DE2326758A1

DE2326758A1 - Vorrichtung zur digitalen subtraktion von frequenzen

Info

Publication number: DE2326758A1
Application number: DE2326758A
Authority: DE
Inventors: Bernardus Henricus Cornelissen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-06-03
Filing date: 1973-05-25
Publication date: 1973-12-20
Also published as: DE2326758C3; US3866129A; GB1368585A; FR2188359B1; FR2188359A1; DE2326758B2; NL7207569A

Description

"Vorrichtung zur digitalen Subtraktion von Frequenzen"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur digitalen Subtraktion von an zwei Eingängen zu empfangenden Signalfrequenzen, mit einer Ausgangsvorrichtung, die auf ein Befehlssignales der höheren Frequenz eine Signalwelle erzeugen kann, welche Erzeugung durch ein Befehlssignal der niedrigeren Frequenz während einer bestimmten Zeit gesperrt werden kann. Es sind manche Formen äctl_cher Vorrichtungen bekannt. Es ist möglich, dass die Frequenzen in Form zweier Impulsfolgen eintreffen. Wenn ein Impuls der niedrigeren Frequenz eintrifft, wird dies detektiert, wonach der nächste Impuls der Folge mit der höheren Wiederholungsfrequenz gesperrt wird. Die nichtgesperrten Impulse werden von der Ausgangsvorrichtung durchgelassene Die Ausgangsvorrichtung kann

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auch selbst einen Impulsformer enthalten, wie dies z.B. in der deutschen Offenlegungsschrift 1 959 224 der Fall ist. Die Vorderflanken der Impulsfolgen bewirken dabei, dass ein Zähler vorwärts bzw. rückwärts zählt. Wenn der Zähler*einen bestimmten Stand erreicht hat, wird ein Ausgangsimpuls erzeugt. Eine derartige Vorrichtung arbeitet zufriedenstellend, namentlich wenn die beiden Eingangsfrequenzen sich verhältnismässig wenig voneinander unterscheiden, so dass stets einer oder mehrere Impulse gesperrt werden, bevor wiederum ein Ausgangsimpuls erzeugt wird. Wenn der relative Unterschied zwischen den beiden Eingangsfrequenzen gross ist, treten mehrere Ausgangsimpulse mit der Wiederholungszeit der höheren Frequenz auf, wonach ein Impuls unterdrückt wird. Dies lässt sich als ein Phasensprung von 3^0° betrachten, und solche grpsse Phasensprünge sind ungünstig, namentlich wenn das Ausgangssignal benutzt wird, um eine nahezu harmonische Wellenform zu erhalten. Um diesen Nachteil zu verringern ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, wodurch der pro Periode des Signals der niedrigeren Frequenz innerhalb des erwähnten Zeitraumes stattfindende Phasensprung in mindestens zwei durch mindestens eine Periode des Ausgangssignals voneinander getrennten Sprüngen durchführbar ist, indem Verzögerungsmittel vorgesehen sind, durch die auf ein erstes Befehlssignal der niedrigeren Frequenz während einer bestimmten Zeit die Ausgangsvorrichtung mit einer Zeitverzögerung, die kleiner als die Periode des Signals mit der höheren Frequenz ist, wirksam gemacht wird, und dass durch ein

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zweites. Befehls signal der niedrigeren Frequenz die Verzögerungsmittel unwirksam gemacht werden und eine Signalwelle maskiert wird. Auf diese Weise wird der Phasensprung in zwei Teile geteilt, deren Summe 36O° beträgt. Die Erfindung kann auch mit Zeitumkehrung betrachtet werden; in dem Falle wird somit eine Signalwelle maskiert, wonach mehrere Signalwellen verfrüht werden. Theoretisch und praktisch läuft dies auf das gleiche hinaus.

Gemäss einem bevorzugten Aspekt der Erfindung

betragen die beiden erwähnten Sprünge je etwa 180°. Auf diese Weise ist der Höchstwert der Phasensprünge halbiert. Auf die gleiche Weise können die Phasensprünge weiter dadurch verkleinert werden, dass zunächst die Frequenzen verdoppelt werden, dann eine Vorrichtung gemäss der Erfindung verwendet wird, und schliesslich die Frequenz des Ausgangssignales durch zwei dividiert wird: sodann ergeben sich im allgemeinen stets Vierergrupperi von 90°-Phasensprüngen.

Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung

enthalten die erwähnten Mittel ein bistabiles Element, das durch das erste Befehlssignal der niedrigeren Frequenz und den invertierten Wert des Signales der höheren Frequenz gesetzt werden kann und im gesetzten Zustand je Periode des Signals der höheren Frequenz die Ausgangsvorrichtung wirksam macht, wodurch eine in bezug auf das Signal mit eier höheren Frequenz verzögerte Periode des Ausgangssignales erzeugt werden kann. Insbesondere wenn die beiden Eingangssignale symmetrisch sind, lässt sich so auf einfache Weise die Zeit-

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Verzögerung erreichen. Der erwähnte invertierte Wert kann auch als um 18O° verzögert (oder verfrüht) betrachtet werden.

Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung

enthalten die erwähnten Mittel einen Zähler, der unter der Steuerung von Impulsflanken des Signales mit der höheren Frequenz vorwärts zählt, unter der Steuerung von Impulsflanken des Signales mit der niedrigeren Frequenz rückwärts zählt und beim Erreichen eines bestimmten Zählerstandes, z.B. des Standes 2, die Ausgangsvorrichtung zur Erzeugung eines Ausgangsimpulses ansteuert, wobei der Zählerstand rückgestellt wird. Im Gegensatz dazu sind gemäss der angeführten deutschen Offenlegungsschrift 1 959 2.2k nur die Vorderflanken der Eingangssignale wirksam; wie nachstehend erläutert hat dies Nachteile, die gemäss der Erfindung beseitigt werden.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein elektronisches Musikinstrument, insbesondere eine elektronische Orgel, das bzw. die mit einer Oszillatorvorrichtung, die mindestens zwei Oszillationsfrequenzen erzeugen kann, mit einer Vorrichtung zur digitalen Subtraktion dieser beiden Oszillationsfrequenzen zur Erhaltung einer Tonfrequenz, und mit einem Frequenzteiler versehen ist, der eine Audiofrequenz bilden kann, wobei die Vorrichtung zur digitalen Subtraktion gemäss den vorerwähnten Aspekten ausgebildet ist. Im allgemeinen werden Tonfrequenzen gebildet, die durch eine Reihe aufeinanderfolgender Zweiteiler jeweils um eine Oktave in Tonhöhe herabgesetzt werden. Die Ausgangssignale müssen ausreichend harmonisch sein; wenn sie aus Impulsfolgen bestehen,

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müssen die Pausen zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen ausreichend gleich sein. Es ist bekannt, dass durch aufeinanderfolgende Teilerstufen diese Gleichheit relativ verbessert wird, Sämtliche Töne können von einem Oszillator hergeleitet werden. Angenommen, dieser habe eine Frequenz f, so ergibt sich eine Frequenz ("rf) dadurch, dass von -der ursprünglichen Frequenz eine Frequenz -£-f subtrahiert wird. Danach wird die Form der Signale durch Teilerstufen verbessert. Die Erfindung ermöglicht es, die Zahl der Teilerstufen zu verringern, weil die

Form der ursprünglichen Tonfrequenz den gestellten Anforderungen bereits besser genügt (kleinerer maximaler Phasensprung). Dadurch wird Material eingespart. Ausserdem kann die Oszillatorvorrichtung bei einer niedrigeren Frequenz arbeiten; es ist häufig leichter, bei einer niedrigeren Frequenz eine hinreichende Leistung zu erzeugen. Andererseits ist es auch möglich, mit der gleichen Oszillatorvorrichtung und der gleichen Teilerstufenzahl die Signalqualität zu verbessern.

Die Differenzfrequenz lässt sich auch benutzen, um eine genaue Beziehung zu einer anderen Schwingung zu gewährleisten. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass ein Hilfsoszillator mit einem Hilfsteiler und ein phasenempfindlicher Detektor vorgesehen sind, und dass eine Ausgangsfrequenz der Vorrichtung zur digitalen Subtraktion im phasenempfindlichen Detektor mit der Ausgangsfrequenz des Hilfsteilers verglichen wird, wobei die letztere Frequenz durch Teilung aus der Hilfsoszillatorfrequenz erhalten ist und der Hilfsoszillator mittels des Ausgangssignals des phasenempfindlichen Detektors

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regelbar ist, so dass es eine genaue Phasenbeziehung zwischen diesem Oszillator und dem Signal an einem Eingang der Vorrichtung zur digitalen Subtraktion von Frequenzen und damit auch ein genauer Zusammenhang zwischen den unterschiedlichen Frequenzen gibt. Auch in diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn im Eingangssignal des phasenempfindlichen Detektors keine sehr grossen Phasensprünge auftreten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine bekannte Vorrichtung,

Figur 2 ein Diagramm der bei dieser Vorrichtung auftretenden Signalformen,

Figur 3 ein.erstes Ausführungsbeispiel einer entsprechenden Vorrichtung gemäss der Erfindung,

Figur K Diagramme der bei dieser auftretenden Signalformen,

Figur 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung g'emäss der Erfindung,

Figur 6 Diagramme der bei diese auftretenden Signalformen,

Figur 7 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäss der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Vorrichtung mit zwei Signaleingängen A und B, zwei bistabilen Elementen (Daten-Flipflops) D1 und D2, einem logischen UND-Gatter AND, einem logischen ODER-Gatter OR und einer Ausgangskiemme K.

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Die auftretenden Signale sind in Fig. 2 schematisch dargestellt. An der Klemme A trifft die verhältnismässig hohe Frequenz der Figur 2a ein, die als ein symmetrisches Signal dargestellt ist. Es kann jedoch auch ein unsymmetrisches Signal sein. An der Klemme B trifft die verhältnismässig niedrige Frequenz der Figur 2B ein. Wenn das Signal an der Klemme A von hoch nach niedrig geht, nimmt das bistabile Element D1 den logischen Zustand des Signals an der Klemme B an. Wenn die Klemme B zu diesem Zeitpunkt hoch ist, wird der "1"-Ausgang von D1 auch hoch und sein "O"-Ausgang niedrig. Wenn der "1"-Ausgang des bistabilen Elementes D2 zu diesem Zeitpunkt auch niedrig ist, sind jetzt beide Eingänge des logischen ODER-Gatters OR niedrig, so dass sein Ausgangssignal (Fig. 2H) auch niedrig wird und das logische UND-Gatter AND gesperrt wird. Infolgedessen erreicht der nächste Eingangsimpuls an der Klemme A die Ausgangsklemme K nicht. Wenn am Ende dieses Impulses das Signal an der Klemme A wieder niedrig wird, übernimmt das bistabile Element D2 den logischen Zustand des Signals an seinem Eingang (Fig. 2C), so dass sein "1"-Ausgang hoch wird und über das logische ODER-Gatter OR das logische UND-Gatter AND für die nächsten Eingangsimpulse an der Klemme A durchlässig wird. Wenn das Signal an der Klemme B niedrig wird, wird der "O"-Ausgang des bistabilen Elementes D1 bei der nächsten abfallenden Flanke des Signales an der Klemme A niedrig. Sodann empfängt das logische ODERr-Gatter OR zwei hohe Eingangssignale. Bei der nachfolgenden abfallenden Flanke des Signales an der Klemme A wird das bistabile

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Element D2 umgekippt, so dass sein "1"-Ausgang niedrig wird. Auf diese Weise ist die Ausgangslage wieder erreicht. Bei der abfallenden Flanke des Signals an der Klemme B wird das logische UND-Gatter AND somit nicht gesperrt. Das Fehlen eines der Impulse der Figur 2A in der Impulsfolge nach Fig. 2K bewirkt, dass das letztere Signal tatsächlich die richtige Differenzfrequenz hat. Andererseits bedeutet das Fehlen eines Impulses einen Phasensprung von 36O⁰. Dies ist für viele Anwendungen unerwünscht, z.B. wenn das Ausgangssignal einer harmonischen Schwingung möglichst ähnlich sein muss, wie dies für Frequenzregelungen und weitere nichtdigitale Anwendungen wünschenswert ist.

Figur 3 zeigt eine Vorrichtung gemäss der

Erfindung, die als neue Elemente ein bistabiles Element (Datenflipflop) D3, eine Umkehrstufe I, zwei logische UND-Gatter AND2 und AND3, ein logisches ODER-Gatter 0R2 und eine Ausgangsklemme N enthält. Die auftretenden Signale sind in Fig. k schematisch dargestellt. Wenn das Signal an der Klemme B hoch wird, nimmt bei der nächsten abfallenden Flanke des Signales an der Klemme A das bistabile Element D1 den entsprechenden logischen Zustand an, wobei der "1"-Ausgang hoch und der "O"-Ausgang niedrig wird, so dass das logische UND-Gatter AND2 gesperrt wird. Wenn dabei auch der "!"-Ausgang des bistabilen Elementes D3 niedrig ist, ist auch das logische UND-Gatter AND3 gesperrt» Weil der Schalteingang des bistabilen Elementes D3 über die Umkehrstufe I an die Klemme A angeschlossen ist, wechselt D3 bei der nächsten ansteigenden

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Flanke des Signales an der Klemme A seinen Zustand; infolgedessen wird der "1"-Ausgang von D3 hoch (Fig. 4e), so dass das logische UND-Gatter AND3 für das an der Klemme A eingetroffene invertierte Signal (Fig. 4M) durchlässig wird. Bei der nächsten abfallenden Flanke des Signales an der Klemme A ändert das bistabile Element D2 seinen Zustand, so dass sein "1"-Ausgang hoch und sein "O"-Ausgang niedrig wird. Dabei wird somit durch zwei niedrige Eingangssignale das logische UND-Gatter AND2 doppelt gesperrt.

Wenn dann das Signal an der Klemme B wieder

niedrig wird, wird bei der nächsten abfallenden Flanke des Signales an der Klemme A das bistabile Element D1 rückgesetzt, so dass sein "1"-Ausgang niedrig und sein "O"-Ausgang hoch wird. In Bezug auf das logische UND-Gatter AND2 hat dies jedoch keine weiteren Folgen, weil der."O"-Ausgang des bistabilen Elementes D2 noch niedrig ist» Bei der nächsten ansteigenden Flanke des Signales an der Klemme A wird über die Umkehrstufe I das bistabile Element D3 rückgesetzt, so dass sein "1"-Ausgang niedrig wird, und das logische UND-Gatter AND3 für das weitere von der Umkehrstufe I invertierte Signal an der Klemme A gesperrt wird. Bei der nächsten abfallenden Flanke des Signales an der Klemme A wird auch das bistabile Element D2 rückgesetzt, so dass sein "!"-Ausgang niedrig und sein "O"-Ausgang hoch wird. Infolgedessen ist die Sperrung des logischen UND-Gatters AND2 beseitigt. Der nächste Impuls an der Klemme A wird nunmehr durchgelassen und erreicht durch das ODER-Gatter 0R2 die Ausgangsklemme N. Es ist klar, dass

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in Fig. 4 pro Periode des Signals an der Klemme B zwei Phasensprünge von je 18O° auftreten. Die Signalformen der Figur 2 und 4 treten in den in den Figuren 1 bzw. 3 mit entsprechenden Buchstaben bezeichneten Leitungen und Klemmen auf.

Figur 5 zeigt eine andere Vorrichtung gemäss

der Erfindung. Die Vorrichtung hat zwei Eingangsklemmen A und B, wie in den Figuren 1 und 3 ι einen Zähler COU, zwei Differenzierglieder DA und DB, einen Impulsformer PS und eine Ausgangsklemme P. Das Differenzierglied DA differenziert das Signal an der Klemme A (Figur 6.1) und führt das Ergebnis dem Vorwärtszahleingang des Zählers COU zu. Die Stände des Zählers sind 0 und 1 (Fig. 6.3)» während beim Erreichen des Standes 2 der Zähler auf Null rückgesetzt und dem Impulsformer PS ein Signal zugeführt wird.

Das Rücksetzen ist durch waagerechte gestrichelte Linien in Figur 6.3 dargestellt. Das Differenzierglied DB differenziert das Signal an der Klemme B (Fig. 6.2) und führt das Ergebnis dem Rückwärtszahleingang des Zählers COU zu. Die unter der Steuerung des Rücksetzens beim Erreichen des Standes 2 vom Zähler COU erzeugten Impulse am Ausgang P sind in Fig. 6.4 dargestellt, die Figur 4M entspricht. Es ist auch möglich, das Signal des Zählers als Ausgangssignal zu verwenden. Dies hat den Vorteil, dass die Phasensprünge in gleichen Abständen liegen, aber den Nachteil, dass jetzt auch längere und kürzere Impulse anstelle von nur längeren und kürzeren Pausen zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen auftreten. .

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Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform .

der Erfindung, die zwei Eingangskiemmen A und B, ein Differenzierglied DC, zwei bistabile Elemente FF1 und FF2, ein Verzögerungselement DL, eine Umkehrstufe 12, vier logische UND-Gatter AND4, 5, 6, 7, ein logisches ODER-Gatter 0R3 und einen Ausgang Q enthält. Angenommen, die bistabilen Elementen FF1 und FF2 seien rückgesetzt, so dass ihre "1"-Ausgänge hoch sind. Dabei ist das logische UND-Gatter AND6 durchlässig für die Signale am Eingang A, die ebenso wie in Figur 3 über das logische ODER-Gatter 0R3 den Ausgang Q erreichen. Beim Auftreten einer Flanke des Signales an der Klemme B wird das bistabile Element FF1 (Τ-Flipflop) gesetzt, so dass sein "1"-Ausgang niedrig und sein "0"- Ausgang hoch wird. Wenn das Signal an der Eingangsklemme A niedrig wird, empfängt das logische UND-Gatter AND 7 vom bistabilen Element FF1 und von der Klemme A über die Umkehrstufe 12 je ein hohes Signal, so dass es dem bistabilen Element FF2 ein hohes Signal zuführt. Infolgedessen wird das bistabile Element FF2 rückgesetzt, so dass sein "1"-Ausgang niedrig wird, wodurch das logische UND-Gatter AND6 gesperrt wird. Der "0"-Ausgang von FF2 wird hoch, so dass das logische UND-Gatter AND 5 geöffnet wird. Das nächste hohe Signal am Eingang A wird über das logische UND-Gatter AND5» das Verzögerungselement DL und das logische ODER-Gatter 0R3 dem Ausgang Q verzögert zugeführt» Diese Verzögerung hat z.B. einen ¥ert, der etwas länger als das Intervall zwischen zwei hohen Signalen am Eingang A ist.' Bei der nächsten Flanke des Signales am Eingang B wird das bistabile

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Element FF1 wieder rückgesetzt. Bei der nächsten ansteigenden Flanke dos Signales am Eingang A werden sodann dem logischen UND-Gatter AND4 zwei hohe Signale zugeführt, so dass es am Ausgang ein hohes Signal erzeugt. Dadurch wird das bistabile Element FF2 rückgesetzt. Infolgedessen wird das logische UND-Gatter AND6 geöffnet und das logische UND-Gatter AND5 geschlossen. Wenn die Verzögerungszeit des Verzögerungselementes DL grosser als das Intervall zwischen zwei hohen Signalen an der Klemme A ist, wird der Ausgang des Verzögerungselementes erst dann niedrig, wenn der Ausgang des logischen UND-Gatters AND6 bereits hoch ist. Dadurch werden zwei hohe Signale am Ausgang zu einem längeren Impuls zusammengefügt. Man kann auch sagen, dass ein Impuls durch einen teilweise mit ihm zusammenfallenden anderen Impuls unkenntlich gemacht und somit maskiert wird.

Der sämtlichen Ausführungsformen gemeinsame

Gedanke ist mithin die Verzögerung eines Teiles der Impulse, entweder durch ein eigens dazu vorgesehenes Verzögerungselement oder durch Umkehrung oder durch Anwendung eines Zweirichtungszählers. Am Ende wird ein Impuls entweder unterdrückt oder mit einem anderen Impuls zusammengefügt und somit maskiert.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE .

Π ^ Vorrichtung zur digitalen Subtraktion von an

zwei Eingängen zu empfangenden Signalfrequenzen mit einer Ausgangsvorrichtung, die auf ein Befehlssignal der höheren Frequenz eine Signalwelle erzeugen kann, welche Erzeugung von einem Befehlssignal der niedrigeren Frequenz während einer bestimmten Zeit gesperrt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel.vorgesehen sind, wodurch der pro Periode des Signales der niedrigeren Frequenz innerhalb des erwähnten Zeitraumes stattfindende Phasensprung in mindestens zwei durch mindestens eine Periode des Ausgangssignales voneinander getrennten Sprüngen durchführbar ist, indem Verzögerungsmittel vorgesehen sind, durch die auf ein erstes Befehlssignal der niedrigeren Frequenz während eines bestimmten Zeit die Ausgangsvorrichtung mit einer Zeitverzögerung, die kleiner als die Periode des Signales mit der höheren Frequenz ist, wirksam gemacht wird, und dass durch ein zweites Befehlssignal der niedrigeren Frequenz die Verzögerungsmittel unwirksam gemacht werden und eine Signalwelle maskiert wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnten zwei Sprünge je etwa 18O° betragen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnten Mittel ein bistabiles Element enthalten, das durch das erste Befehlssignal der niedrigeren Frequenz und den invertierten Wert des Signales der höheren Frequenz gesetzt wird und im gesetzten Zustand

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je Periode des Sign'ales der höheren Frequenz die Ausgangsvorrichtung wirksam macht, wodurch eine in bezug auf das Signal mit der höheren Frequenz verzögerte Periode des Aus— gangssignales erzeugt wird.

k. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, dass die erwähnten Mittel einen Zähler enthalten, der unter der Steuerung von Impulsflanken des Signales mit der höheren Frequenz vorwärts zählt, unter der Steuerung von Impulsflanken des Signales mit der niedrigeren Frequenz rückwärts zählt und beim Erreichen eines bestimmten Zähl— Standes, z.B. des Standes 2, die Ausgangsvorrichtung zur Erzeugung eines Ausgangsimpulses ansteuert, wobei der Zählerstand rückgesetzt wird.

5. Elektronisches Musikinstrument, insbesondere

elektronische Orgel, das bzw. die mit einer Oszillatorvorrichtung, die mindestens zwei Schwingungsfrequenzen erzeugen kann, mit einer Vorrichtung zur digitalen Subtraktion dieser beiden Schwingungsfrequenzen voneinander zur Erhaltung einer Tonfrequenz und mit einem Frequenzteiler versehen ist, der eine Tonfrequenz bilden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur digitalen Subtraktion gemäss einem der Ansprüche 1 bis k ausgebildet ist.

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