DE2414285C3 - Phasendetektor - Google Patents

Description

detektor, bei dem eine erste und eine zweite ein- und ausschaltbare Stromquelle vorgesehen sind, die am Ausgang des Phasendetektors erste bzw. zweite Impulse mit gleichen Amplituden und mh unterschiedlichen Vorzeichen abgeben, deren zeitliches Integral ein Maß für die Phasendifferenz ist und bei dem eine erste Steuereinrichtung vorgesehen ist, der das Meßsignal und das Bezugssignal zugeführt werden und die ein erstes bzw. zweites Signal erzeugt, das die erste bzw. zweite Stromquelle einschaltet, dadurch gelöst, daß die Steuereinrichtung einen binären Speicher enthält, der einen ersten Zustand einnimmt, wenn das Bezugssignal einen ersten Binärwert annimmt und der einen zweiten Zustand einnimmt, wenn das Meßsignal einen zweiten Binärwert annimmt, und der das erste bzw. zweite Signal abgibt, wenn er den ersten Zustand bzw. den zweiten Zustand einnimmt

Der Phasendelektor gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß die ermittelte Phasendifferenz unabhängig von der Impulsbreite des Bezugssignals ist Außerdem ermittelt er die !Phasendifferenz, wenn die Impulsabstände der Bezugssignale ein ganzzahliges Vielfaches des Impulsabstands der Meßsignale sind.

Um sicherzustellen, daß beim Fehlen eines Bezugssignals keine falsche Phasendifferenz ermittel wird, ist es vorteilhaft, wenn eine dritte ein- und ausschaltbare Stromquelle vorgesehen ist, die bei jedem Fehlen des Bezugssignals am Ausgang des Phasendetektors zusätzlich zum zweiten Impuls einen dritten Impuls mit gleicher Amplitude und mit umgekehrtem Vorzeichen erzeugt und wenn eine zweite Steuereinrichtung vorgesehen ist, der das Meßsignal und das erste und zweite Signal zugeführt werden und die ein drittes Signal abgibt, das die dritte Stromquelle einschaltet.

Andere Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird anhand von Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel des Phasendetektors gemäß der Erfindung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild des Phasendetektors,

F i g. 2 Zeitdiagramme von Signalen an verschiedenen Punkten des Phasendetektors,

F i g. 3 ein Schaltbild einer Steuereinrichtung.

Das in Fig. 1 dargestellte Schaltbild des Phasendetektors zeigt drei mittels Schalter Si bis 53 ein- und ausschaltbare Stromquellen Q\ bis Q 3, eine erste Steuereinrichtung STl, eine zweite Steuereinrichtung ST2 und ein integrierglied IN. Dem Ph?sendetektor wird an einem ersten Eingang M ein rechteckförmiges Meßsignal m und an einem zweiten Eingang B ein rechteckförmiges Bezugssignal b zugeführt. Der Phasendetektor gibt an seinem Ausgang A impulsförmige Ströme /1 bis /3 ab, deren zeitliches Integral ein Maß für die Phasendifferenz zwischen dem Meßsisnal in und dem Bezugssignal b ist. Zur Erzeugung des zeitlichen Integrals dient das am Ausgang A angeschlossene Integrierglied /A/,das aus einem Kondensator Cbesteht. Bei Verwendung des Phasendetektors in einem Phasenregelkreis gibt das Integrierglied IN beispielsweise an seinem Ausgang D eine Steuerspannung für einen nicht dargestellten spannungsgesteuerten Oszillator ab, der seinerseits wieder das Meßsignal m erzeugt.

Die Stromquellen Q 1 bis Q3 liefern in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen dem Meßsignal m und dem Bezugssignal b die Ströme /1 bis /3 mit gleicher Amplitude, unterschiedlicher Dauer und mit unterschiedlichem Vorzeichen. Die Stromquellen Q 1 und Q2 werden durch die erste Steuereinrichtung STX gesteuert und die von ihnen abgegebenen Ströme /1 und /2 haben unterschiedliches Vorzeichen. Die Stromquelle Q 3 wird von der zweiten Steuereinrichtung STI gesteuert und die von ihr abgegebenen Ströme /3 haben das gleiche Vorzeichen wie die von der Stromquelle Q1 abgegebenen Ströme /1.

Der Steuereinrichtung STi werden das Meßsignal m und das Bezugssignal b zugeführt Sie enthält einen binären Speicher, beispielsweise ein erstes Flipflop Fl, dessen Ausgänge jeweils einer der Stromquellen Ql und Q 2 zugeordnet sind. Die Steuereinrichtung ST2 enthält ein weiteres Flipflop H, das der Stromquelle Q 3 zugeordnet ist Die Stromquellen Q 1 und Q 3 sind völlig gleichartig aufgebaut Sie enthalten jeweils einen mit einer Spannung U verbundenen Widerstand R 1 bzw. R 3, einen Schalter 51 bzw. 53 und einen Umsetzer U1 bzw. U 3, der ein am Eingang der Stromquelle Q1 bzw. Q 3 anliegendes Signal derart umformt, daß der Schalter 51 bzw. 53 geschlossen wird. Die Stromquelle 52 ist ähnlich wie die Stromquellen Q1 und Q 3 aufgebaut und enthält ebenfalls einen Umsetzer U2, einen Schalter 52 und einen Widerstand R 2. Sie unterscheidet sich von ihnen nur dadurch, daß der Widerstand R 2 mit einem Punkt verbunden ist, an dem ein Bezugspotential von beispielsweise 0 V anliegt Derartige Stromquellen Q 1 und ζ) 3 sind allgemein bekannt und beispielsweise in der eingangs genannten DE-PS 18 01 261 beschrieben.

Weitere Einzelheiten des in Fig. 1 dargestellten Schaltbilds werden zusammen mit den in Fig. 2 dargestellten Signalen beschrieben.

Die F1 g. 2 zeigt einige Signale, wie sie beim Betrieb des in F i g. 1 dargestellten Phasendetektors anfallen. In Abszissenrichtung ist die Zeit f und in Ordinatenrichtung sind die Amplituden der Signale dargestellt. Da die Signale ausschließlich Binärsignale sind, können sie nur die mit 0 und 1 bezeichneten Binärwerte annehmen.

Das in F i g. 2 dargestellte Bezugssignal b wird dem Flipflop Fl der Steuereinrichtung 5Tl zugeführt. Es besteht aus einer Folge von Rechteckimpulsen, deren Impulsbreite als konstant angenommen wird. Weiterhin wird angenommen, daß sich die Phasendifferenz ρ zwischen dem Meßsignal m und dem Bezugssignal b zwischen den Zeitpunkten f4 und f5 und nach dem Zeitpunkt f 8 zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Rechteckimpulsen schrittweise um 45° erhöht und daß zum Zeitpunkt /6 ein Rechteckimpuls fehlt. Das ebenfalls in Fig. 2 dargestellte Meßsignal m wird mittels eines Inverters /1 invertiert und anschließend dem Flipflop Fl zugeführt. Das Meßsignal m besteht aus einer Folge von Rechteckimpulsen, deren Impulsbreite gleich ist dem halben Impulsabstand T.

Als Phasendifferenz ρ wird der auf den Impulsabstand T des Meßsignals m bezogene Phasenwinkel zwischen der ansteigenden Flanke des Bezugssignals b und der ansteigenden Flanke des Meßsignals m bezeichnet. Die Phasendifferenz ρ ist positiv, wenn das Bezugssignal b dem Meßsignal m voreilt.

Zum Zeitpunkt 11 ändert das Bezugssignal b seinen Binärwert von 0 auf 1. Es wird angenommen, daß keine Phasendifferenz ρ vorhanden ist und das Meßsignal m ändert damit ebenfalls seinen Binärwert von 0 auf 1. Das Bezugssignal b liegt am Setzeingang und das invertierte Meßsignal liegt am Rücksetzeingang des Flipflops Fl an. Die Setz- und Rücksetzeingänge sind derart ausgebildet, daß das Flipflop F1 nur bei einer Änderung des jeweils anliegenden Signals vom Binärwert 0 zum Binärwert 1 und gleichzeitigem Anliegen eines Signals mit dem Binärwert 1 an zugehörigen weiteren

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Vorbereitungseingängen gesetzt oder zurückgesetzt wird.

Mit der Änderung des Binärwerts des Bezugssignals b wird somit das Flipflop Fl gesetzt. Die Signale /und g an den Ausgängen des Flipflops Fl sind ebenfalls in F i g. 2 dargestellt. Das Signal / an dem Ausgang, der dem Setzeingang zugeordnet ist, wird der Stromquelle <?1 zugeführt über den Umsetzer Ui schließt das Signal /den Schalter Fl und über den Widerstand R 1 fließt ein Strom /1 zum Ausgang A des Phasendetektors. Der Strom /1 wird dem Integrierglied IN zugeführt und der Kondensator Cwird aufgeladen.

Das Signal g an dem Ausgang, der dem Rücksetzeingang zugeordnet ist, wird der Stromquelle Q 2 zugeführt. Da es den Binärwert 0 hat, wird der Schalter 52 in der Stromquelle Q 2 nicht geschlossen.

Zum Zeitpunkt i2 ändert das Bezugssignal b seinen Binärwert wieder von 1 und 0. Diese Änderung bleibt für den Phasendetektor ohne Bedeutung, denn das Flipflop Fl wird nur dann gesetzt, wenn das Bezugssignal b seinen Binärwert von 0 auf 1 ändert. Diese An der Ansteuerung des Flipflops Fl hat den Vorteil, daß die vom Phasendetektor ermittelte Phasendifferenz ρ unabhängig von der Impulsbreite des Bezugssignals b ist.

Zum Zeitpunkt i3 ändert das Meßsignal m seinen Binärwert von 1 auf 0 und das invertierte Meßsignal ändert damit seinen Binärwert von 0 auf 1. Mit der Änderung wird das Flipflop Fl zurückgesetzt. Das Signal /nimmt den Binärwert 0 an und öffnet wieder den Schalter 51. Der Strom /1 wird damit wieder unterbrochen und die Aufladung des Kondensators C wird beendet Am Ausgang D des Integrierglieds /N wird eine Steuerspannung abgegeben, deren Größe von der Dauer f3 —fl des Stromes /1, von seiner Amplitude und von der Kapazität des Kondensators C abhängt

Mit dem Rücksetzen des Flipflops Fl nimmt das Signal g an seinem Ausgang den Binärwert 1 an und über den Umsetzer i/2 wird der Schalter 52 geschlossen. Die Stromquelle Q 2 gibt einen Strom /2 mit einem Vorzeichen ab, das dem des Stromes /1 entgegengestetzt ist. Vom Integrierglied IN fließt damit der Strom /2 über den Schalter 52 und den Widerstand R 2 zu einem Punkt, der mit einem Bezugspotential von OV verbunden ist. Der Kondensator C wird damit wieder entladen.

Zum Zeitpunkt 14 ändert das Bezugssignal b wieder seinen Binärwert von 0 auf 1. In gleicher Weise wie zum Zeitpunkt 11 wird mit der Änderung das Flipflop Fl gesetzt und das Signal g nimmt den Binärwert 0 an und öffnet den Schalter 52. Der Strom /2 wird damit wieder unterbrochen und die Entladung des Kondensators C wird beendet Da zu den Zeitpunkten 11 und 14 eine Phasendifferenz von 0° angenommen wurde, sind die impulsförmigen Ströme i 1 und /2, die im folgenden kurz als Impulse /1, /2 bezeichnet werden, gleich groß und der Kondensator Cwurde bis zum Zeitpunkt 14 wieder so weit entladen, daß die Steuerspannung dieselbe Größe annimmt wie vor dem Zeitpunkt f1.

Da zwischen den Zeitpunkten f 4 und f5 angenommen wurde, daß sich die Phasendifferenz ρ schrittweise um jeweils 45" erhöht wird bis zum Zeitpunkt f 5 auf diese Weise eine Phasendifferenz von +135° erreicht Aus Fig.2 erkennt man, daß die dem Signal / zugeordneten Impulse /1 ständig breiter und die dem Signal g zugeordneten Impulse /2 schmaler werden. Der Kondensator Cwird folglich stärker aufgeladen als

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65 er entladen wird und die Steuerspannung ist proportional der Phasendifferenz p.

Nach dem Zeitpunkt f 8 wird ebenfalls angenommen, daß das Bezugssignal b um jeweils einen um 45° größeren Winkel voreilt bis zum Zeitpunkg f9 eine Phasendifferenz von +180° erreicht wird. Anschließend eilt das Bezugssignal b dem Meßsignal m nach und zum Zeitpunkt MO wird eine Phasendifferenz von —90° erreicht Man erkennt in Fig.2, daß die Impulse /1 wesentlich schmaler sind als die Impulse /2. Der Kondensator C wird folglich stärker entladen als er aufgeladen wird und die Steuerspannung am Ausgang D des Integrierglieds IN ist wieder proportional der Phasendifferenz p.

Zum Zeitpunkt /6 wird angenommen, daß ein Rechteckimpuls des Bezugssignals b infolge einer Störung ausfällt Das Flipflop Fl wird damit nicht gesetzt. Die gestrichelten Linien in F i g. 2 zeigen den Signalverlauf für den Fall an, daß der Rechteckimpuls nicht ausgefallen wäre. Man erkennt daß der Kondensator Cwegen des Ausfalls in unzulässiger Weise entladen wird.

Um dieser Entladung entgegenzuwirken, wird mittels der zweiten Steuereinrichtung 5Γ2 und der dritten Stromquelle Q3 ein dritter Impuls /3 erzeugt der den Kondensator C wieder so weit auflädt daß die unzulässige Entladung ausgeglichen wird. Die Steuereinrichtung 5Γ2 enthält ein Flipflop H, das in gleicher Weise aufgebaut ist wie das Flipflop Fl.

Da das Flipflop Fl zum Zeitpunkt <7 zurückgesetzt ist und das Signal g am zusätzlichen Setzeingang des Flipflops H den Binärwert 1 hat wird das Flipflop H mit der Rückflanke des Meßsignals m gesetzt Das Signal Λ am Ausgang des Flipflops H nimmt den Binärwert 1 an und es schließt über den Umsetzer L/3 den Schalter 53. Über den Widerstand R 3 und den Schalter 53 fließt ein Strom /3 zum Integrierglied IN. Mit der nächsten Rückflanke des Meßsignals m wird nach dem Impulsabstand T das Flipflop H zum Zeitpunkt i9 wieder zurückgesetzt Durch das Signal h wird der Schalter 53 wieder geöffnet Der Strom /3 ist damit wieder unterbrochen und das Aufladen des Kondensators C wird beendet. Der Kondensator C wurde durch den Strom /3 wieder so weit aufgeladen, daß die Steuerspannung am Ausgang D des Integrierglieds IN trotz des Fehlens des Bezugssignals wieder ihren ursprünglichen Wert annimmt

Da bei Verwendung von üblichen Stromquellen die beiden Ströme /2 und ;3 nicht absolut gleich gemacht werden können, tritt bei Ausfall von mehreren Rechteckimpulsen des Bezugssignals b eine mit der Zeit zunehmende Änderung der Steuerspannung am Ausgang des Iniegriergliedes /Λ' auf. Um dieses zu verhindern, ist es zweckmäßig ein Zeitglied vorzusehen, das nach dem Ausfall einer vorgegebenen Anzahl von Rechteckimpulsen bis zum erneuten Auftreten der Rechteckimpulse die Schalter 51 bis 53 öffnet Als Zeitglied wird beispielsweise eine wiedertriggerbare, monostabile Kippschaltung verwendet Nach Abschalten der Stromquellen übernimmt eine Hilfsspannung UH über einen in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Widerstand R am Ausgang D des Integrierglieds IN das Halten der Steuerspannung auf einem vorgegebenen Nennwert Das Zeitglied, die Hilfsspannung i/Hund der Widerstand R sind nicht erforderlich, wenn die Stromquellen nach Fig. 1 ausgebildet sind, so daß bei geschlossenen Schaltern 52 und 53, d. h. bei fehlenden Rechteckimpulsen des Bezugssignals b am Kondensator

C eine Spannung anliegt, die der Nenngröße der Steuerspannung zugeordnet ist.

Bei der in Fig.3 dargestellten Kennlinie des Phasendetektors ist in Abszissenrichtung die Phasendifferenz ρ zwischen dem Meßsignal m und dem Bezugssignal b aufgetragen. In Ordinatenrichtung ist die Ladung Q aufgetragen, die zwischen zwei Rückflanken des Meßsignals m am Ausgang A des Phasendetektors abgegeben oder aufgenommen wird. Die Kennlinie zeigt einen sägezahnförmigen Verlauf, der sich mit einer Periode von 360° wiederholt. Weiterhin zeigt sie, daß der Phasendetektor in einem Bereich von ±180° einen linearen Verlauf besitzt. Die am Ausgang A des Phasendetektors abgegebene Ladung Q ist damit in diesem Bereich proportional der jeweiligen Phasendifferenz p.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Phasendetektor zum Ermitteln der Phasendifferenz zwischen einem binären Meßsignal und einem binären Bezugssignal, bei dem eine erste und eine zweite ein- und ausschaltbare Stromquelle vorgesehen sind, die am Ausgang des Phasendetektors erste bzw. zweite Impulse mit gleicher Amplitude und mit unterschiedlichen Vorzeichen abgeben, deren zeitli- ι ο ches Integral ein Maß für die Phasendifferenz ist und bei dem eine erste Steuereinrichtung vorgesehen ist, der das Meßsignal und das Bezugssignal zugeführt werden und die ein erstes bzw. zweites Signal erzeugt, das die erste bzw. zweite Stromquelle einschaltet, dadurch gekennze'chnet, daß die erste Steuereinrichtung (STl) einen binären Speicher enthält, der einen ersten Zustand einnimmt, wenn das Bezugssignal (b) einen ersten Binärwert (»1«) annimmt und der einen zweiten Zustand annimmt, wenn das Meßsignal (m) einen zweiten Binärwert (»0«) annimmt und der das erste bzw. zweite Signal (fbzv/. g) abgibt, wenn er den ersten Zustand bzw. den zweiten Zustand einnimmt

2. Phasendelektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als binärer Speicher ein erstes Flipflop (FX) vorgesehen ist, das gesetzt wird, wenn das Bezugssignal (b) den ersten Binärwert (»1«), das zurückgesetzt wird, wenn das Meßsignal (m) den zweiten Binärwert (»0«) annimmt und das an seinem ersten bzw. zweiten Ausgang das erste bzw. zweite Signal (f bzw. g) abgibt, wenn es gesetzt bzw. rückgesetzt ist.

J. Phasendetektor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte ein- und ausschaltbare Stromquelle (QY) vorgesehen ist, die bei jedem Fehlen des Bezugssignals (b) am Ausgang (A)aes Phasendetektors zusätzlich zum zweiten Impuls (72) einen dritten Impuls (73) mit gleicher Amplitude und mit umgekehrtem Vorzeichen erzeugt und daß eine zweite Steuereinrichtung (ST2) vorgesehen ist, der das Meßsignal (m) und das erste und zweite Signal (7 und g) zugeführt werden und die ein drittes Signal (h) abgibt, das die dritte Stromquelle (Q 3) einschaltet.

4. Phasendetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuereinrichtung (ST2) ein weiteres Flipflop (H) enthält, das zurückgesetzt bzw. gesetzt wird, wenn das Meßsignal (m) den zweiten Binärwert (»0«) annimmt und das erste bzw. zweite Signal (T bzw. g) den ersten Binärwert (»1«) hat und das an seinem Ausgang das dritte Signal ^abgibt

5. Phasendetektor nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei dem ein Integrierglied vorgesehen ist, dem die von den Stromquellen abgegebenen Impulse zugeführt werden und das an seinem Ausgang eine Steuerspannung erzeugt, die proportional der jeweilige.! Phasendifferenz ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte Stromquelle (Q 2 und Ql) jeweils einen Widerstand (R2, R 3) enthält, mittels dem beim Fehlen des Bezugssignals (b) und der Abgabe eines zweiten und eines dritten Impulses (72 und /3) am Ausgang (A) des Phasendetektors eine Steuerspannung erzeugt wird, die gleichest einem vorgegebenen Nennwert.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Phasendetektor zum Ermitteln der Phasendifferenz zwischen einem binären Meßsignal und einem binären Bezugssignal, bei dem eine erste und eine zweite ein- und ausschaltbare Stromquelle vorgesehen sind, die am Ausgang des Phasendetektors Impulse mit gleichen Amplituden und mit unterschiedlichen Vorzeichen abgeben, deren zeitliches Integral ein Maß für die Phasendifferenz ist und bei dem eine erste Steuereinrichtung vorgesehen ist, der das Meßsignal und das Bezugssignal zugeführt werden und die ein erstes bzw. zweites Signal erzeugt, das die erste bzw. zweite Stromquelle einschaltet.

Phasendetektoren werden häufig in Phasenregelkreisen eingesetzt Ein Phasenregelkreis hat die Aufgabe ein Signal zu erzeugen, dessen Frequenz und Phase so geregelt werden, daß die Frequenz gleich der Frequenz eines Bezugssignals ist und daß zwischen dem Signal und dem Bezugssignal eine vorgegebene Phasendifferenz vorhanden ist

Üblicherweise enthält ein Phasenregelkreis neben dem Phasendetektor einen Regierund einen spannungsgesteuerten Oszillator. Der spannungsgesteuerte Oszillator erzeugt ein Signal mit veränderbarer Frequenz und gibt dieses am Ausgang des Phasenregelkreises ab. Außerdem wird das Signal einem Eingang des Phasendetektors als Meßsignal zugeführt. An einem weiteren Eingang des Phasendetektors liegt das Bezugssignal an. Der Phasendetektor ermittelt die Phasendifferenz zwischen dem Meßsignal und dem Bezugssignal und gibt an den Regler Impulse ab, deren Breite von der Phasendifferenz abhängt. Der Regler formt die Impulse in eine Steuerspannung für den spannungsgesteuerten Oszillator um und verändert die Frequenz des von diesem abgegebenen Signals so, daß jeder Abweichung von der vorgegebenen Phasendifferenz entgegengewirkt wird.

Es sind bereits Phasendetektoren der eingangs genannten Art bekannt, die die Phasendifferenz zwischen einem Meßsignal und einem Bezugssignal ermitteln. In der DE-PS 18 01261 wird auf einen Phasendetektor hingewiesen, bei dem das Bezugssignal in einem ersten UND-Glied mit dem Meßsignal und in einem zweiten UND-Glied mit dem invertierten Meßsignal verknüpft wird. Die beiden UND-Glieder steuern Stromquellen, die positive oder negative Impulse gleicher Amplitude an ein Integrierglied abgeben. Das zeitliche Integral der Impulse und damit die von den Stromquellen abgegebene Ladung ist in einem Bereich von ±90° proportional der Phasendifferenz zwischen dem Meßsignal und dem Bezugssignal.

Es ist weiterhin ein Phasendetektor vorgeschlagen worden, der an seinen Ausgängen Impusle abgibt, deren Breite in einem Bereich von ±180" proportional der Phasendifferenz zwischen dem Meßsignal und dem Bezugssignal ist. Dieser Phasendetektor besteht aus vier Logikschaltungen und einem Plip-Flop, er enthält aber keine Stromquellen. Ein Nachteil dieses Phasendetektors liegt darin, daß die ermittelte Phasendifferenz abhängig von der Impulsbreite des Bezugssignals ist Es ist darum eine Zeitschaltung erforderlich, die die Bezugssignale auf die richtige Länge bringt

Die Erfindung geht aus von dem Phasendetektor gemäß der DE-PS 18 01261. Es liegt ihr aber die Aufgabe zugrunde, einen Phasendetektor anzugeben, der in der Lage ist, die Phasendifferenz zwischen einem Meßsignal und einem Bezugssignal in einem Bereich von ±180" zu ermitteln.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Phasen-