestellt. Daraus folgt, daß, wenn der Signalimpuls länger als der Störimpuls ist, eine Spannungsanstiegsrate am Kondensator 72 duroh Veränderung des Widerstandes 64 erreicht werden kann, bei der der Störimpuls vollkommen unterdrückt wird.

Sind die Störimpulse etwa so lang wie die Signalimpulse, dann müssen die Signalimpulse verlängert werden. Dies kann mit Hilfe eines Sohmitt-Triggers im Verstärker kO erreicht werden. Dabei wird ein Eingangsimpuls 35, der einem Sägezahnimpuls gleioht, in einen Rechteckimpuls kl umgeformt. Fig. 3 zeigt, wie der Eingangsimpuls 110, der zum Zeitpunkt T6 beginnt, und entsprechend dem Kurvenast 112 ansteigt, den Sohwellwert zum Zeitpunkt T7 schneidet. Der Impuls endet i Zeitpunkt TS. Durch Verwendung eines Potentiometers (oder einer ähnlichen Einrichtung) zur Veränderung der Ansteigsrate des "Sägezahns" kann ein schnellerer Anstieg 116 und damit eine frühere Triggerung etwa zum Zeitpunkt T9 erzielt werden, wobei der Impuls gedehnt wird. Ist andererseits die Anstiegsrate geringer, dann wird der Schmitt-Trigger erst sum Zeitpunkt TlO angesteuert und der Impuls gekürzt.

Fig. k zeigt einen ähnliohen Fall, wobei der Impuls mit einer veränderlichen Gleichspannung vorgespannt wird. Die Steigung der Flanke bleibt gleioh, die Flanke selbst wird jedoch nach oben oder unten verschoben. Der Zeitpunkt, in welchem der Schwellwert erreicht wird, kann hierbei (so ■ wie in Fig. 3) verändert und zur Steuerung der Impulslänge benutzt werden.

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Es soll nun bei den weiteren Betrachtungen wieder auf Pig. I Bezug genommen werden. Die schmäler gemachten Ausgangssignalimpulse 81 fließen über die Leitung 82 zum Impulsverstärker 83 und zur Primärwicklung 85 des Aufwärtstransformators 84. Die hohe Spannung an der Sekundärwicklung 86 gelangt über die Leitung 34 zum Schleifring 32 und zur Neonlampe 30. Der rechteckförmige Ausgangsimpuls der Schmitt-Triggerschaltung ist schärfer geformt und von höherer Spannung als ein Impuls mit gerundeter vorderer Flanke. Die Dioden 87 und 88 verhindern, daß ein negativer Impuls vom Transformator zue Neonlampe fließt.

Im Betrieb mit sich drehender Scheibe erzeugt der Magnet J6 einen ansteigenden Impuls, der verstärkt wird und den Oszillator 37 moduliert. Dann wird er als HF-Signal verstärkt und über den Transformator 42 zum Wandler 59 übertragen. Gleichzeitig fließt das Signal im Transformator 42 über die Leitung 63 durch die übrige Schaltung, wobei schließlich ein Impuls hoher Spannung auf der Leitung 34 erzeugt wird, der die Lampe 30 augenblicklich in der gezeigten ("12°°") Position zündet. Durch die Drehung der Scheibe in Richtung des Pfeiles 33 gelangt die Lampe etwa in die Position 30¹, wenn das reflektierte Sonarsignal zum Wandler 59 zurückkommt. Das ungeformte Signal erreicht schließlich den Transformator 84. Die Winkelposition 30' zur Position 30 ist daher ein Maß für das Zeitintervall zwischen dem ausgesandten Sonarimpuls und dem reflektierten Sonarimpuls. Aufgrund der relativ konstanten Geschwindigkeit elastischer Wellen im Wasser ist diese Zeitverzögerung zum Abstand der reflektierenden Fläche äquivalent. Der Winkel zwischen den Positionen 30 und 30' kann daher auf die Entfernung gleicht werden. Die Entfernung selbst läßt sich leicht durch dps Zünden der Lampe 30 ablesen.

Eine Reihe von Merkmalen der beschriebenen Ausführungsform dieser Erfindung sind in der Technik seit langem bekannt. Das wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt aber in der Impulsunterdrückungsschaltung 21 und in der Impulsstreckungs-

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schaltung, die sich im Impulsverstärker kO befindet.

Aufgrund der Erläuterung dieser Erfindung anhand einer Ausführungsform sind natürlich für Fachleute zahlreiche weitere Änderungen und Abwandlungen denkbar, ohne daß dabei der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

l.y Elektrische Sperrschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß Hochfrequenzsignalimpulse der Zeitdauer Tl von dner Empfangseinrichtung empfangen werden; Hochfrequenzstörimpulse der Zeitdauer T2 ebenfalls empfangen werden; die Zeitdauer Tl größer als die Zeitdauer T2 ist; die Störimpulse in einer Pulsbreiten-Diskriminatorschaltung (2l) unterschieden werden, wohei die Startzeitpunkte der Impulse um bestimmte Zeitintervalle verzögert werden; Detektoreinrichtungen (5²O vorgesehen sind, welche das Hochfrequenzsignal (51) und die Störimpulse in positive Rechteckimpulse (53) mit den Zeitdauern Tl und T2 umformen; erste Schalteinrichtungen (62) vorhanden und direkt mit den Detektoreinrichtungen verbunden sind, welche auf die Rechteckimpulse ansprechen und zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen leiten, außer wenn der positive Rechteckimpuls erscheint; Kapazitätseinrichtungen (72) enthalten und zwischen die ersten und zweiten Anschlüsse geschaltet sind, wobei der erste Anschluß mit Erde und der zweite Anschluß über einen ersten Widerstand (64, 66) mit einer positiven Spannung verbunden ist und die Kapazität mit einer bestimmten Rate aufgrund der Spannung über den ersten Widerstand geladen werden kann, während die ersten Schalteinrichtung«n nichtleitend sind, und die Kapazität rasch über den ersten Schalter entladen werden kann, wenn die erste Schalteinrichtung leitet; Schmitt-Triggerschaltungen (80) vorgesehen sind, deren Eingang auf die Spannung an der Kapazität anspricht; und Einrichtungen zur Veränderung des ersten Widerstands enthalten sind, wodurch die Laderate der Kapazität wunschgemäß variiert werden kann.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmitt-Triggerschaltung (80) in Abhängigkeit vom Spannungsanstieg an der Kapazität während des Ladens, d.h. wenn der positive Rechteckimpuls vorhanden ist, und in Abhängigkeit von ihrem eigenen Spannungsschwellenwert einen Ausgangsrechteckimpuls (8l) mit geringerer Zeitdauer als der positive Rechteckimpuls erzeugt; und Einrichtungen (30) vorgesehen sind, welche auf den Ausgangsrechteckimpuls ansprechen und eine visuelle Anzeige des Zeitpunktes des Auftretens dieses Ausgangsrechteckimpulses geben.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Wandlereinrichtungen (59), welche ein akustisches Hochfrequenzsignal empfangen und ein entsprechendes elektrisches Hochfrequenzsignal erzeugen können; und erste Verstärkereinrichtungen (52) zum Verstärken des elektrischen Hochfrequenzsignal (49), wobei die Detektoreinrichtungen (5*0 mit den ersten Verstärkereinrichtungen verbunden sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch zweite Einrichtungen (24, 36, 38, 37, 39, 40) zur Erzeugung von Hochfrequenzimpulsen; und Einrichtungen zum Übertragen der zweiten Impulse zu den Wandlereinrichtungen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Einstellen der Zeitdauer der erzeugten zweiten elektrischen Hochfrequenzimpulse.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch rotierende Einrichtungen (24), welche die Impulserzeugungseinrichtungen initialisieren und die visuelle Anzeige liefern.

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7. Sonar-Suchgerät, gekennzeichnet durch elektrische Einrichtungen zum Erzeugen wiederkehrender erster elektrischer Hochfrequenzsignale der Zeitdauer Tl, Wandlereinrichtungen, die mit den elektrischen Erzeugungseinrichtungen verbunden sind, im Wasser akustische Hochfrequenzsignale erzeugen, Teile dieser akustischen Signale, die von einem im Wasser befindlichen Objekt reflektiert worden sind, empfangen und in zweite elektrische Hochfrequenzsignale mit der Zeitdauer Tl rückverwandeln und hochfrequente Störsignale empfangen und in Signale mit der Zeitdauer T2 rückverwandeln, wobei Tl größer als T2 ist; Detektoreinrichtungen zum Umwandeln der zweiten Hochfrequenzsignale und der Störsignale in positive Rechteckimpulse mit den entsprechenden Zeitdauern Tl und T2; erste Schalteinrichtungen, die direkt mit den Detektoreinrichtungen verbunden sind, auf die Rechteckimpulse ansprechen und zwischen ersten und zweiten Anschlüssen elektrisch leiten, außer wenn die positiven Rechteckimpulse erscheinen; Kapazitätseinrichtungen, die zwischen die ersten und zweiten Anschlüsse geschaltet sind, wobei der erste Anschluß an Erde und der zweite Anschluß über einen ersten Widerstand an einer positiven Spannung liegt, wobei die Kapazität mit einer bestimmten Rate über den ersten Widerstand aufgrund der Spannung geJaden werden kann, während der erste Schalter nicht leitet, und wobei die Kapazität rasch über den ersten Schalter entladen werden kann, während er elektrisch leitet; Schmitt-Triggerschaltungen, deren Eingang auf die an der Kapazität liegende Spannung anspricht; und Einrichtungen zum Verändern des ersten Widerstandes, wobei durch diese Maßnahme die Laderate der Kapazität variiert werden kann.

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